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。     

夹层土上自升式钻井平台穿刺机理的离心模型试验研究

自升式钻井平台是一种海洋石油开采中常用的平台结构形式。桩脚穿刺是引发自升式钻井平台事故的最主要的原因,目前对于穿刺机理的研究都集中在桩靴达到或者进入到硬层以后,即认为只有桩靴在达到或进入硬层后,穿刺行为才开始启动。在中国南海海域普遍存在硬夹层分布土层,即软—硬—软,俗称"鸡蛋壳"土层分布,现场情况显示,在这种土质条件下,现有的方法很难对穿刺行为做出准确的预测。采用离心模型试验以及有限元的方法对上述土层分布下的穿刺机理进行了研究。离心模型试验显示:在桩靴贯入过程中所受到的土阻力的大小沿深度的分布存在两种不同的模式。当上层软土强度与硬层强度之比在0.5左右时,土阻力沿深度的分布存在两个峰值点;当上层软土强度与硬层强度之比在0.2左右时,土阻力沿深度的分布与现有计算模式的情况相同。有限元计算分析显示造成上述现象的主要原因是塑性区在土体中的展开模式的区别。在钻井平台预压插桩过程中应该充分考虑土体中土阻力的分布特点,合理设计每级预压荷载的大小,预防穿刺的发生。     

纺锤形桩靴基础贯入过程Eulerian-Lagrangian耦合有限元法的模拟

采用欧拉-拉格朗日耦合(Coupled Eulerian-Lagrangian,CEL)有限元方法对于纺锤形桩靴基础的贯入过程进行数值模拟,揭示均质黏土、均质砂土及上砂下黏层状地基中桩靴基础的贯入机理。通过与已有离心模型试验结果的对比,在一定程度上验证建立的CEL有限元模型的合理性,进一步表明基于圆形浅基础承载力理论的桩靴贯入阻力计算公式在预测深层贯入时误差较大。随后比较系统地探讨上层砂土内摩擦角、下层黏土不排水抗剪强度等土性指标对基础贯入阻力曲线的影响,为层状地基中纺锤形桩靴基础承载力的计算提供一定参考。     

静力触探试验在地铁车站工程勘察中的应用

静止侧压力系数和压缩模量是地铁车站深基坑支护结构设计和模拟分析的重要输入参数,直接关系到计算的准确性和设计的可靠性。静力触探作为高精度、微扰动的原位测试方法之一在力学参数的测试和获取上具有明显优势。依托武汉地铁5号线和平公园站岩土工程勘察项目,在分析场区工程地质条件及土层基本工程特性的基础上,采用静力触探方法对各层土进行了数据采集和分析,研究了场区黏性土、粉土、砂土的压缩模量和静止侧压力系数与比贯入阻力之间的关系。研究成果表明,黏性土、粉土、砂土的比贯入阻力差异较大,能较好地反映土的力学特性,各层土的压缩模量皆可以用比贯入阻力的幂指数关系进行表达;静止侧压力系数与归一化的比贯入相关性较好,且与室内三轴试验获得的静止侧压力系数误差较小。     

双层地基横向荷载下刚性桩的变形研究

为研究双层地基横向荷载下刚性桩的变形,基于桩的刚度无穷大和m法假定,忽略了基础与土之间的粘结力和摩阻力,推导了刚性桩转动中心和转角的计算公式。通过算例与数值分析方法计算结果做了比较,验证了公式的正确性。算例分析表明,当上层土体横向地基系数比例系数小于下层时,刚性桩的转动中心和转角均随着上层土体厚度的增加而增大,随着上层土体m值的增加而减小;上层土体的m值越小,其厚度变化对转动中心和转角的影响越大。上层土体的m值以及土层厚度的变化对刚性桩转角的影响远大于其转动中心。上层土体厚度对刚性桩的变形影响深度约为桩入土深度的0.7倍,影响刚性桩变形的主要是转动中心以上至地面的土体。     

静压敞口预应力高强混凝土管桩界面剪切性状试验研究

桩土界面剪切行为对静压敞口预应力高强混凝土(PHC)管桩沉贯性状及长期承载力特性具有至关重要的作用。通过成层土地基中桩身预埋光纤光栅(FBG)传感器的静压桩足尺试验,分别对敞口PHC管桩贯入及静载荷试验中的桩土界面剪切行为进行研究。结果表明：在贯入阶段,桩身轴力及侧摩阻力沿桩的深度方向逐渐传递,传力幅值与桩周土体性状密切相关,土层界面处轴力传递效率依次为98.2%、92.2%、96.3%、83.8%、80.5%。随着压桩循环次数的增加,同一深度土层摩阻力呈逐渐减小趋势。经历5个压桩循环后,深度6 m处的砂质粉土层摩阻力减小幅度约为46.25%,深度10m处的粉质黏土层经历3个压桩循环后摩阻力减小幅度约为12.1%;载荷试验过程中,桩侧摩阻力随着桩顶荷载施加自上而下逐步发挥。摩阻力完全发挥所需的桩土相对位移,粉质黏土层的最大,约为6.96~7.46mm,淤泥质黏土层的次之,约为6.05mm,砂质粉土层的最小,约为4.23mm;与原状土相比,重塑区土体含水量、孔隙比参数指标降低,重度、黏聚力及内摩擦角增大。桩周重塑区土体物理力学指标变化是贯入及载荷试验阶段桩土界面剪切行为不同的重要原因。     

第八讲 桩侧压力注浆桩

1　概述1.1　桩侧压力注浆桩基本原理桩侧压力注浆桩是指钻孔、冲孔和挖孔灌注桩成桩后 ,在压力作用下将能固化的浆液通过桩身预埋注浆装置或钻孔预埋花管强行压入桩侧土层中 ,充填桩身混凝土与桩周土体的间隙 ,同时与桩侧土层和泥浆护壁法成孔中生成的泥膜发生物理化学反应 ,提高桩侧土的强度 qs及刚度 Es,增大剪切滑动面 ,改变桩与侧壁土之间的边界条件 ,从而提高桩的承载力以及减小桩基的沉降量。1.2　桩侧压力注浆桩适用范围适应性较大 ,可用于各种土层。应选择在地基土强度较高的土层中进行桩侧注浆 ,以获得较高的技术经济效益。1.3　…     

双桩靴贯入对临近钢圆筒稳定性影响的数值分析

水下石油生产系统通常布置于海床上,其保护措施对生产系统的工作稳定性与安全性十分重要。根据实际海洋环境条件与水面航道要求,目前有工程创新性地采用大直径钢圆筒嵌入海床面一下作为水下生产系统的保护结构。对于此类型防护结构与工程应用,邻近自升式钻井船进行桩靴插拔作业时会对钢圆筒稳定性造成影响,带来安全隐患。现采用耦合欧拉与拉格朗日有限元数值方法对双桩靴贯入产生的钢圆筒扰动问题进行数值模拟分析。研究桩靴贯入过程中土体和钢圆筒基础的变形和应力变化,从而分析钢圆筒保护结构的稳定性与安全性。结果表明,钢圆筒筒壁附加应力及位移在初期随桩靴贯入深度增加而增大,达到峰值后趋于稳定;桩靴贯入到一定深度后,桩靴上部土体发生回流现象,导致对钢圆筒的影响降低;双桩靴对钢圆筒的影响随筒靴间距增大而减弱,但其影响范围较于单桩靴贯入有明显扩大。可为水下石油生产系统保护措施的设计与现场应用提供有效的参考依据。     

分层土中吸力基础沉贯吸力变化及土体变形规律试验研究

吸力基础近年来在海上风电工程中逐渐得到推广,我国海上风场地基广泛分布分层土,研究吸力基础在分层土中的沉贯特性有助于推动其在我国海上风电工程领域的应用。开展模型试验,探讨了土层分布形式(砂土、黏性土、上层砂土下层黏性土(简称上砂下黏)、上层黏性土下层砂土(简称上黏下砂))对吸力基础沉贯吸力值、沉贯阻力、土塞高度和土体变形的影响。研究发现在上砂下黏土层中,当基础贯入至土层分界处时,基础吸力值陡然增加;当吸力基础贯入至上黏下砂土层分界处时,基础内部吸力值陡然降低,通过有机玻璃吸力基础模型试验阐述了吸力变化的原因。不同土层条件下,基础内部最终土塞高度规律由高到低为：上黏下砂土层、单一砂土层、上砂下黏土层、单一黏性土层,阐明了不同土层分布情况下基础内部土塞形成机理。对于单一砂土层和上砂下黏地基,沉贯结束后,基础周围土体出现环形沉降区域,单一砂土地基中沉降区域范围大于上砂下黏地基情况。对于单一黏性土和上黏下砂土层中,沉贯结束后基础周围黏性土中产生裂缝,且吸力沉贯下土体裂缝数量及裂缝扩展范围大于压贯条件,土体最大裂缝范围约为1.9倍基础直径。     

双壁开口管桩大尺度模型试验初探

开口管桩由于具有承载力高、质量可靠、施工方便等优点得到越来越广泛的应用。土塞的生成使得开口管桩沉桩阻力不同于闭口管桩,不仅包括桩外侧摩阻力、桩端阻力,桩内侧摩阻力亦是其重要组成部分,不同桩靴形式对桩体贯入影响较大。从试验方法、试验方案、试验结果 3个方面阐述了国内外现状,针对目前研究中的不足,设计了可区分端承阻力、土塞阻力、外侧摩阻力,以及不同桩靴形式的双壁开口模型桩,比较了不同桩靴对土塞内、外侧摩阻力的影响。     

Collapse Loads Over Two-Layer Clay Foundation Soils

A strict upper bound solution to limit loads on strip footings over two-layer clay foundation soil is presented. Two mechanisms of failure are considered: one with a continually deforming field, and a rigid-block mechanism. The multi-block mechanism was found to be very flexible in terms of being able to assume different shapes of the deformation pattern. Consequently, this mechanism yielded the least upper bound to the bearing pressure. The method used was adapted to calculations of bearing capacity of strip footings subjected to loads with horizontal components. If the depth of the second layer of clay is sufficiently large, the shear strength of this layer will not affect the bearing capacity. This depth is referred to here as the critical depth, and it depends on the footing width and the combination of the undrained shear strength in the two layers. If the undrained shear strength of the bottom layer is small compared to the top layer, the critical height may be as much as twice the footing width.     

Combined loading of strip footings on sand-over-clay with layers of varying extents

This study describes the numerical analyses performed to investigate the bearing capacity of strip footings placed on granular (frictional) material overlying soft clay subjected to combined vertical-horizontal and vertical-moment loading. A plane-strain finite element limit analysis is used to estimate the limiting load combinations for two layer soil geometries where the top layer is either fully extended in the horizontal direction or it is of limited horizontal extent, representative of rock or gravel berms commonly used in offshore practice.Bearing capacity envelopes for combined vertical, horizontal and/or moment loading are well-documented in the literature for cases of footings resting on single sand or clay soil. For two-layer sand-over-clay soil with a horizontally extensive top layer, the vertical-horizontal and vertical-moment envelopes initially coincide with the envelope for a single sand layer at low vertical loads, but show an abrupt reduction in the horizontal or moment capacity as the vertical load increases beyond a certain critical vertical load. The critical vertical load is found to vary as a function of the thickness and the lateral extent of the upper layer. Relationships are presented to enable the vertical-horizontal and vertical-moment envelopes to be estimated based on the problem geometry and material properties.The findings in this study provide insight into the response of subsea foundations placed on rock or gravel of limited extent overlying a clay seabed as well as the general response of shallow foundations on two-layer profiles.     

Support pressure for circular tunnels in two layered undrained clay

To estimate the required support pressure for stability of circular tunnels in two layered clay under undrained condition,numerical solutions are developed by performing finite element lower bound limit analysis in conjunction with second-order cone programming.The support system is assumed to offer uniform internal compressive pressure on its periphery.From the literature,it is known that the stability of tunnels depends on the overburden pressure acting over it,which is a function of undrained cohesion and unit weight of soil,and cover of soil.When a tunnel is constructed in layered undrained clay,the stability depends on the undrained shear strength,unit weight,and thickness of one layer relative to the other layer.In the present study,the solutions are presented in a form of dimensionless charts which can be used for design of tunnel support systems for different combinations of ratios of unit weight and undrained shear strength of upper layer to those of lower layer,thickness of both layers,and total soil cover depth.     

相对厚度变化下双层软黏土地基固结特性研究

采用改装的固结仪,针对吹填场区特有的双层软黏土地基,开展了固结特性试验研究,探讨了土层相对厚度变化对地基变形特性的影响规律。试验结果表明:单层软黏土的变形随试样厚度的增加而增大,双层软黏土的变形与试样厚度比呈明显的正相关关系;上层土厚度为2 cm的双层试样与高度为2 cm的单层试样,前者的稳定沉降大于后者,荷载等级较大时,双层试样的沉降曲线分离程度明显大于单层试样;随着厚度比的增大,厚度比变化对双层地基土体变形的影响逐渐减小;压缩指数随单层软黏土厚度的增大而增大,增大幅度不明显;相对于下层试样,上层试样对双层试样的沉降变形影响更大;随着上层压缩性大的土层厚度的增加,双层地基变形增大、固结速率减小。受土体结构性随固结应力变化的影响,不同厚度及厚度比试样,其沉降曲线随固结压力的增大呈“S”型变化。     

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道影响试验研究

黄土地层浸水湿陷对地铁隧道结构的影响是较为突出的岩土工程问题之一,为深入研究黄土层湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,通过改进长安大学离心机浸水装置和监测设备,系统开展了浸水条件下湿陷性黄土层对地铁隧道结构影响的离心模型试验,试验结果表明:地铁隧道周边黄土浸水湿陷会导致土层重度增加,隧道拱顶土层内部拱效应因湿陷而消散,土层自重压力增加且完全由隧道结构承担,从而会导致隧道结构受力和变形不利,传统的深埋隧道结构设计理论需考虑湿陷条件下拱顶土压力的不利增长因素;地铁隧道基底下黄土地基的浸水湿陷会明显诱发隧道结构的附加作用应力,但一定厚度的非湿陷性黄土或有效处理过湿陷性黄土层抵御下伏土体湿陷变形的能力不容忽略,非湿陷土层厚度越大,对于抵御湿陷变形的能力越强;隧道基底土层不均匀浸水湿陷会导致隧道拱顶部呈现受拉状态,底部呈现受压状态,隧道拱顶所承受的附加应力更大,约为拱底附加压应力的3倍,隧道基底的自重湿陷变形对隧道顶部衬砌结构所造成的破坏更严重。     

加筋土挡墙土压力及土压力系数分布规律研究

通过对加筋土挡墙大型模型试验土压力测试分析,提出加筋土挡墙的土压力系数应区分为填土自重土压力系数和超载土压力系数。自重土压力系数在墙顶为主动土压力系数,至墙底为静止土压力系数,其间按直线规律变化;超载土压力系数随超载的大小而变化,按从小到大的顺序分别取值Ka,2Ka,2.5Ka和3Ka,它们沿墙高均近似取为常数。土压力系数与土压力数值大小的变化规律相一致。     

基于土体的大变形分析钻井船插桩对邻近桩的影响

自升式钻井船插桩对邻近平台桩基础的影响主要体现为插桩导致的土体大变形会使邻近平台桩基础受到附加水平荷载。当钻井船插桩时的桩靴边缘与邻近平台桩外缘之间间距小于桩靴直径时,就需要定量评价钻井船插桩对邻近平台桩的影响程度。基于分析被动桩响应的两段法原理,通过开发ABAQUS中分析材料大变形的网格重新划分算法与相应的计算结果后处理方法,CEL计算结果的后处理方法,形成了求解钻井船在自由场地插桩时周围土体极大变形的有限元算法;进而,依据计算出的自由场地土体位移,采用增量有限差分方法求解非线性地基梁控制方程,即可获得钻井船插桩时的邻近桩桩身响应。以上形成了一种能够定量分析钻井船插桩对邻近桩影响的两段法。利用此方法预测已有的离心模型试验结果,获得了与实测结果基本吻合的预测结果。这表明建立的用于分析钻井船插桩对邻近桩影响的两段法是可行的。     

Bearing ratio of reinforced fly ash overlying soft soil and deformation modulus of fly ash

This paper presents the laboratory study on the bearing ratio of unreinforced and reinforced fly ash overlying soft soil beds of a total of 11 fly ash samples collected from different thermal power plants located in the Eastern part of India. The thickness of the bottom clay layer (H_c) was maintained as 100 mm in the bearing ratio mould. The upper layer thickness of compacted fly ash (H_f) was varied. The values of the ratio H_f/H_c used were 0.75, 1.00 and 1.25 in this study. The fly ash layer was reinforced with single layer and double layers of geotextiles. The effects of (i) position and number of layers of geotextiles, (ii) thickness of the compacted fly ash layer overlying soft soil layer, and (iii) moulding water content of the soft soil, on the bearing ratio of fly ash are highlighted. The inclusion of geotextile into the compacted fly ash bed enhances the bearing ratio. An increase in the thickness of compacted fly ash layer over the soft soil layer also increases the bearing ratio of the compacted fly ash bed. The values of unconfined compressive strength and deformation modulus of all the fly ash samples are also presented. Empirical relationships to estimate deformation modulus of fly ash from unconfined compressive strength and relationships between initial tangent modulus and secant modulus of fly ash are presented. It may be concluded from this research study that reinforced compacted fly ash overlying soft soil with a geotextile layer at the interface can find potential application in the construction of roads over soft soil.