弹塑性土体中竖向受荷单桩数值分析研究

建立了轴向受荷单桩有限元数值计算模型,利用广义Von Mises准则模拟土体的弹塑性,通过参数研究,对比了土的屈服准则的近似、剪胀性、初始自重应力及桩土界面的力学性状对单桩竖向承载力的影响。     

竖向荷载作用下群桩非线性简化分析

采用桩土界面荷载传递双曲线模型,对分层土中单桩进行了分析,用有限差分法进行求解,提出了单桩竖向位移内力非线性简化分析方法.考虑了群桩中的"被动桩"与周围土体的相互"遮拦效应",并将其应用到刚性承台下受荷群桩的分析中.由于考虑了土体的成层性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状.计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了本文方法的正确性,可应用于实际工程问题的分析.     

层状地基中桩基础的竖向荷载位移关系非线性分析方法

基于Winkler地基模型,推导了分层土中单桩处于线弹性和弹塑性状态的荷载传递矩阵,提出了单桩竖向位移内力非线性简化分析方法。考虑群桩中的"被动桩"与周围土体的相互"遮拦效应",对传统的桩–桩相互作用系数进行修正,并将其应用于刚性承台下受荷群桩和桩筏基础的非线性分析中。由于考虑了土体的成层性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状。计算结果与有限元计算值和试验结果进行对比分析,验证了本文方法的正确性,可应用于实际工程问题的分析。     

非均质地基中群桩竖向力学反应分析

首先基于Winkler地基模型,假设桩土不发生分离,不考虑承台以及地基土对荷载的分担作用,建立单桩竖向位移控制方程。然后采用剪切位移法确定土体竖向位移传递系数,将主动受荷桩引起的土体位移施加于群桩中的受影响桩,计算桩-桩相互影响。最后,采用有限差分法,建立非均质土体中竖向受荷群桩的计算方程,分析群桩竖向力学反应。最后对该方法与已有文献中单桩、群桩在均质、非均质地基中的算例进行对比,总体上取得了较好的一致性。     

水平受荷群桩工作性状参数分析

利用ANSYS有限元软件,针对群桩水平力学响应问题,进行了三维有限元数值模拟,验证了模型的正确性。在此基础上,对水平受荷群桩基础进行不同工况的计算分析,探讨了桩距、桩长和桩径各种因素对群桩工作性状的影响。分析表明,桩距与桩径对水平受荷群桩工作性状影响较大,桩长对其影响较小,8倍桩径为群桩效应的临界桩距,加大桩径能明显控制桩头侧移,提高桩的承载能力。     

横向受荷桩桩侧土体位移应力分布弹性解

基于桩土共同工作机理推导出横向受荷桩桩侧土体内位移与应力分布的弹性解析解,可用于分析土体中某点在水平力作用下位移及应力应变的变化规律。根据土体变形模量与位移的近似关系获得桩侧地基土体的模量分布与加权模量,将其用于有限元–有限层法进行横向受荷桩的受力变形分析,可近似考虑土体的非均质与非线性等特性,并编制出计算程序。最后,结合工程实例讨论了不同桩侧土体变形模量分布模式对桩身内力变形的影响规律。对比分析结果表明,基于地基加权刚度的有限元–有限层法能更合理地分析桩土共同工作。     

钻孔压灌混凝土单桩沉降的数值分析

通过利用有限元软件建立土体与桩共同作用的数值分析,将有限元应用于桩—土结构进行三维有限元数值计算,将桩—土结构的Q-S曲线的理论值与静载实测值进行对比,吻合较好。最后,通过该模型研究了影响单桩沉降量的三个重要因素:桩长、桩径和桩土模量比,对以后桩—土结构的模拟及设计提供重要预测。     

双层弹塑性地基水平受荷桩解析计算

目前关于双层弹塑性地基中水平受荷桩的解析计算研究相对较少。基于地基反力法和桩侧土体简化的弹塑性本构关系,推导了双层非均质弹塑性地基中桩顶自由水平受荷长桩的闭合形式解,得到了桩侧土体塑性区厚度、桩身最大挠度和最大弯矩的计算式。通过参数的特殊取值,所得解与现有单层地基中水平受荷桩的相关解完全一致,同时也验证了解析推导的正确性。算例分析表明本文解析解计算结果与三维有限元模拟结果及现场试验实测值吻合较好,可较有效地开展双层地基中水平受荷长桩的计算分析。     

桩筏基础相互作用非线性简化分析

提出一种桩筏基础相互作用的简化分析方法。对筏板和土体的接触面进行单元离散,在单桩弹塑性分析的基础上,分析了桩–桩、桩–土、土–土的相互作用关系。推导了桩土体系的刚度矩阵,得到刚性筏板群桩基础的竖向荷载沉降关系,桩的轴力沿深度的分布和桩、筏板各自分担的荷载。无需对桩和土体沿深度方向进行单元离散,简化了计算过程。由于考虑了土体的非均匀性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状。与有限元、边界元计算值以及实际工程实测值进行对比分析,验证了本文方法的正确性,并可应用于实际工程问题的分析。     

侧向受荷桩基性状的数值分析

理论方法或数值方法均可用于分析受邻近土体变形影响的桩基内力与变形性状。然而,土体变形分析结果的精度却常常不能令人满意。采用有限单元法对桩-土相互作用或对承受相邻土体变形影响的桩基的性状进行分析是一种较为有效的分析途径。采用二维平面应变有限元程序建立了周围土体变形条件下单桩的非线性等效分析模型,并与其他方法进行对比。结果表明,采用侧向受荷桩基性状的数值分析分析邻近基坑的单桩和边坡上的单桩的受荷变形性状是可行的,且分析结果与其他方法的分析结果较为一致。     

新型板桩码头群桩基础被动段桩侧压力试验研究

在新型板桩码头结构中,带卸荷承台板的直立灌注桩群桩基础被用来与前墙一起共同承担土体侧向位移所产生的侧向荷载,这些直立桩的工作机制类似抗滑被动桩,但其桩土相互作用程度远没有达到极限状态。结合20万吨级卸荷式板桩码头结构设计方案的验证,开展了多组土工离心模型试验,测量了各排灌注桩两侧土压力,得到了均质细砂地基中两种承台群桩基础中桩身侧压力分布,其特征是桩身上部侧压力为正,作用方向与土体位移一致,而桩身下部侧压力为负。各排桩的侧压力零值点约位于港池泥面线下4倍桩径位置处,可根据侧压力零值点分界线将桩身划分为上部被动段和下部主动段进行设计处理。为了确定被动段侧压力大小,引入被动段桩宽比,将桩侧压力与朗肯主动土压力相关联,结果发现,海侧桩被动段桩宽比接近3.0,明显大于中间桩和陆侧桩,因此,承台群桩基础设计中,被动段可以近似按3倍朗肯主动土压力作为设计值考虑。     

微型钢管桩桩-土复合抗滑结构耗能特性研究

为了研究微型钢管桩桩-土复合抗滑结构(以下简称桩土复合结构)在地震作用下的耗能特性,设计一种直剪式复合结构的拟静力加载试验装置,并对3个相同桩间距不同桩径的桩土复合结构模型进行了低周往复加载试验。从承载力、滞回性能、刚度退化、延性性能和耗能能力等方面对模型试验结果进行对比。结果表明,桩间距约为桩径10倍时复合结构具有更好的耗能能力,桩间距与桩径比小于5.9时复合结构的耗能能力明显下降;桩间距与桩径比大于7.4的复合结构在承载力、滞回性能、耗能能力方面比较接近,滞回曲线更加饱满;桩间距与桩径比小于5.9的复合结构滞回曲线有明显捏缩,其承载力、滞回性能及耗能能力也均有明显下降。     

刚性基础下复合地基桩长计算方法

由于刚性基础下的复合地基没有考虑桩土变形协调和土的沉降位移,桩土相对位移计算偏大,导致计算桩侧摩阻力值偏大而设计桩长偏小。针对复合地基传统设计方法的不足,建立了一个考虑桩土变形协调和土的压缩变形对桩体荷载传递影响的双曲线模型函数,以及建立了荷载从桩顶向下传递计算的方法,可更准确计算桩侧摩阻力及桩端荷载,桩底土层沉降采用切线模量法计算,以桩体压缩量及桩端土体沉降量为控制要求,进而可以确定满足复合地基承载力及沉降要求的单桩长度。通过工程实例验证,该方法计算得到的复合地基桩长与实际工程中桩长基本一致,为今后复合地基桩长设计提供参考。     

Vertical dynamic interactions of poroelastic soils and embedded piles considering the effects of pile-soil radial deformations

The paper presents an analytical solution for the vertical dynamic interaction analysis of a poroelastic soil layer and an embedded pile with the consideration of pile-soil radial deformations. The soil is treated a three-dimensional porous continuum and described by the Boer’s poroelastic model, while the pile is treated as a two-dimensional rod with both radial and vertical deformations of which the equation of motion is derived by the Hamilton’s variational principle. Without the introduction of potential functions, first take the volumetric strain of soil skeleton and pore fluid pressure as intermediate variables to deal with the equations of motion for the soil and then use the separation of variables to solve the equations of motion for the soil and the pile. By imposing the boundary and continuity conditions of the pile-soil system, the dynamic impedance in frequency domain and the velocity response in time domain of the pile top are obtained. The present solution is then verified by comparing with the corresponding finite element model computation results and the existing solutions. The effects of the pile-soil parameters on the dynamic characteristic of the pile-soil system are also analyzed. Some significant conclusions are drawn, which can provide useful reference for related engineering practice.     

贯入双层土中的混凝土管桩桩模与土体作用研究

采用ABAQUS有限元法模拟了混凝土管桩桩模贯入试验过程中贯入阻力的变化规律和桩周土体的水平位移,通过试验数据与计算结果的对比,验证了采用有限元法模拟桩模贯入过程的适用性。在此基础上,探讨了桩模贯入深度、上层土体厚度、桩径、土体强度和桩土摩擦系数在桩模贯入过程中,对桩周土体水平位移和桩模贯入阻力的影响。结果表明：桩周土体水平位移与土体径向位置、桩径关系紧密,并得到了桩周土体水平位移与土体径向位置、桩径之间的关系式;上层土体厚度、桩径和桩土摩擦系数对桩模贯入阻力影响较大,总结了桩模贯入阻力与上层土体厚度、桩径和桩土摩擦系数之间的关系式。最后采用土体附加水平应力云图解释了贯入深度对桩周土体水平位移的影响;桩模贯入上软下硬土层时,桩周土体最大水平位移出现在上层软土中,计算结果可为现浇混凝土管桩在施工设计和桩土相互作用分析提供参考依据。     

循环温度和荷载作用下能源桩-土力学特性研究

开展了建筑荷载作用下能源桩-土力学模型试验及数值模拟,分析了加热(制冷)运行对桩土力学特性的影响。首先,在桩顶分级加载至2kN,待沉降稳定后再对桩土进行加热升温冷却(室温11℃→55℃→11℃),测试了桩顶竖向位移、桩身轴力、土体温度和孔隙水压力、地表竖向位移,分析了循环温度作用下的桩-土力学特性及变化规律;其次,以模型试验为原型,利用ABAQUS软件建立能源桩桩-土计算模型,并将模拟结果与试验结果对比;最后,开展了不同循环温度作用和循环次数下的桩-土力学特性数值模拟。结果表明:在运行工况下,土中超静孔隙水压力随温升的增加而变大,使土体发生热固结现象;随循环次数的增加,桩顶及地表产生不可恢复的变形,且土的沉降大于桩体沉降,导致桩身多处出现负摩阻力,且负摩阻力随温度的升高而增大。     

基于薄板理论的刚性桩网复合地基桩土应力比计算

 桩土应力比是反映刚性桩网复合地基工作特性的重要指标。根据刚性桩网复合地基的荷载传递特点,对其在路堤填土荷载作用下的桩土应力分担比进行研究。根据加筋垫层–桩–桩间土应力和位移连续条件,将加固区视为整体进行研究。结合加筋垫层的应力–应变特点,选用大挠度薄板理论模拟加筋垫层的受力和变形。考虑加筋垫层的真实边界条件,首先假定加筋垫层四角点简支其余位置自由并进行桩土应力比求解。在该假定基础之上,考虑桩土相互作用影响,通过功能原理推导出真实情况下刚性桩网复合地基的桩土应力比计算方法。采用室内足尺试验对计算方法进行验证,并综合分析褥垫层模量、桩间距、土体基床系数和桩径对桩土应力比的影响。结果表明理论计算结果与试验结果较为吻合,可为工程实践提供参考。     

基于桩土界面的静压桩沉桩效应与承载特性室内试验研究

饱和黏性土地基中桩土界面的受力特性会对静压桩沉桩效应及长期承载力的发挥产生重要影响。通过黏性土地基中桩身表面嵌入式安装硅压阻式传感器的静压桩模型试验,分别对开口和闭口静压桩沉桩和加载过程的桩土界面超静孔隙水压力和有效径向应力进行研究。结果表明：在沉桩过程中,桩土界面超静孔隙水压力及有效径向应力随入土深度逐渐增加,沉桩结束时增量幅值随着h/D(h为传感器距桩端距离,D为桩径)增大而减小,同一h/D位置处闭口桩的增量幅值大于开口桩的;同一入土深度处,桩身不同h/D位置处桩土界面有效径向应力存在退化现象,且随着h/D和入土深度的增加退化越明显。在加载过程中,h/D=1和h/D=5位置处桩土界面超静孔隙水压力相比沉桩结束时减小,且随着h/D增大,减小幅度也增大;同一h/D位置处,桩土界面有效径向应力增量幅值随着桩顶施加荷载值增加而增大。沉桩过程和加载过程桩土界面超静孔隙水压力和有效径向应力均随着h/D的增加而减小,不同h/D位置处桩土间的有效径向应力变化是沉桩和加载过程桩土界面受力机理不同的重要原因。     

用位移协调法计算柔性桩的沉降

以Ｇｅｄｄｅｓ关于桩周土中附加应力解为基础，建立了考虑桩身弹性压缩的柔性桩桩－土位移协调方程，从而提出了一种计算柔性桩单桩沉降的新方法。     

考虑多年冻土蠕变特性的抗拔桩 非线性有限元分析

 结合青藏铁路多年冻土区钻孔灌注抗拔桩现场载荷试验,依据场地多年冻土地温实测资料、物理力学参数以及冻土类型,考虑多年冻土蠕变特性,对冻土区钻孔灌注抗拔桩进行非线性有限元分析。桩–土体系有限元分析采用三维十节点四面体等参单元,桩–土相互作用采用面–面接触单元;同时,假定桩–土体系本构模型服从Drucker-Prager屈服准则。通过数值模拟计算结果与抗拔桩现场载荷试验的对比分析,结果表明,考虑冻土蠕变的分析结果与试验值较为接近,不考虑冻土蠕变时,当外载荷较大时桩顶上拔位移的计算值要比试验值小43%左右,但外载荷较小时两种计算结果差别不大。因此,考虑冻土蠕变的分析方法更比较符合多年冻土区钻孔灌注抗拔桩的实际受荷特点。