单螺旋锚桩水平承载机理试验与理论研究

目前螺旋锚桩水平拉拔承载设计计算的相关规范存在不足,理论研究中对锚片表面土压力分布的认识不统一。基于自制大型试验砂箱,开展了单螺旋锚桩的水平拉拔模型试验,直接量测分析了水平拉拔过程中锚片上下表面的土压力分布变化规律。引入考虑位移影响的锚片表面土压力近似计算方法,结合桩侧阻力p–y曲线,构建了砂土中单螺旋锚桩的水平拉拔力学模型,推导了位移相关的水平承载力计算理论。试验与计算结果表明:水平拉拔过程中,锚片表面土压力分布与测点到锚片中性轴的距离呈非线性关系,计算土压力时需考虑位移的影响;所构建的单螺旋锚桩水平承载力学模型以及基于力学平衡分析推导得出的单螺旋锚桩水平拉拔位移相关承载力计算理论在对比验证中取得了较好效果;对于工程中常用的单螺旋锚桩(桩锚直径比d/D≤5),当埋深比大于4后,可不考虑锚片的作用,按照等直径的裸桩来计算其水平承载力。     

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。     

不同叶片倾角单螺旋锚桩竖向拉拔破坏机理分析

力学模型的构建是螺旋锚桩抗拔极限承载力理论计算的前提,而极限状态下破裂面的准确描述则是衡量模型是否合理的关键。已有力学模型中破裂面的假定均建立在水平叶片的基础上,具有对称性,未考虑实际叶片倾斜状态的影响。通过对9种叶片倾角工况下单螺旋锚桩竖向拉拔过程的有限元数值计算,揭示了叶片倾角对极限状态下破裂面特征的影响规律,并在此基础上提出了可考虑叶片倾角影响的2种破裂面模型。其成果进一步深化了单螺旋锚桩竖向拉拔破坏机理的认识。     

倾斜拉拔荷载下锚桩承载性能及桩周位移场可视化离心模型试验

单点系泊系统作为一种新型锚固系统获得越来越多的应用,然而倾斜拉拔荷载下单点系泊锚桩的承载性能及桩周土体变形机理尚不明确。基于人工合成透明土材料搭建了可视化离心模型试验系统,对倾斜拉拔荷载下锚桩的力学响应展开离心模型试验,探讨加载角度对锚桩承载力、失效模式和桩周土位移场的影响规律,并与1g条件下透明土模型试验结果进行定性的对比分析。研究结果表明,开展的基于透明砂土的离心模型试验,可以用于评估现场应力状态下锚桩的承载特性与失效机理、土体内部位移场;桩周土体的位移量沿深度方向差别相对较为明显,锚眼附近的土体位移相对较大;1g条件下土体位移场无法合理反映位移沿桩身方向的变化规律,极限荷载下桩侧土体的变形量小于离心模型试验中的土体变形量。     

锚桩法静载试验群桩相互作用解析分析

建立了基于弹性理论法的抗拔单桩解析计算模型,以及考虑试桩与锚桩相互作用的群桩计算模型,利用该计算模型讨论不同地层中抗拔桩桩身变形和内力分布规律,进而分析锚桩法静载试验中地层条件、桩间距等因素对试桩竖向抗压刚度和变形的影响。计算结果表明,桩土刚度比越大,桩-土界面摩阻力和桩身轴力曲线沿深度变化越小,相应桩身上拔位移量越大。土体模量大的地层中桩身轴力衰减最快,浅部土层性质对单桩抗拔承载力起重要作用。试桩、锚桩与地基相互作用可导致锚桩法静载试验中试验桩抗压刚度比真实情况偏大,对静载试验结果修正后能得到与实际情况更为接近的试桩曲线。     

考虑孔压消散的静压单桩挤土位移场研究

静压桩挤土位移会随压桩过程中产生的超孔隙水压力的消散而变化,但由于压桩过程的复杂性,这一问题尚没有得到很好的解决。基于应变路径法及源汇法理论,根据土体的固结度理论推导小应变条件下考虑孔压消散的静压单桩周围土体位移场的解析解,该解析解可以考虑如下问题:地表面的自由边界条件问题,土体中孔隙水压力的消散问题,并能给出整个压桩深度内土体的水平及竖向位移场。根据压桩过程中近桩身土体变形特性对大变形条件下近桩周土体位移场做出相应的理论推导,并分析大小应变条件下挤土位移场的差别。利用所获得的挤土位移理论解分析超孔压消隙对土体位移场的影响,与现场测试结果进行对比,结果表明:静压单桩水平挤土位移和地表面隆起量均随孔隙水压力的消散而减小;考虑孔压消散的静压单桩挤土位移场的理论解和实测值变化规律相一致,且数值上基本吻合,能够满足工程需要。     

基坑支护设计中的若干问题探讨

 对基坑倾斜坡面的主动土压力计算方法、桩锚支护结构的锚杆水平弹簧系数的计算方法以及桩锚支护结构计算主动土压力应否考虑桩、土间的摩擦力等存在异议的问题进行理论分析和简化计算公式的推导,提出基坑倾斜坡面的主动土压力、桩锚支护结构的锚杆水平弹簧系数和考虑桩、土间的摩擦力的主动土压力计算公式。基坑倾斜坡面的主动土压力可以直接采用建立在极限平衡理论基础之上的计算公式计算,而无需采用先计算朗肯主动土压力再进行修正的计算方法。桩锚支护结构中的锚杆头部一般不可能发生竖向位移,可假定锚杆轴向伸长量等同水平伸长量,以此假定计算锚杆水平弹簧系数比较合理。用算例对所推导的计算公式和现行规程的计算公式进行计算比较,工程现象及算例结果均表明,不管是土钉墙还是桩锚支护结构,现行规程土压力计算公式未考虑墙(桩)、土间的摩擦力,计算的主动土压力偏大;现行规程计算的桩锚支护结构的锚杆水平弹簧系数偏小。因此,设计的支护结构均偏安全,不利于控制工程成本,应根据工程实际情况进行适当优化。     

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。     

钢螺杆锚桩受力特性分析及荷载传递机理研究

本文基于广州白云区某扩建项目,采用四组不同钢螺杆充当锚桩搭配反力装置进行基桩竖向静载试验,探究不同桩型的螺杆锚桩在静载试验中的桩身轴力和侧摩阻力分布特征和变化规律,并对其荷载传递机理进行分析,研究结果表明:在相同试验荷载作用下,随着桩长的增加,螺杆锚桩的上拔位移变小,螺杆锚桩的桩侧摩阻力占比增大;同时螺杆锚桩螺旋段的长度占比越大,螺杆锚桩的上拔位移越小;螺杆锚桩桩侧摩阻力的占比越小,桩-土的咬合力分担承载力比例越大。在受上拔力作用下,螺杆锚桩上部直杆段率先发挥效应,同时受到向下的摩阻力作用,桩侧摩阻力的大小与螺杆锚桩的上拔位移有关,随着上拔位移的增加,桩-土间的剪切应力逐渐发挥作用。研究结果对螺杆桩在设计应用及技术推广方面具有积极的意义。     

基于桩周土体位移的锚拉抗滑桩计算方法研究

传统锚拉抗滑桩计算模型不能科学的考虑锚索对于桩–土相互作用的影响,往往导致锚索拉力和桩身内力计算的不合理。将抗滑桩全桩视为弹性地基梁,分两阶段建立基于桩周土体位移的桩–土相互作用力学控制方程组。应用桩顶初参数法推导桩身力学响应数学解析表达式,并编制Matlab计算程序对桩身内力和位移进行计算。与一组模型实验数据进行对比表明:位移法计算模型及其解析解法具有可行性。将该模型应用于一个工程实例分析表明:计算模型可以考虑张拉阶段桩后岩土体的作用,可以考虑桩–土–锚索的相互作用。     

竖向受荷螺杆桩工作性状试验研究

螺杆桩工作性状受众多因素影响,其中叶片间距和螺纹段长度是两个关键影响因素。为了研究竖向受压螺杆桩承载力及桩周土体变形渐进发展规律,进行了基于数字图像相关变形测量技术的模型试验,并利用现场实测结果初步检验了模型试验的可靠性。研究揭示了叶片间距和螺纹段长度对螺杆桩极限承载力的影响规律,建立了归一化的叶片距径比因素和螺纹段长度比因素经验表达形式,给出了本次试验条件下合理的叶片距径比和螺纹段长度比取值。研究总结了不同沉降阶段直杆段、螺纹段和桩端截面周围土体位移场分布规律,提出了不同桩型参数螺杆桩桩周土体破坏模式。研究结果为螺杆桩设计参数优化和承载力计算理论建立提供了试验依据。     

竖向荷载作用下螺杆灌注桩受压承载机理的试验研究

螺杆灌注桩是一种上部为圆柱形、下部为螺丝形的组合式灌注桩,由于具有承载力高、节约材料、文明施工程度高等特点,在工程中得到广泛应用.螺杆灌注桩由于其特有的施工工艺及截面形式,使得其承载机理不同于等截面灌注桩.通过室内模型试验,采用图像处理技术直观地得到螺杆桩和直杆桩的破坏形态,进而对其承载机理和承载力计算进行探讨,并采用...     

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。     

湿陷性黄土场地双向螺旋挤土灌注桩成孔挤密效应与极限承载力试验研究

为深入研究大厚度自重湿陷性黄土地区双向螺旋挤土灌注桩成孔前后桩周湿陷性黄土挤密范围和挤密效果,揭示双向螺旋挤土灌注桩破坏特征和极限承载力,在兰州榆中某高阶地开展现场双向螺旋挤土成孔试验与静载试验。基于各地规范中双向螺旋挤土灌注桩桩侧极限阻力修正系数和兰州各典型地层现场实测数据,提出了甘肃地区不同土类桩端极限阻力标准值。结果表明:桩周土体地表隆起量与径向水平位移随距离成孔中心越远呈减小趋势,径向影响范围为3D(D为桩径),竖向影响范围为地表以下25 m; 在2D范围内对桩周土体的物理力学指标有明显改善,桩心距越小,挤土成孔对桩周土体的物理特性影响越明显; 同等工况下双向螺旋挤土灌注桩的单桩极限承载力相比长螺旋灌注桩提高25%,且都呈现缓变型破坏特征。     

大直径钢管桩竖向承载力计算方法研究

随着海上油气资源的深度开发与海上风电工程的投资建设,大直径钢管桩基础以其结构简单、安装便利、承载性能优越的独特优势被广泛使用。随着钢管桩直径的增加,其承载模式有别于传统的小直径桩。分析了太沙基、梅耶霍夫、别列柴策夫深基础承载力理论公式与建筑桩基技术规范、港口工程桩基规范、API、DNV规范以及考虑土拱效应的计算方法之间的差异性,并应用上述方法计算了实际工程中大直径钢管桩的竖向承载力,将计算结果与动测结果进行对比。结果表明:理论算法中太沙基法与梅耶霍夫法计算值较大,别列柴策夫公式和考虑土拱效应计算法相对准确;建筑桩基技术规范、港口工程桩基规范相对于API、DNV规范更加保守。     

螺纹桩承载机理及承载力计算方法

螺纹桩是一种全新的带螺牙的混凝土灌注桩。根据理论分析和试验研究,当螺纹桩螺牙间距较小时,受力时螺牙带动周围土一起移动,类似多节扩孔桩受力;当螺纹桩承载力达到极限时,桩身沿螺牙外侧的圆柱面破坏,承载力为桩侧提供的承载力及桩端阻力。通过整理目前螺纹桩承载力的几种计算公式,对几种它们的优、缺点进行分析。为方便设计计算,在传统直杆桩承载力计算方法基础上提出了一种螺纹桩承载力计算新的方法,对计算方法中螺纹桩等效侧阻较干作业钻孔桩侧阻的增强系数进行了理论分析,最后结合实际工程进行统计分析,并提出工程设计中增强系数的经验取值。     

竖向正方形锚板水平拉拔极限承载力三维统一理论解研究

针对竖向正方形锚板水平极限拉拔力学机理和承载力理论研究存在人为区分浅埋、深埋,但界定标准不统一的问题,对其开展了破坏机制分析和极限承载力三维统一理论解的研究。通过板前四棱锥土核在垂直于板平面的竖直面和水平面投影三角形的形状演化来分别反映竖向和水平向破坏机制随土性、埋深比等因素变化的对称性;构建了竖向正方形锚板水平极限拉拔的三维统一力学模型;依次取不同受力体进行极限力学平衡分析;推导了拉拔极限承载力三维统一理论解。与其他理论方法、试验数据的对比验证表明:新的力学模型很好地实现了一个模型来反映不同埋深比范围破坏机制的连续变化规律,无需再人为区分浅埋和深埋;统一理论解计算结果不仅与室内模型试验数据符合的很好,也和现场、大尺寸室内试验数据吻合;较3种国外方法计算结果更加接近于实测值,且具有更小的离散性,平均值总体上偏于安全,在4种方法中表现最好。     

Influence of helix bending deflection on the load transfer mechanism of screw piles in sand: Experimental and numerical investigations

This study investigates the load transfer mechanism that includes the effect of helix bending deflection on end-bearing capacity, distribution of ground pressure under the helix and soil deformation around the screw pile. The helix to shaft diameter ratio of 2.5 and 2.8 with a strong helix and a weak helix were used. The model ground was prepared with fine sand at 80% of relative density. To investigate the load transfer mechanism, the experimental tests were modelled in a 3D finite element code. A good agreement between the experimental and numerical approaches was found. The numerical analyses showed that large influence zone exists under screw pile with strong helix, which resulted in higher mobilized soil shear strength that contributed to higher end-bearing capacity. In the case of strong helix, uniform pattern of pressure distribution was observed under the central shaft and the helix. Similar pattern of pressure distribution under the central shaft was observed in weak helix case but the pattern of pressure distribution under the helix changed from uniform to triangular to trapezoidal at various stages during the load test. The normalized end-bearing capacity decreased linearly with the increase in normalized helix bending deflection in both approaches, i.e. experimental and numerical.