粉质黏土中静力沉桩过程产生的孔压试验研究

静压管桩在实际工程中有着广泛应用,桩-土界面超孔隙水压力对静压桩的工作性能有着巨大影响。目前的研究多集中于桩周土中超孔隙水压力的分布,缺少对桩-土界面处应力的真实情况的研究。通过在桩身开孔、嵌入硅压阻式孔隙水压力传感器的方法,在黏性土体中开展了2组模型桩的室内静力压桩试验,对桩-土界面的孔隙水压力、超孔隙水压力的变化规律进行了研究。试验结果表明:利用硅压阻式传感器首次成功监测了沉桩过程中桩-土界面产生的孔隙水压力;2根试桩在沉桩过程中产生的桩-土界面孔隙水压力、超孔隙水压力均随着沉桩深度的增加而增大;同时2根试桩沉桩过程中产生的超孔隙水压力均较大,最大可达4.21 kPa,约为上覆有效土重的75%,在实际工程中需对沉桩过程中产生的较大超孔隙水压力加以重视;同一深度处的超孔隙水压力存在消散现象,随着深度的增加,消散程度逐渐减小;在实际工程中,需采取有效措施,防止超孔隙水压力过大。试验结果可为静压桩施工和桩-土界面理论研究提供参考。     

桩靴对饱和粉土中锤击管桩沉贯阻力的影响

带桩靴管桩有利于提高打入桩的贯入效率,并且会改变桩身荷载传递规律减小桩身破损。为探究饱和粉土中开口管桩锤击沉贯机理,对双壁开口模型桩进行了室内贯入试验。锤击沉桩下考虑不同桩靴形式的影响,采集沉桩过程中桩身应变和土塞变化。研究发现,沉桩进入硬质砂土层后沉桩阻力明显增大,桩端阻力占比较大,桩靴能有效减小沉桩阻力;在同一土层位置处,外侧摩阻力会出现衰退现象,内倾30°桩靴桩内单位侧摩阻最大;桩端形式对土塞影响显著,沉桩结束时土塞率内倾30°桩靴试桩、外倾30°桩靴试桩、无桩靴试桩分别为41％、35％和31％。桩靴可有效降低穿越硬质土层的贯入阻力,研究结论可用于指导打入桩施工,为预制管桩打入过程选用合适的桩靴形式提供参考。     

砂土及黏土场地钻井船插桩对邻近桩的影响

为研究黏土场地和砂土场地中桩靴贯入及拔出对邻近桩的影响,开展了2组在不同场地中进行插、拔桩靴的室内模型试验,分析了桩靴贯入、拔出过程中桩靴贯入阻力、拔出阻力、土体位移及桩身弯矩的变化规律。结果表明,黏土场地桩靴贯入阻力随桩靴贯入深度增加而增加,达到某一极限值后基本保持稳定;砂土场地桩靴贯入阻力随桩靴贯入深度呈线性增大。黏土场地中桩靴拔出阻力基本保持不变,在邻近泥面处突变,几乎减小为零;砂土场地中桩靴拔出阻力在初始阶段迅速增大然后迅速减小,达到最大值的一半后开始以一定的速率均匀减小,对比拔桩阻力的实测值与理论值,发现桩靴贯入土体后减小了土体强度。通过在土层中埋置土体位移测量装置,发现桩靴贯入在黏土场地的深度方向影响较大,砂土场地中则对水平方向影响较大;两种场地中均发生不同程度的回淤现象,且砂土场地更为明显。不同形式土体位移进一步导致不同的邻近桩响应,具体表现在黏土场地中桩身上部正弯矩较大,桩身下部负弯矩较小;在砂土场地中桩身上部正弯矩较小,桩身下部负弯矩较大;插桩过程中最大桩身弯矩逐渐增大,且发生位置逐渐下移,当桩靴贯入到一定深度后最大桩身弯矩基本保持不变;拔桩过程中砂土场地的邻近桩响应不明显,桩身弯矩出现轻微减小。研究结果可为钻井船平台桩靴计算竖向承载力和抗拔极限力提供依据,同时为评价不同场地中桩身响应提供技术参考。     

孔隙水对土体隧洞施工的影响分析

隧洞工程的施工使得土体中孔隙水的边界条件、原有状态等发生变化,渗流孔隙水压力、超(静)孔隙水压力、渗透水压力等的产生将土体隧洞的施工环境变得更为复杂,施工难度加大。常用的水泥灌浆措施可能进一步加大孔隙水压力,并因为空间的占用而直接引起土体的变形,对土体开挖及已有支护产生不利影响,因此,在选用灌浆技术加固土洞围岩时,应慎重考虑其可灌性以及对原有土体结构的破坏。     

“踩脚印”工况下自升式钻井平台桩靴结构优化

为了降低自升式钻井平台在旧桩坑附近插桩时可能产生的工程风险,开展了一系列桩靴结构型式的优化研究和对比分析,提出六孔莲蓬形桩靴、平底桩靴、内凹形桩靴3种新型桩靴结构型式。首先借助CEL分析方法研究了上述桩靴结构在偏心距为0.5D的“踩脚印”贯入过程中桩靴-地基土体相互作用机制、受扰动土体的塑性变形水平范围及桩靴倾斜角和桩腿偏移距等与传统桩靴结构的差异,并采用有限元法及规范计算法对比分析了桩靴结构承载特性,最后评估了上述桩靴结构在成层土地基插桩过程中发生穿刺事故的风险。结果表明,相同“踩脚印”工况下,提出的3种新型桩靴结构产生的水平滑动力、桩腿顶部弯矩峰值相较于传统纺锤形桩靴结构降低值依次分别为32.59%、22.47%、28.18%和26.32%、12.88%、18.02%。可见,3种新型桩靴结构型式均能较好地降低桩靴“踩脚印”过程中产生的不利影响,其中六孔莲蓬形桩靴降低效果最好,内凹形桩靴次之,但后者结构型式更为简单,制作方便。其次,若考虑降低桩靴贯入对邻近导管架平台的影响,六孔莲蓬形桩靴结构因对周围土体扰动影响最小而效果最佳。若考虑桩靴在成层土或不连续贯入插桩作业时发生穿刺事故的可能性,当施加相同的稳定荷载并插桩到相同深度时,平底桩靴发生穿刺事故的可能性更小。     

自升式平台踩脚印失稳机理大变形有限元分析

自升式平台桩靴踩脚印失稳相关研究较少,且多为实验研究,土体的流动破坏模式和桩靴失稳机制尚不十分清楚。运用 CEL 有限元方法来模拟桩靴贯入均匀土体的过程,选择出最合适的网格密度,在此基础上模拟桩靴在旧桩坑附近的二次插桩过程,分析了旧桩坑的几何形状（包括深度、坡度和直径）、二次插桩偏心距对桩靴基础二次插桩稳定性的影响规律,考察桩靴的最大峰值水平力 Hmax 、最大峰值弯矩 Mmax ,并联合土体的流动破坏机制分析了桩靴踩脚印失稳机理。     

不同安装法对管桩桩周土影响的有限元分析

利用有限元方法模拟钢管桩的贯入过程,研究贯入过程中桩周不同深度土体的应力变化过程。管桩贯入土体这一过程为高度非线性问题,通用的接触和网格划分方法难以解决大变形问题,通过采用ALE网格划分技术以及"zipper-type"方法解决了管桩贯入过程中的大变形和接触问题,运用ABAQUS模拟了直径2.134 m的钢管桩采用静压和锤击两种方法的安装过程。根据贯入过程中桩壁内外土体应力变化可知,静压贯入过程中管内土水平应力明显高于管外土体的水平应力,更容易形成土塞,挤土效应也比较明显。通过对桩周土体中某点在安装过程中应力变化历程的分析,可以看到锤击安装方式在桩周土中造成应力增加的数值较大,对周围土体影响范围也较大,在评估桩基承载力时,应适当考虑这种影响。     

PHC管桩挤土效应环境监测与分析

为了研究静压群桩时产生的挤土效应对周围建筑物的影响,对驻马店市某住宅小区内PHC管桩静压施工引起的土体深层位移与超孔隙水压力进行了现场监测。监测结果表明,超孔隙水压力随着群桩边界线距离的增加近似呈性线减小,且超孔隙水压力影响半径随深度的增加逐步增大,最大影响半径约为桩直径的29倍。水平位移的总体表现为:表层土体位移较大,随着深度的增加,水平位移逐渐减小,桩端附近几乎为0;水平位移受卸压沟影响显著,有效影响深度约为卸压沟深度的2倍。     

水库施工静压桩挤土效应数值模拟分析

采用静压桩法将桩贯入地基会对周围土体的应力状态产生显著影响，严重影响水工建筑物安全运行。采用Abaqus有限元软件并结合室内试验，预测了桩基沉桩过程以及安装结束后土体应力的变化规律，分析了不同超固结比下桩基施工过程对地基土土体孔隙水压力和应力的影响，并提出了提高桩基承载力的施工措施，可为类似工程提供参考。     

重复插拔桩引发粉质海床扰动效应研究

自升式钻井平台的插桩和拔桩过程会严重扰动天然海床，形成安全隐患。借助室内物理模型试验模拟了粉质海床中自升式平台的插拔桩过程，并将物理模型试验结果与现场CPT重复贯入测试结果进行了对比分析，从定性和定量角度探讨了单次和重复插拔桩引起的粉质海床扰动效应。研究表明:相比初次插拔桩，二次插拔桩形成桩坑的几何尺寸有所增大；二次插桩较初次插桩引起的超孔压有所下降，最大降幅可达35%；重复插拔桩引发的海床扰动度随距桩靴中心水平距离的增大基本呈线性减小趋势，中间层位土体的扰动度相对浅表层和深层土体更大；相较初次插桩，二次插桩桩端阻力有所减小，但桩端最终峰值阻力却稍有增大，二者的起拔力则比较接近；室内重复插拔桩物理模型试验桩端阻力发展趋势与现场CPT重复贯入探头阻力监测结果吻合较好。     

钻井船插拔桩对邻近桩影响的模型试验

为评价黏土中钻井船插、拔桩对邻近桩基础的影响, 开展了自由桩头条件下的1g模型试验, 得出插、拔桩过程中所测量物理量数据变化规律, 为后续离心模型试验提供了数据基础和试验方法。试验得到各物理量变化规律如下:插桩条件下, 随着插桩深度的增加, 邻近桩桩身最大弯矩产生的位置及最大土体水平位移产生的位置逐渐加深; 拔桩条件下, 最大桩身弯矩及最大土体位移值逐渐减小, 但拔桩完成后桩身位移和土体位移都未恢复到初始桩状态; 插桩初始阶段插桩阻力迅速增加, 之后逐渐趋于稳定, 拔桩初始阶段拔桩阻力迅速增加, 随后进入相对稳定阶段, 在桩靴距离土体表面约120 mm时, 阻力突降为0。试验分析结果表明, 土体位移变化直接导致桩身响应变化, 两者存在一定正相关性。     

桩靴贯入砂土层时邻近桩挤土压力分析

钻井船插桩时会使邻近平台桩桩身受到挤土荷载作用,这种挤土荷载可能会严重影响平台桩的承载能力。采用CEL方法结合模型试验分析桩靴贯入砂土层时邻近桩受到的挤土压力变化。通过对缩尺试验结果的计算,验证了CEL方法的可行性。进一步分析了桩靴贯入砂土层时,邻近桩桩身挤土压力的变化。分析结果表明,邻近桩靠近桩靴一面受到的挤土压力随桩土相对位移的增加而不断增大直到极限值,在泥面以下10倍邻近桩桩径范围内,桩身最大挤土压力随土层深度逐渐增加,其变化范围为1.5~5.0倍的朗肯被动土压力,当土层深度超过10倍邻近桩桩径后,桩身最大挤土压力趋于稳定,约5.0倍的朗肯被动土压力;而远离桩靴一面受到的挤土压力随相对位移增加而不断减小,最终保持在朗肯被动土压力的10%~20%;桩身受到的挤土压力合力随桩土相对位移增加而不断增大直到极限值,在泥面以下10倍邻近桩桩径范围内,桩身极限挤土压力合力随土层深度逐渐增加,其变化范围为1.5~5.0倍的朗肯被动土压力;当土层深度超过10倍邻近桩桩径后,桩身极限挤土压力合力趋于稳定,约5.0倍的朗肯被动土压力。最后还定量分析了砂土摩擦角、弹性模量、泊松比和净间距的变化对插桩挤土力变化关系的影响。     

液化场地堤坝地震响应动态土工离心试验及模拟

基于动态土工离心机试验和多重剪切机构模型的有效应力分析方法,研究了不同地震强度下,液化场地堤坝的地震响应和大变形特征。动态土工离心机试验的液化场地模型,由相对密度为30%的饱和砂土构成,输入正弦波峰值分别为0.8056、1.7903和3.133m/s2。并采用有效应力分析有限元程序对堤坝的动点响应进行数值模拟,计算结果与模型试验结果相吻合。在此基础上研究了堤坝的加速度、变形以及下卧液化场地中的超孔隙水压力分布规律,分析了液化场地不同位置土层中的有效应力路径变化规律。研究得出,液化场地堤坝顶和坝趾在地震作用下会发生较大的沉降和侧向扩展,且随地震强度加大而增大。堤坝下卧浅层液化土的超孔隙应力比相对较小但其体积变形较大,坝顶的残余沉降可达1.4m,地震中堤坝底部土体同自由场地土体的有效应力路径和应力-应变特征不同。土工离心机试验结果同数值解析结果基本吻合。     

静力触探法研究综述

静力触探法是工程中广泛使用的一种原位测试方法。通过归纳分析国内外相关资料,概述了静力触探仪器设备发展历程,系统归纳了静力触探在锥头贯入阻力理论研究、模型试验、数值模拟、成果应用等方面的研究进展,总结了不同行业、不同地区利用静力触探成果估算土体参数的经验公式;提出由静力触探成果推求土体参数时,应充分考虑区域性土的工程特性;指出在超孔隙水压力理论分析、柱形孔空间问题解析解和以大变形分析理论为基础的数值模拟等方面需要进一步完善。     

砂土中钻井船插桩对邻近群桩影响的模型试验

为研究钻井船作业过程中桩靴贯入对邻近群桩的影响，在砂土层中开展了1g条件下的1×2型群桩模型试验，邻近桩桩头条件为固定桩头，桩间距为2.5倍桩径。通过对桩靴贯入土层前和桩靴贯入土层过程中邻近群桩中近桩靴桩的弯矩的测量，得出沿桩身弯矩随桩靴贯入土层深度的变化规律，并与相同净间距单桩桩身响应情况对比。将同一时刻群桩桩身最大弯矩相对于单桩桩身最大弯矩的增长率定义为弯矩增大系数，通过弯矩增大系数的变化研究插桩对邻近群桩效应的影响及插桩对邻近群桩效应的影响随净间距的变化。研究表明:与桩靴贯入土层前相比，桩靴的贯入使邻近群桩效应减弱，且随着净间距的增加，插桩对邻近群桩效应的影响越来越小，净间距超过1倍桩靴最大直径时，建议可以不考虑插桩对邻近群桩的影响。     

考虑渗流与变形耦合作用的基坑工程时间效应

基于比奥固结理论，推导了考虑卸载和坑内外水头差影响的三维固结有限元方程，编制了考虑地下水渗流与土骨架变形耦合效应的有限元程序，研究了基坑变形以及坑内外超静孔隙水压力和土水势的时间效应。与不考虑坑内外水头差的情况对比表明，由于坑内外水头差的影响，基坑的围护结构变形、坑后地表沉降以及坑底隆起变形都增大，不考虑坑内外水头差影响的计算是偏不安全的。