均质土中钢顶管顶进稳定性的能量法分析

顶管作为一种非开挖技术,越来越多地应用于各种地下管线工程。钢顶管在顶进过程中,如果顶力控制不当,可能发生轴向整体屈曲,从而导致管体结构失稳破坏。针对这一问题,考虑管周土体的约束、管–土摩阻力以及轴线偏差引起的初弯曲等作用,建立并求解了均质土中钢顶管在轴向顶力作用下的能量方程,获得了临界顶力荷载的解析解。然后,从轴线偏差、管周土体地基反力系数、管–土摩阻力方面分析了钢顶管轴向整体稳定系数的变化规律。钢顶管轴向整体稳定系数随长细比增大而减小,轴线偏差显著降低了钢顶管的轴向整体稳定性。顶管周围土体的约束作用增大了钢顶管轴向整体稳定性。管土摩阻力对钢顶管的轴向整体稳定性影响很小,可以忽略不计。均质土中的钢顶管轴向稳定性规律不同于一般的钢结构,临界顶力荷载解析解可以为钢顶管设计提供依据。     

不同直径单桩静压贯入力学特性模型试验研究

为探讨不同桩径静力压入单桩的贯入力学特性,设计了不同桩径的模型桩,基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG)传感技术,开展了黏性土中静压贯入两种不同直径单桩的模型试验研究。结果表明:试桩的压桩力基本呈线性增加趋势,桩径越大,压桩力越大;桩径不同会影响单桩的荷载传递性能,由于桩径越大挤土效应越明显,沿深度方向的桩身轴力传递性能优于小桩径桩;桩身单位侧摩阻力随深度增大而增大,桩径越大,对土体的侧向挤压力越大,桩身单位侧摩阻力越大;同一深度,两种不同直径单桩桩身单位侧摩阻力都出现"侧阻退化"现象,"侧阻退化"现象随着贯入深度的增加越明显,且桩径越大,桩身单位侧摩阻力退化越显著;均质黏性土地层静压沉桩阻力主要为桩端阻力,沉桩结束时,试桩桩端阻力占沉桩阻力的比例分别为59.5%和66.2%,不同的桩身直径既影响桩端阻力,又影响桩侧阻力。确定静压贯入沉桩阻力时,考虑基于黏性土的侧阻退化后实际值更为合理。     

基于修正侧阻抗力矩的刚性单桩水平承载力解析解EI北大核心CSCD

为了更准确地考虑竖向摩擦效应对刚性单桩水平承载力的影响,假定被动侧桩周径向土压力呈余弦函数分布,建立被动侧桩周最大径向土压力与总土抗力的关系。对径向土压力和竖向摩阻力模拟结果进行反演得到修正的桩–土界面竖向摩擦因数,推导侧阻抗力矩解析表达式。然后,假定极限土抗力、水平地基反力模量随深度线性增加,水平地基反力模量随地面处水平位移非线性减小,导得了桩侧土均未屈服、旋转点以上部分土体屈服、旋转点上下均有土体屈服三阶段下的水平力和力矩平衡方程。鉴于数值迭代程序的复杂性,采用位移加载方式,计算时将地面处水平位移y0视为已知量,旋转点深度a视为变量,通过变形得到水平承载力解析解。通过与有限元分析、模型试验和现场试验的结果进行比较,验证了该方法的正确性。最后,利用该方法分析桩径、内摩擦角以及水平力作用点高度对刚性单桩水平承载力、最大弯矩和旋转点深度的影响。结果表明:采用余弦函数可以很好地表征被动侧桩周径向土压力分布,根据修正的桩-土界面竖向摩擦因数计算的侧阻抗力矩更符合实际;忽略侧阻抗力矩作用会明显低估刚性单桩的水平承载力,低估程度随着桩径、内摩擦角以及水平力作用点高度的增大而增大。     

桥桩钢套管施工引起地铁隧道纵向变形计算研究

依托杭州某桥梁试桩邻近地铁隧道建设工程,建立桥桩钢套管施工简化力学模型,提出考虑套管分节施工特点与挤土效应影响的全套管灌注桩施工附加力的修正计算公式。同时,基于Mindlin应力解和两阶段分析法,求解桥桩施工引起的既有隧道附加应力与纵向竖向变形,并进一步分析桥桩施工全过程的动态影响规律。得出以下结论：(1)引入土塞高度折减系数和区段修正分别对桩端压力、桩侧径向压力和桩侧垂向摩阻力进行修正,更符合桥桩钢套管施工附加力的分布规律。(2)桥桩钢套管施工引起地铁隧道纵向变形的理论计算结果与实测数据对比验证较为吻合。(3)随着桥桩钢套管施工深度的不断增加,既有隧道先小幅隆起而后沉降变大,随后趋于平稳,且纵向沉降区进一步扩大。施工到达隧道埋深附近时引起隧道隆起最大,隆沉交界点位于隧道底部1.5D深度范围。(4)桩侧垂向摩阻力是引起既有隧道变形的关键性因素,并随施工深度增加而影响扩大;桩端压力在施工远离隧道埋深一定范围后影响减弱;桩侧径向压力对隧道竖向变形的影响甚微。(5)桥桩施工全过程中不仅要关注隧道最大竖向变形的发展,而且要留意随施工深度改变产生的隧道纵向隆沉变化以及管片纵向错台变形。     

单叶片全尺寸螺旋锚桩竖向拉拔试验研究

对叶片镶嵌有微型土压力盒的自制全尺寸单叶片螺旋锚桩进行竖向拉拔试验,记录不同埋深下安装扭矩、桩身位移和叶片表面土压力随上拔荷载的变化情况。分析安装扭矩、极限抗拔承载力与埋深比三者之间的相互关系,并初步探究螺旋叶片表面的土压力分布规律。结果表明,在试验研究范围内,安装扭矩和极限承载力都随埋深比的增加呈线性增大,二者受共同因素影响,线性相关程度明显;在上拔过程中,叶片上表面土压力增量从根部到边缘呈逐渐增大趋势,下表面土压力增量则远小于上表面,且大部分区域压力基本保持不变,少数边缘区域增大;叶片上下表面土压力合力随上拔荷载的增加而增大;桩土之间摩阻力的发挥则呈抛物线形,当上拔位移达到土体破坏极限位移量时,摩阻力达到峰值,而后逐渐减小到零;可以通过叶片表面土压力的分布来计算螺旋锚桩的拉拔承载力。     

冻结法施工中的冻土特性试验研究

为获得冻结法施工中土体冻胀融沉特性规律,以某地下联络通道工程为原型,根据相似理论,进行了水平冻结模型试验。结果表明,冻胀融沉过程中,土体温度先迅速降低后升高,维持在0℃一段时间后,继续缓慢升高至室温;土压力值先增加后减小,其中,竖向土压力值随深度的增加而增大,相同埋深下,距冻结管越近,水平土压力值越大;土体融化固结沉降值明显大于冻胀位移值,土体竖向位移较水平位移变化显著。积极冻结期内土体温度降低速率变慢,且埋深越大、距冻结孔越近,土体温度降低越快、降幅越大;无侧限土体压力值先增加后减小,侧限土体压力值则逐渐增大,全封闭土压力值变化率更显著。     

砂土中螺旋挤土灌注桩受力性状模型试验研究

 利用自行研制的电动模拟钻机和桩基模型试验系统,在匀质砂土地基中进行新型螺旋挤土灌注桩模型试验,探索完全挤土型SDS桩的荷载传递规律和承载变形特性,发现桩侧摩阻力沿桩身呈异步发展,在小于0.2倍桩径的桩土相对位移范围内,桩侧摩阻力随桩土相对位移呈单调上升,且桩侧摩阻力远高于桩端阻力。通过SDS桩与CFA桩的试验结果对比发现,桩长因素对SDS桩承载变形特性的影响大于CFA桩,在桩长、桩径和地基都相同的模型试验条件下,SDS桩的极限承载力比CFA桩提高25%～70%。应用太沙基和派克的土压力原理及应力路径方法,阐明不同成桩工艺对桩周土体物理状态和力学指标的影响。结果表明,不同成桩工艺是引起SDS桩与CFA桩的承载变形性状出现差异性的主要原因。     

基于主动式纠偏的曲线顶管施工力学特性研究

曲线顶管施工技术在市政管线工程中得到越来越广泛的应用。在分析曲线顶管施工机理的基础上,提出并对比分析了3种管节纠偏方案,进而结合主动式纠偏方案的施工特点,对三维曲线顶管施工过程中管土间挤压作用力进行计算分析,并推导了管节顶进摩阻力计算公式,其后对管线平面夹角、管线半径及管径大小3个摩阻力影响因素进行单因素分析。考虑管外注浆对管土接触状态的影响,进而引入土压力作用系数对顶进摩阻力计算公式进行修正,并通过对比分析顶进摩阻力的现场实测值、规范建议值及公式计算值,给出了土压力作用系数的建议取值范围。研究表明:主动式纠偏方案在管节姿态调整、施工扰动控制及管身衬砌受力等方面优于其他两种纠偏方案;顶管施工过程中管土间的挤压作用力呈三维复杂状态,不能进行简单的叠加;管线平面夹角对管节转动摩阻力有显著影响,管线半径对侧向顶推摩阻力和管节转动摩阻力均有一定的影响,而管径大小则主要影响地层土压力摩阻力的数值;管土接触状态是真实存在的,其土压力作用系数的取值范围大致在0.2~0.6之间。     

基于Pasternak地基模型的钢顶管纵向稳定性研究

本文采用Pasternak地基模型,研究了钢顶管在纵向顶力作用下,顶管长径比、径厚比、椭圆度、轴线偏差与地基反力系数对其纵向稳定性的影响。参数分析结果表明,钢顶管径厚比小于150时对纵向稳定性影响不大;地基反力系数对钢顶管纵向失稳模态具有一定影响,对纵向稳定性系数的影响较小;顶管椭圆化率会减弱顶管的纵向稳定性,但降幅并不显著。纵向稳定性系数随长径比的增大呈线性折减,随轴线偏差值的增加而显著降低。综合长径比和轴线偏差因素,可得钢顶管稳定系数的经验公式,为顶管设计施工提供理论依据。     

浅埋矩形顶管的“整体背土效应”研究

近年来,矩形顶管在地下空间开发中的应用越来越多,国内外学者针对顶管施工对周边地层的影响、顶推力、摩阻力、减摩措施、管节结构等进行了大量研究,并取得了丰硕的成果。但针对浅埋矩形顶管对其正上方土体整体影响的研究较少。结合矩形顶管浅覆土掘进试验,分析了正上方土体的整体破坏过程,提出“整体背土效应”概念。引入4个假定,建立了正上方土体简化模型,提出整体背土效应的前提条件与破坏条件,并给出了相应的预判方法。采用管土全接触理论、库伦剪切破坏强度准则与朗肯土压力理论进行分析,最终得出整体背土效应与顶程、管节宽度、管土摩阻力以及埋深的相互关系,并进行了算例分析。为今后类似工程避免整体背土效应提供一种新的预判分析理论。     

顶管施工环境影响的有限元计算分析

通过二维和三维有限元计算了顶管施工产生的土体变形和土体应力。通过对机头土压力、摩阻力和机头的偏斜几种因素的分别计算，探讨了这几个因素对地表变形的影响，得出了一些有益的结论。     

竖向受荷PCC桩宏细观工作性状研究

 采用可视化模型试验及离散元数值仿真方法,对竖向受荷现浇混凝土大直径薄壁管桩(简称PCC桩)桩土传力特性、位移场发展规律及破坏性状进行深入研究。研究结果表明：PCC桩荷载–沉降曲线呈缓变型,桩外侧摩阻力高于内侧摩阻力,内侧摩阻力发展滞后于外侧摩阻力,桩外侧摩阻力在桩身上段发挥较充分,内侧摩阻力在桩身下段发挥较充分,桩内侧摩阻力及端阻力控制PCC桩后期承载力;桩外侧土体以斜向下的剪切变形为主,其影响范围约为2D;内侧以竖向压缩变形为主,加载初期与桩同步变形,加载后期桩内侧下部土体与桩之间相对位移明显大于桩内侧上部土体;桩端土体可分为圆锥形竖向压缩区及侧向变形区,其在深度方向的影响范围达到4D,桩端土变形模式在平面上呈扇形;接触力链的分布与侧阻力沿桩长分布特征基本保持一致,而桩端土孔隙率的变化则从细观角度反映侧阻先于端阻发挥。研究成果对于进一步明确PCC桩与土相互作用的内在机制具有意义。     

大直径顶管施工的土质适用性研究

不同顶管机适用于不同的土质。借助数值软件分析不同土质参数对顶管施工造成地表沉降的变化规律,得出以下结论:泥水式顶管机主要适用于除砂卵石之外的任何地层;土压顶管机主要适用于软粘土地层;顶管在粘性土中施工,地表最大沉降随模量增大而呈线性减小,而在一定范围内随粘聚力内增加而增加;顶管在砂性土中施工,地表最大沉降分别随土体模量和摩擦角增大而减小但逐渐变化稳定。     

浅埋矩形顶管的“整体背土效应”研究

近年来,矩形顶管在地下空间开发中的应用越来越多,国内外学者针对顶管施工对周边地层的影响、顶推力、摩阻力、减摩措施、管节结构等进行了大量研究,并取得了丰硕的成果。但针对浅埋矩形顶管对其正上方土体整体影响的研究较少。结合矩形顶管浅覆土掘进试验,分析了正上方土体的整体破坏过程,提出"整体背土效应"概念。引入4个假定,建立了正上方土体简化模型,提出整体背土效应的前提条件与破坏条件,并给出了相应的预判方法。采用管土全接触理论、库伦剪切破坏强度准则与朗肯土压力理论进行分析,最终得出整体背土效应与顶程、管节宽度、管土摩阻力以及埋深的相互关系,并进行了算例分析。为今后类似工程避免整体背土效应提供一种新的预判分析理论。     

桩土接触数值模拟试验

用数值分析方法模拟桩土共同作用时自重荷载步的施加将使土体产生变形,而实际工程中,土体自重作用产生的变形早已完成,故两者之问存在一定差异.通过设置接触单元来模拟桩土之间的共同作用,并利用ANSYS中的荷载步来实现扣除土体自重应力引起的变形,对桩土进行3D有限元模拟.数值分析结果与现场实测值的比较表明,在桩土接触模拟中通过荷载步的方法考虑土体自重应力是可行的.还通过分析不同荷载步作用下桩土之间的相互挤压力分布和桩侧摩阻力分布,指出了桩端附近桩侧土体存在的"拱效应"显著减小了该处作用于桩侧的水平土压力和桩侧摩阻力.     

应力释放效应对抗拔桩承载力影响分析及应用

抗拔桩受力时,桩身径向微量收缩,桩周土体侧向应力释放,桩侧摩阻力降低。文章将桩对土的卸载作用导致摩阻力降低值与不考虑该作用时摩阻力之比,定义为单桩抗拔承载力折减系数J_s。定义土体的回弹模量与压缩模量之比为土的压缩回弹比λ_j。利用极限平衡状态方程,针对刚性桩、钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩与钢管桩,分析了不同的土体压缩回弹比λ_j所反映的应力释放程度对承载力的影响。结合外径1.7 m,长81.3 m,壁厚25 mm的大直径超长抗拔钢管桩静载荷试验进行验证。结果表明压缩回弹比λ_j能很好反映土体应力释放对承载力的影响,是抗拔桩侧阻力低于抗压桩的主要原因,承载力计算值与实测值相符,其精度远高于现行规范方法,可供工程实践与科学研究参考。     

土性经验公式在基桩极限承载力分析中的应用

针对粘性土和砂土的不同特性,分别给出了桩侧极限摩阻力及桩端阻力的工程经验公式。粘性土中桩侧极限摩阻力和桩侧阻力与土体的不排水抗剪强度联系在一起;砂土中桩侧极限摩阻力和桩端阻力与土体的上覆有效应力联系在一起,并考虑了大直径桩的应力释放效应。通过两个算例探讨了粘性土中桩无量纲极限承载力与桩身长细比、桩径及土体内摩擦角、不均匀系数的关系;探讨了砂土中桩无量纲极限承载力与桩体长细比、桩径和砂土极限状态摩擦角、相对密实度的关系。最后,通过一个工程实例对本文方法进行了验证。本文方法可在初步设计时预估基桩的承载力。     

基于新型试验装置的管节摩阻力影响规律探究

针对顶管工程中管节顶进时与周边土体产生的摩阻力,创新设计一种新型试验装置,探索触变泥浆压力、触变泥浆静置时间与管节平均摩阻力之间的相关关系。试验表明,在触变泥浆0.6MPa以内的压力下,平均摩阻力较小且稳定,几乎不随压力的升高而变化;当压力大于0.6MPa时,随着压力的升高,平均摩阻力的值呈急剧增大趋势。此外,还得出了触变泥浆静置时间对摩阻力的影响规律,对顶推力的配置、顶管施工组织的安排提供了一定的参考依据。     

大直径超长桩承载力影响因素数值分析

为了解大直径超长单桩的承载性状，利用大型有限元分析软件ABAQUS，对大直径超长单桩的承载性状进行仿真分析。主要分析了桩长、桩径、土体变形模量、土体黏聚力和摩阻系数对大直径超长桩的荷载一沉降曲线的影响规律。研究得出：桩径、桩长、土体变形模量和摩阻系数的增加可以提高大直径超长单桩的承载力，而土体黏聚力对大直径超长桩的承载力影响不大。     

钢筋混凝土顶管穿堤施工三维数值分析

钢筋混凝土顶管施工技术广泛应用于排水管道、电力管道等城市基础设施建设,当其需要长距离穿越江河底部时,会面临上覆土层厚度变化显著、江底水头压力大和江边环境影响敏感等问题。本文结合上海白龙港南线输送干线大直径顶管穿越黄浦江段工程,建立了综合考虑上覆土层变化及江底水头压力的数值模型。采用模拟顶管机头迎面压力和管土摩擦作用的方法进行分析评估,研究了顶管端面压力、减阻泥浆模量、管土摩阻力及减阻效果等参数对地层土体变形与施工状况的影响,探讨了下穿江堤对堤坝桩基变形的影响。结果表明,由于上覆土厚度变化及水压力作用,顶管端面压力应小于机头中心土体自重应力;提高泥浆模量,降低摩擦系数,可减小顶管上方土体和结构的沉降。