海洋高桩基础水平单调及循环加载现场试验

开展了海洋软黏土中 2 根大直径高桩基础的现场水平单调和循环加载试验,实测获得了桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力和孔隙水压力,揭示了水平单调和循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。利用实测桩身水平位移推算了桩周土反力,在此基础上提出了相应的双曲线型 p – y 曲线,通过引进 Poulos 循环弱化模型建立了水平循环荷载作用下的桩基双曲线型 p – y 曲线分析模型,水平单调及循环荷载作用下桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力等计算结果与实测值均吻合良好。通过现场试验发现规范 p – y 曲线法计算结果偏保守的主要原因是所采用的 p – y 曲线的刚度偏小;不同时段的循环荷载对桩基循环累积变形有叠加效应。 建议设计中应考虑桩基全寿命服役期内所承受的所有循环荷载的影响, 对于重要工程应开展相应的现场水平加载试验,实测桩身水平位移或桩身弯矩,进而利用所推算的桩周土反力来分析桩基受力变形及承载力。     

海洋高桩基础水平大变位性状模型试验研究

利用浙江大学自行研制的大型地基与边坡工程模型试验系统开展了单桩基础水平大变位的大比例模型试验,获得了桩身屈服前后不同深度的桩身位移和桩身弯矩。通过建立桩身位移、弯矩及桩周土反力三者之间相互推导的有效途径,研究了桩周土p–y曲线沿深度的分布特性,发现传统Reese法和API法p–y曲线具有偏大的初始刚度及偏小的极限土抗力。在拟合桩周土反力试验值的基础上,提出了计算桩基水平大变位的双曲线型p–y曲线模型。     

高桩基础水平静载和撞击模型试验研究

开展了水平静力和撞击荷载作用下高桩基础的 1<>g 大比例模型试验研究,测试获得了桩顶水平静动力作用力、桩身水平静力变形、桩身水平振动响应、桩身静动力弯矩及桩侧静动力土压力等。发现由实测桩身静力弯矩推算的桩周土反力规律与实测静态桩周土压力规律较为一致;水平撞击荷载作用下,动态桩周土反力与撞击力时程曲线密切相关。结合弹性地基梁线弹性动力模型及静动力 <> p – <> y 曲线模型的分析揭示了桩土静动力相互作用机理及其对桩基内力和变形的影响规律。综合比较了上述分析模型的理论计算结果及试验实测结果,推荐采用复合刚度动力 <> p – <> y 曲线模型分析水平撞击荷载作用下的高桩基础,其分析结果与实测桩身振动响应和内力均吻合良好。最后采用该模型对现场防撞桩进行了防撞分析。     

考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩p–y曲线

为揭示砂土中上拔荷载对水平受荷斜桩性状的影响规律,开展了9根斜/直桩模型试验,实测获得了上拔与水平荷载共同作用下的桩顶荷载位移曲线及桩身应变,计算得到了桩侧土抗力p及相应的桩身横向位移y,建构了考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩双曲线型p–y曲线,给出了地基土初始反力模量及极限土抗力的确定方法。该p–y曲线能反映水平与上拔荷载共同作用下斜桩与桩侧土之间复杂的挤压、剪切相互作用。基于文中建立的p–y曲线,编写程序分析了斜桩的承载变形性状及内力分布规律,研究了桩顶上拔荷载大小、桩顶约束条件对水平受荷斜桩承载性状和内力分布的影响,结果表明:①不论桩顶自由还是固支,上拔荷载增大时,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均减小,而负斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均增大;②相同的水平及上拔荷载作用下,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均小于负斜桩;③相同的上拔荷载作用下,水平受荷斜桩在桩顶固支条件下桩身横向位移、弯矩及剪力较小,而桩顶自由条件下则较大。     

砂土地基小直径单桩的浅层土p–y曲线

小直径桩在桩基础的抗震设计、加固中已得到越来越多的应用。针对美国石油协会(API)规范的p–y曲线法和中国规范的m法对小直径单桩的适用性问题,通过拟静力试验研究了砂土地基小直径单桩的浅层土(深度小于1 m)p–y曲线。对实测桩身弯矩采用分段函数的拟合方法来推算土反力和桩身变形,获得了小直径单桩在饱和中砂中的浅层土静力p–y曲线,并基于试验结果提出了三线性本构。进一步地,通过数值模拟分析比较了所提出的浅层土三线性p–y曲线、API规范的p–y曲线、中国规范的m法对预测小直径桩基受力和变形的有效性。结果显示API规范的p–y曲线可能稍低估桩基的水平承载力,并获得更深的桩身最大弯矩位置,而提出的浅层土三线性p–y曲线可更好地预测桩基的整体水平力和位移关系、桩身弯矩及变形。另外,传统的m法仍然适用,当桩身变形较小时(土面桩身变形不超过6 mm),m值宜取推荐范围内的较大值,而当桩身变形较大时,m值宜取推荐范围内的最小值。     

砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验

大直径桩基在海洋工程中已越来越广泛应用。针对目前API规范p-y曲线对水平受荷大直径单桩的不适用性,通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性,分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p-y曲线。在修正p-y曲线初始刚度的基础上,采用双曲线型p-y曲线分析了水平受荷大直径单桩的内力和变形。揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性,试验结果显示桩身变形和最大弯矩近似与循环次数的对数线性相关。最后,由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p-y曲线,提出了循环应力比相关的p-y曲线循环弱化因子,以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。     

海上四桩导管架基础水平受荷离心模型试验

导管架基础广泛应用于海上风力发电和油气开发,水平向风、浪、流、地震等作用是导管架基础发生失效破坏的主要原因。通过离心模型试验针对饱和砂土地基中四桩导管架基础,研究其在沿边长方向和沿对角线方向水平静力作用下各基桩的内力分配、桩周土反力差异和变形特性。导管架基础沿对角线加载时基桩最易被拔出,其下压基桩的桩顶剪力、桩顶负弯矩和桩身最大正弯矩均较上拔基桩大,但二者的桩身水平位移相差不大。对于本文桩间距为5.8倍桩径的导管架基础,由于群桩效应及桩身上拔力降低了桩周土有效应力,沿边长加载时上拔桩在泥面下2.5倍桩径深度范围内的桩周土反力约为下压桩的60%,而沿对角线加载时上拔桩在该深度范围内的桩周土反力仅为下压桩的40%。沿对角线加载时下压桩与上拔桩在桩顶剪力、桩顶最大负弯矩、桩顶轴力及桩身最大正弯矩等参数之间的差别也明显大于沿边长加载情况。与单桩水平加载离心模型试验结果对比发现,同一深度处单桩的桩周土反力介于导管架基础上拔桩与下压桩的桩周土反力之间。     

水平荷载下挤扩支盘桩群桩受力特性分析

利用三维弹塑性有限元模型,对水平荷载作用下挤扩支盘桩群桩受力特性进行分析,得出各桩弯矩以及桩土相对位移的变化规律及不同位置、不同荷载作用、不同土体深度时桩周土反力的变化曲线。分析表明:桩弯矩在支盘处因支盘的影响而发生突变,支盘下桩体的弯矩大大减小;后排桩后土体相对位移大于前排桩后土体相对位移;桩基主要通过其桩前土体的作用来抵抗水平荷载,桩前土体最大反力值出现在第一个支盘的端部,支盘对其下一段范围内土体起到"减载"作用。     

基于应变路径法的黏土中水平受荷桩p–y曲线

水平桩的p–y曲线大多是基于试验数据(A P I规范,双曲线),旨在从理论出发推导桩侧土体的p–y曲线。首先,推导了与上限解等价的分步弹性加载理论,并结合刚性圆盘在环状弹性介质中受水平力作用下的弹性力学解以研究桩身水平位移和桩周平均剪应变间的关系;再应用该平均剪应变和土体的双曲线应力应变关系建立联系以得到桩周土体在加载过程中的平均屈服应力即已发挥的土体强度;以此确立二维情况下桩身位移和桩周土反力的关系即p–y骨干曲线。再进一步根据三维的桩侧初始地基模量和桩侧极限承载力,将其推广至三维。该p–y曲线的优点在于可以考虑土体应力应变关系、桩身刚度和长细比对p–y曲线的影响。最后,将本文p–y曲线和传统p–y曲线分别与工程实例以及有限元结果进行对比,并指出传统p–y曲线的不足及恰当的使用范围。     

软黏土中水平受荷桩的静力和循环p–y曲线

首先介绍了构建软黏土中水平受荷桩静力p–y曲线的拟三维分析方法,该方法基于考虑土体特性的二维弹性虚拟加载上限方法和改进的三维极限承载力剖面。基于水平受荷桩的静力p–y曲线,引入土体不排水抗剪强度和塑性累积位移间的关系和Masing准则,建立了水平受荷桩的循环p–y曲线。采用考虑土体应力–应变关系及强度衰减的p–y曲线分析离心机模型试验,计算结果表明本文方法可较好地模拟黏土中水平受荷桩的静力及循环承载特性。经试验标定土性相关参数后,本文循环p–y曲线在不同循环荷载幅值下获得的桩顶荷载–位移滞回曲线及相应桩顶荷载衰减曲线均与离心试验结果基本吻合。     

考虑桩侧土体三维效应和地基剪切变形的隧道开挖对邻近桩基影响分析

目前就隧道开挖对桩基变形影响的解析理论研究一般基于Winkler地基模型,较少考虑地基的剪切变形和桩侧土体三维作用效应。基于Pasternak地基模型,首先推导了隧道开挖与邻近桩基相互作用的简化理论解,该解反映了地基剪切变形但未考虑桩侧土体三维作用效应。在此基础上,为反映桩侧土体三维作用效应,将其等效成集中力通过剪切层传递到桩基两侧,推导了体现三维作用效应的群桩反应表达式。将考虑与不考虑桩侧土体三维作用效应的结果进行对比,发现考虑桩侧土体三维作用效应的桩基水平位移和弯矩值更接近监测数据和离心试验数据。此外,还针对群桩影响因素进行了分析。结果表明：土体剪切变形对桩基影响不容忽视,剪切层模量越大,隧道开挖引起的桩身水平位移越小;桩径越大,桩身水平位移越小,桩身弯矩越大;桩基与隧道距离越小,桩基最大水平位移和弯矩值越大。     

Load Tests of Piled Raft Models with Different Pile Head Connection Conditions and Their Analyses

A series of experimental and analytical studies on the behaviours of model pile groups and model piled rafts in dry sand subjected to static vertical loading and static cyclic horizontal loading were carried out in order to investigate the influence of various pile head connection conditions between the raft and the piles on the behaviours of the foundations models and to examine the applicability of an simplified analytical method to simulate the load tests. In the load tests, the behaviours of the model foundations were investigated in detail, with particular focus on cyclic horizontal loading, and behaviour such as horizontal stiffness and the rotation of the foundation, the load proportions between the raft and the piles, and the bending moments and shear forces generated in the piles. A simplified three-dimensional deformation analysis method was used to simulate the experiments.     

深基坑护壁桩的受力特性和土压力

根据成都锦阳商厦深基坑护壁桩的实测钢筋应力和利用钢筋应力求得的桩身弯矩,分析了桩的变形状态,发现桩顶的圈梁对桩有明显的约束作用,使护壁桩的受力完全不同于上端自由的直立杆件。利用桩身弯矩对坑底以上桩侧土压力的分布和大小进行了反分析,所得结果与经典土压力理论有显著差别。     

Lateral Cyclic Loading of Sand-Installed Piles

The present study was conducted to examine the behaviour of instrumented flexible piles in dry sand under lateral cyclic loading using centrifuged models. Considering load service conditions, the influence of the number of cycles of their amplitude and of the soil density on the pile cap displacement and the maximum bending moment of the pile is examined. An empirical law to evaluate pile head displacements at application point is proposed. From the bending moment profile recorded during loading, P-y reaction curves are identified. A reduction coefficient r (P-multiplier) is introduced to quantify the effects of cyclic loads on P-y curves.     

An approach for 2D modelling of laterally loaded piles

Despite a considerable progress in the analysis and design of monopiles, many methods are based on complex mathematical structures with doubtful or hard assumptions to verify. Therefore, there is still a need for simple and yet accurate methods for the analysis of monopiles under drained and undrained lateral cyclic loading conditions. In this work, a simple yet efficient two-dimensional modelling approach for the analysis of monopiles is proposed. To account for out-of-plane frictional forces, counter-forces derived from virtual frictional forces generated at the out-of-plane pile interface are applied along the pile length together with the scaled pile stiffness. The predictive capabilities of the proposed approach were validated by back-calculating two different experimental sets. The first consists of a small-scale field monopile test on a coarse-grained soil subjected to lateral cyclic loading under drained conditions. The second is a centrifuge test involving a fine-grained soil subjected to lateral cyclic loading under practically undrained conditions. Simulation results with the proposed approach suggest an accurate prediction of pile displacements and bending moments under both drained and undrained lateral cyclic conditions. The method is, however, unable to reproduce pore water pressures generated behind the pile in low permeability materials.     

受水平循环荷载影响的斜桩p-y曲线构建及应用

p-y曲线法是分析水平受荷桩基承载变形特性的主要方法,利用p-y曲线法的关键在于构建合理的p-y曲线。在砂土地基中开展了2组共10根水平受荷斜桩模型试验,其中2根斜桩仅分级施加了水平静力荷载,其余8根斜桩先施加了不同幅值的单向水平循环荷载,然后再分级施加水平静力荷载。试验测试了10根斜桩的砂面处桩身横向位移及桩身应变,根据桩身应变计算得到了桩身弯矩,在此基础上根据Euler-Bernoulli梁理论得到了桩侧土抗力及相应的桩身水平位移,构建了承受水平单向循环荷载后再承受水平静力荷载时斜桩的双曲线型p-y曲线,并给出了斜桩初始地基反力模量及桩侧极限土抗力的确定方法。用上述构建的双曲线型p-y曲线计算了本文模型试验及文献中模型试验斜桩的响应,发现利用所构建的p-y曲线得到的计算结果与实测结果整体上吻合较好,说明本文构建的双曲线型p-y曲线是合理可行的。最后利用p-y曲线计算了承受单向水平循环荷载后再承受水平静力荷载斜桩的桩身位移及桩身内力,计算结果表明:(1)相对于斜桩桩顶自由,桩顶固支能有效地减小斜桩的桩身横向位移、桩身弯矩及剪力;(2)在单向水平循环荷载作用下,正斜桩桩顶横向位移、 桩身最大弯矩及剪力均小于负斜桩;(3)无论是正斜桩还是负斜桩,桩顶横向位移、桩身剪力随着抗弯刚度增加而减小,而桩身最大弯矩随着抗弯刚度增加而增加。     

被动单桩受轴向荷载作用耦合效应的初步分析

桩基受到基坑开挖、地面堆载等引起的土体水平位移作用,导致桩身产生附加弯矩和位移,可能威胁桩基础的安全,这已成为工程界关注的一个重要问题。文章阐释了被动桩基的主要分析方法,分别基于Winkler地基模型以及非线性的p-y曲线法对土体侧移作用下的邻近桩基相互作用进行分析。并对桩顶受轴力作用的被动单桩进行了算例计算,初步分析了轴向荷载与土体侧移的耦合作用效应,计算结果表明,P-△效应的存在对既有桩基存在一定程度的不利影响。