考虑竖向荷载影响的非饱和地基中桩的水平振动

研究考虑竖向荷载影响的非饱和地基中桩的水平振动问题。首先,在考虑竖向荷载影响的情况下基于Timoshenko梁模型和三维多孔连续介质理论建立非饱和土–桩耦合振动模型,然后通过直接求解法、分离变量法和桩土边界条件求得桩体的水平位移、转角、弯矩和剪力以及桩顶动力复阻抗的解析解,将本文退化解与已有理论解进行对比,验证提出模型的正确性;通过与Euler梁模型下振动解的对比,进一步分析竖向荷载和桩顶承台质量对桩体动力响应变化规律的影响,研究结果表明：(1)竖向荷载仅对桩顶水平动力阻抗的刚度因子存在显著影响,不会引起共振频率的变化但是会使得共振频率下对应的阻抗极小值降低;(2)采用Euler梁模型计算得到的复阻抗始终更大,但出于安全考虑应该优先采用结果偏小的Timoshenko梁模型;(3)当竖向荷载增加时,桩顶处的水平位移、桩身中上部的转角以及桩身中下部的弯矩、剪力均略微增大,可能威胁结构安全;(4)考虑桩顶承台质量时,桩体动力响应有一定程度的减小。     

水平荷载单桩计算的非线性地基反力法研究

为提高桩身变形较大时水平荷载单桩设计计算水平,基于地基反力法提出了考虑极限土反力和地基反力系数一般形式的桩身的变形和内力的计算方法。对于土为塑性和弹性状态对应的桩段分别求得到了桩身响应的解析解和半解析解,并用Fortran语言编制了计算程序。计算结果分析表明：桩的位移和弯矩均随荷载的增加而大幅度增大;桩顶的约束条件对位移和弯矩沿桩身的分布影响很大;当桩长超过临界值时,继续增加桩长对桩的响应影响极小,且临界桩长基本不受荷载和桩顶约束条件的影响;桩的最大位移和最大弯矩随桩周土的物理力学性质的改善而明显减小;最大位移随桩的抗弯刚度的增加而减小,而最大弯矩受抗弯刚度的影响很小;计算值与现场试验的实测值吻合较好,本文解是可靠的。     

竖向-水平组合荷载下桩筏受力特性的试验研究

为研究竖向-水平组合荷载作用下桩筏基础的受力特性,开展了室内模型试验,考虑桩长、桩数、竖向荷载及桩间距对桩筏基础承载性能的影响,并分析了桩身弯矩、剪力及桩侧土压力的变化规律。试验结果表明：桩筏基础的水平承载力随着竖向荷载、桩数、桩长、桩间距的增大而增大,水平位移相应减小;桩身最大弯矩位于0.3倍桩长处,且前桩桩身最大弯矩较大,约为后桩的1.14倍;桩身弯矩及剪力均随着竖向荷载的增大而减小,桩身最大弯矩随着桩间距的增大而减小,但桩顶及桩端弯矩几乎保持不变;增大桩间距可以调整最大负剪力位置,桩顶剪力随桩间距的增大而减小,而桩端剪力值则随桩间距增大而增大;增大桩间距可以带动更大范围的桩间土,桩身内力分布规律保持相同且变化值较小;桩筏基础受组合荷载作用下的破坏模式符合刚性桩破坏规律,桩身水平极限承载力主要由桩侧土体的抗压强度控制。     

成层地基土中水平受荷桩桩身响应的矩阵传递解

目前关于成层地基土体中水平受荷桩内力与变形的研究相对较少。将成层地基土体假设为均质弹性介质,将桩视为竖向放置的弹性地基梁,同时将桩-土之间的相互作用关系假设为一般形式的三参数地基反力模型,建立桩身响应的微分方程,并采用Laplace变换解得任意土层深度处桩身响应的矩阵传递系数进而得到成层地基土中水平荷载作用下桩身位移、转角、弯矩和剪力的矩阵传递解。相比传统的有限差分法与幂级数法,矩阵传递法求解成层地基土中的水平受荷桩时更加便捷。通过算例对比,验证了矩阵传递法解的正确性。最后进行了桩身响应的参数影响分析,结果表明:桩顶边界条件对桩身变形与内力沿桩身的分布规律影响显著;同时,地基反力模型中的参数0z和n对桩身最大水平位移、最大弯矩的影响较为明显。     

考虑土体三维波动效应的现浇大直径管桩纵向振动

考虑土体三维波动效应和桩-土耦合振动,把桩看作一维杆,把土体看作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇大直径管桩纵向振动频域特性进行了理论研究。首先通过引入势函数对土体振动方程解耦,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩周土及桩芯土频域响应解析解,进而利用桩土完全耦合的条件得到桩振动响应解。将所得解完全退化到实心桩的解,验证了解析解的合理性,并与未考虑三维效应的简化解对比。分析了桩底刚度系数、桩长以及桩径等对桩顶复阻抗的影响,得到了各参数对桩振动特性影响的规律。分析表明：桩底刚度系数增大,共振频率增大,且复阻抗的振荡幅值增大。无桩芯土时复阻抗的振荡幅值比桩周桩芯土都存在时大,无桩周土时复阻抗的振荡幅值比无桩芯土时大。桩长增大,桩顶复阻抗的振荡幅值和共振频率均显著减小,当桩长增大到一定长度的时候,增加桩长对桩顶复阻抗基本没有影响。外径增大或内径减小,桩顶复阻抗的振荡幅值增大。     

复杂受荷条件下PCC桩承载特性研究

采用有限元软件ABAQUS建立了复杂受荷条件下PCC桩数值分析模型,并采用现场PCC桩试验结果与模型计算结果进行了对比验证。研究结果表明,相同后期水平荷载作用下,桩顶和桩身水平位移均随先期竖向荷载的增大而减小;先期竖向荷载的存在有利于单桩水平极限承载力的提高;不同的竖向-水平荷载作用下桩身弯矩分布的变化规律不同,后期水平荷载不超过单桩水平承载力时,桩身弯矩随先期竖向荷载的增大而减小;后期水平荷载大于单桩水平承载力时,桩身弯矩随先期竖向荷载的增大先增大后减小;不同位置处的桩侧土抗力受先期竖向荷载的影响不同,迎土侧土抗力有所增大,其他位置处变化很小。     

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。     

组合荷载作用下斜坡上桩基础水平承载特性研究

斜坡上桩基础不仅要承担上部建筑物传递下来的竖向荷载,还要承担斜坡传递下来的土压力等水平荷载,构成了复杂的桩-土相互作用体系。为研究斜坡上桩基础在竖向和弯矩荷载作用下的水平承载特性,通过自行设计的组合荷载加载装置,开展了四种工况下斜坡上单桩室内模型试验。分析在组合荷载作用下桩顶沉降、水平位移、桩身弯矩、桩侧土压力以及地基比例系数m值变化规律。试验结果表明:在桩顶施加竖向荷载有利于提高单桩的水平承载力,减小桩身的水平位移、弯矩和桩前侧土压力;在桩顶施加弯矩荷载-不利于单桩的水平承载力,随着弯矩作用的增加,相同水平荷载作用下,桩身水平位移和桩前侧土压力明显增加,而水平荷载对桩顶的竖向沉降影响较小;地基比例系数不仅与桩周土体有关,还与施加的荷载类型和桩土交界处的水平位移有关,地基比例系数随桩土交界处水平位移的增加迅速减小,最后趋近于稳定。     

复杂荷载及边界条件下基桩有限杆单元方法研究

基于传统有限杆单元法并假定桩身位移为三次幂函数,结合倾斜偏心荷载下单桩受力微分方程确定的桩身弯矩、剪力与桩身水平位移关系,导得了具有简洁统一形式、计入P-Δ效应的杆单元刚度矩阵,由此得出成层地基中倾斜偏心荷载、桩自重、水平分布荷载、竖向分布荷载和竖向分散集中荷载综合作用下考虑桩身倾斜影响基桩内力位移分析的改进有限杆单元法。利用本文改进有限杆单元Matlab分析程序,结合某具体实例,对不同边界条件下基桩内力及位移进行了计算分析。结果表明:改进有限杆单元方法用于复杂荷载及各种边界条件下基桩计算分析是有效的,且桩顶边界条件对桩身内力位移影响显著,而桩端边界条件对桩身内力位移影响较小。     

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。     

桩侧堆载作用下被动桩受力性状研究

桩周大面积堆载产生的土体变形不仅会引起桩身负摩阻力,也会使桩基承受较大的侧向荷载。文章应用三维有限元方法对桩侧堆载作用下的被动桩受力性状进行了分析,并研究了桩顶荷载对被动桩受力变形的影响。在桩侧堆载的作用下,桩身产生了较大的侧向位移与弯矩,同时出现负摩阻力和桩身轴力。桩身侧移和桩身轴力随着堆载距离的增加而减小,随着堆载量的增加而增大。桩侧堆载的被动桩在桩顶竖向荷载作用下会产生桩身二次弯矩,加剧桩身弯曲变形和内力。     

侧向变位PHC管桩竖向承载力的分析与计算

近年来,对PHC管桩的各项性能的研究已日趋完善,但对于侧向变位PHC管桩的承载力研究的较少。实际工程中的基桩大都处于非理想受荷状态,各种的侧向变位对承载力有不同程度的影响。当入土的管桩在施加竖向荷载前存在一定的倾斜时,所施加的荷载就会在桩身中造成附加弯曲变形。本文分别以PHC管桩桩身截面抗拉、抗压强度为强度控制因素,应用横向受荷桩的通解法计算不同倾斜情况下管桩的内力矩,再结合竖向荷载推导承载力公式。     

Influence mechanism of vertical-horizontal combined loads on the response of a single pile in sand

Pile foundations are used to support both vertical and horizontal loads in many geotechnical projects, such as the coastal and offshore engineering. The responses of piles under vertical-horizontal combined loading are separately analyzed and then superposed in current design practice. This simplified analysis approach does not take the coupling effect of the combined loads into consideration. The research on this topic is limited and the results reported to date are inconclusive with regard to the influence of vertical loads on the horizontal response of piles. In this paper, a series of centrifuge model tests under different vertical-horizontal combined loading conditions was performed to investigate the influence rules and mechanism of the combined loads on the response of piles in sand. The vertical load is shown to densify the soil near the pile and therefore decrease the horizontal displacement and bending moment of the pile: this is termed the “soil densification effect”. The vertical load induces an additional bending moment of the pile due to the lateral deformation of the pile: this is termed the “P-Δ effect”. The soil densification effect plays a dominant role in the early horizontal loading while the P-Δ effect is strengthened as the horizontal loads increases. These compound effect of these two seemingly opposing effects is a decrease in the bending moment of the pile decrease first then increase as the horizontal load increases. Additional settlement of the pile is caused by horizontal loading and isa positively correlated with the pre-vertical loads.     

简谐SH波作用下管桩的振动特性

在一维波动模型的基础上得到了简谐SH波作用下桩周土和桩芯土的位移。在三维轴对称的情况下,运用势函数和分离变量法求解了简谐水平集中荷载和SH波引起的管桩桩周土和桩芯土的振动问题,得到了桩周土和桩芯土的径向位移和环向位移。考虑管桩土动力相互作用和管桩土的连续性边界条件对简谐水平集中荷载和SH波作用下管桩的振动进行了研究,得到了管桩桩顶的动力放大因子。通过数值算例分析可知,简谐SH波作用下管桩存在共振现象;管桩管壁过薄宜导致桩基失稳;相同外径情况下采用管桩要比实芯桩的抗震性能更好。     

不同桩头约束下微倾单桩纵横向受荷响应计算的三参数法

为研究桩头转动约束及桩身初始微倾斜对纵横向组合荷载作用下桩身侧向响应的影响,基于三参数形式的地基水平抗力系数,通过矩阵运算提出了桩身变形和内力的半解析解,并与模型试验结果及已有解计算结果进行对比以验证其可靠性。计算结果表明:桩头转动刚度增加时,桩顶位移和地表以下桩身最大弯矩减小,桩顶弯矩和地表以下桩身最大弯矩距离桩顶的距离增大。桩身初始倾角增加时,桩身最大位移和最大弯矩均线性增大,且随纵向荷载的增加其变化速率逐渐增大;纵向荷载增加时,桩身最大位移和最大弯矩均增大,且随纵向荷载和桩身初始倾角的增加其变化速率逐渐增大,而地表以下桩身最大弯矩距离地表的距离呈线性减小。     

桩基变刚度调平前后在水平力及偏心荷载下的性状分析

基于有限元软件模拟分析,选取6种模型,在群桩总体积相同的条件下对比分析了桩基在竖向均布荷载作用下不同的布桩方式下筏板差异沉降、水平力及竖向偏心荷载作用下调平前与调平后筏板差异沉降、筏板在调平前与调平后的弯矩、桩在调平前与调平后的轴力与弯矩,得出桩基调平前后筏板与桩的受力变化规律,为理论分析变刚度桩的工作性状提供了参考.     

砂土中竖向和水平荷载共同作用下的单桩承载特性研究

水平荷载引起桩体水平位移,导致桩侧摩阻力发生变化,从而影响单桩的竖向承载特性;竖向荷载影响桩周土体抗力,并随着桩身挠曲变形而产生附加弯矩,从而影响单桩的水平承载特性。利用室内模型试验研究了砂土中单桩在竖向和水平荷载共同作用下的受力和变形特性。试验结果表明:预先施加竖向荷载有利于单桩水平承载力的提高和水平位移的减小;预先施加水平荷载对桩身上部桩侧阻力的发挥有减小作用,但水平荷载的增大对桩端阻力的发挥有促进作用,总体上表现为预先施加水平荷载削弱了单桩的竖向承载力;单桩水平荷载引起的最大弯矩位置在地面以下约5d~7d处,水平荷载对桩身弯矩和桩侧摩阻力的影响主要集中在地面以下0~10d的深度范围内。结合已有研究成果和理论分析,验证了试验成果的合理性并从理论上分析了砂土中竖向和水平荷载共同作用下的单桩承载机理。     

水平荷载下基桩分布式变形检测模型试验研,

为克服传统测试技术获取水平荷载作用下基桩变形的不足,开展基于光频域反射(OFDR)技术的室内模型桩试验。将光纤对称粘贴于桩表面,检测水平荷载下基桩变形及应力分布,推导基于OFDR的桩身挠度和弯矩计算公式,采用有限元软件ABAQUS模拟桩变形和分析桩土作用。结果表明:基于光纤应变数据,可准确计算桩身沿深度的水平位移分布,理论计算与百分表测值基本吻合;水平荷载作用下,模型桩变形主要集中在地面以下0.2 m范围,桩身弯矩最大值与反弯点深度随荷载增加均有不同程度的增大;数值模拟结果与光纤实测规律基本一致,桩土接触压力随水平荷载增加不断向深部发展。基于OFDR技术的水平荷载作用下基桩分布式变形检测方法是可行的,变形与弯矩计算公式是可靠的。     

地基固结特性对堆载被动桩影响的数值分析

通过建立三维数值模型,对堆载-被动桩-地基的共同作用进行了分析,得出了桩侧堆载完成后软土在固结过程中桩身的内力和变形特征。结果表明:堆载完成后随着软土地层不断排水固结,桩基水平位移逐渐增大,其变形曲线沿深度呈直线减小的趋势,桩身沉降也随着固结时间的推移不断增加,桩基轴力逐渐增大而弯矩值有所减小。因此,在软土地面堆载过程中要充分考虑地基固结的时间效应。