基于ALE方法的贯入桩周土大变形问题的研究

桩的工作性状是岩土工程中最不确定的问题之一,其中主要原因是对桩在打入加载过程中所造成的桩周土物理状态和应力状态的改变还不是很清楚,对其进行数值模拟时,需要考虑大变形、边界条件改变及桩、土接触问题,一般有限元法在网格剖分上不能解决大变形问题,在边界条件及桩、土界面处理方面不能很好的模拟实际情况。计算实例表明,基于ABAQUS的ALE(任意拉格朗日-欧拉法)方法有效的模拟了贯入时土体的应力变化情况,并得到以下结论: ALE方法能有效避免拉格朗日法有限元分析中网格畸变以及高度扭曲问题,与实际相符合,真实的反映了岩土工程中的弹塑性的变形情况,可以应用到岩土工程中的大变形问题中。以ALE方法为基础对CPT(静力触探试验)贯入试验进行有限元模拟对合理解释CPT的试验的结果是非常有效的。     

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。     

楔形与等截面静压桩沉桩贯入阻力对比研究

基于Vesic圆孔扩张理论，考虑贯入深度对扩孔压力的影响，得到了一种扩孔压力的迭代算法；在此基础上，分析了楔形与等截面静压桩沉桩贯入阻力的差异性，并考虑极限滑动摩阻力的影响，建立了两种桩型的静压沉桩贯入阻力计算公式。为了验证该方法的可行性，对楔形与等截面桩进行模型对比试验，并利用该方法对模型试验进行计算分析，试验及理论结果均表明，等截面桩沉桩贯入阻力在贯入初期上升较快，后期上升缓慢，而楔形桩整个沉桩过程贯入阻力始终保持稳步增长。同时，等截面桩最终沉桩贯入阻力要比平均截面半径相等的楔形桩贯入阻力小得多，说明在相同贯入阻力前提下，采用楔形桩将能大幅度减少桩身材料，降低成本。     

基于不同贯入速率砂土地基中静压敞口混凝土管桩试验研究

贯入速率对静压敞口混凝土管桩沉贯及承载力特性具有重要影响。通过砂土地基中静压敞口混凝土管桩室内模型试验,分别对不同贯入速率下模型桩土塞特性、压桩力及极限承载力变化进行研究。结果表明,模型桩贯入速率由2. 0 mm/min增大至3. 0、4. 0 mm/min时,土塞高度分别降低了12. 8%、27. 2%,土塞率降低幅值分别为12. 9%、27. 2%。不同贯入速率沉桩结束后,模型桩土塞增长率分别为35. 4%、23. 6%及19. 8%;相比于4. 0 mm/min贯入速率,贯入速率2. 0 mm/min及3. 0 mm/min下模型桩最终压桩力增长幅度分别为92. 6%及25. 1%,极限承载力增长幅值分别为77. 8%及4. 5%,这主要是由于贯入过程中土塞特性差异导致的内壁摩阻力不同所引起的。研究成果可为砂土地基中敞口混凝土管桩沉桩性状及极限承载力研究提供理论依据。     

双层黏土地基方形桩靴贯入过程与穿透机制

采用基于耦合欧拉拉格朗日算法的三维大变形有限元方法对上硬下软黏土地基方形桩靴的贯入过程进行数值模拟,系统地探讨了上下土层强度之比、上层土厚度、土体重度及静止侧压力系数等指标对于桩靴贯入阻力曲线的影响,揭示了穿透现象发生时的土体变形机理。计算结果表明:上下土层强度之比与上层土厚度对于桩靴的贯入阻力曲线具有很大影响。静止侧压力系数的减小在一定程度上导致桩靴承载力系数的降低,而上下土层重度的差异导致桩靴的承载力系数不满足前人建议的方程。在上下土层重度差异不大以及上层土厚度确定的情况下,关于桩靴宽度、上层土重度与强度的无量纲化参数小于临界值时将会发生穿透现象。     

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。     

软黏土与粉土互层中开口预应力混凝土管桩性状研究

对软黏土与粉土互层中静压预应力混凝土管桩的相关性状进行了现场试验研究。试验结果显示,桩周土体中不同深度处的超孔隙水压力在沉桩过程中呈现不同的变化规律。回归分析得出两个不同深度处的对数表达式,用以描述最大超孔隙水压力与初始竖向有效应力的比值随距离参数的变化规律。测斜试验结果说明,群桩施工过程中土体最大水平位移发生在渗透性相对较差的淤泥质黏土层中。单桩沉桩过程中,地面的隆起量随沉桩深度不断增加,但主要的隆起量发生在桩体位于浅层时。贯入过程中,开口管桩的管壁端阻与静力触探锥尖阻力显示出极为相似的变化规律,且两者之间的比值不随贯入深度和土塞高度的变化而改变。上硬下软的土层分布易形成闭塞现象,而上软下硬的情况则易导致土塞的滑动。分析认为开口管桩直径越大管壁越薄,形成的土塞高度则越大。     

入模温度对大体积混凝土胶凝材料体系水化放热特性的影响研究

入模温度是影响大体积混凝土内部温度场变化的重要因素之一。采用水化微量热仪,研究了入模温度(15、25、35℃)对纯水泥体系、水泥-粉煤灰体系、水泥-矿粉体系及矿物掺合料双掺体系下的水化放热特性影响规律。研究结果表明,提高入模温度对于胶凝材料体系的水化放热反应促进效果明显,掺加粉煤灰和矿粉可以降低混凝土的放热量和放热速度,大体积混凝土在满足混凝土设计强度的条件下,配合比设计应当尽量降低水泥及矿粉的用量,同时降低浇筑施工时的入模温度。     

软土地区静压管桩桩侧摩阻力研究

阐述了静压预应力混凝土管桩具有的特点，结合地质概况基于两次单桩竖向静载荷试验，探讨了桩侧摩阻力随深度变化的情况，并对试验结果进行了分析，所得结论有助于认识桩基荷载传递规律。     

不同竖向荷载下PHC管桩水平承载性能研究

在桩基设计中通常分别确定单桩的竖向和水平向承载力,而不考虑竖向荷载与水平荷载之间的相互作用对桩承载力的影响,这显然不能反映桩的真实受力状况。本文通过现场的载荷试验,分析了PHC管桩在不同竖向荷载下的水平承载性能,利用有限元软件ANSYS对该实例进行数值模拟,结果表明：在先施加竖向荷载再施加水平荷载时,存在一个最优的竖向...     

基于透明土的管桩贯入特性模型试验研究

由于受土塞效应等因素影响,开口管桩和闭口管桩在贯入过程中的挤土效应存在明显的差异;然而针对该两者贯入特性的研究相对较少。基于透明土和PIV（Particle Image Velocimetry）技术,开发了相应的桩基贯入模型试验系统,用于桩基贯入过程中桩周土体变形的非插入式测量。试验选用的透明土由玻璃砂和具有相同折射率的孔隙液体制成。该试验系统主要包括：线性激光光源、CCD（Charge-Coupled Device）相机、自动沉桩加载仪和计算机控制系统等。激光射入透明土,和透明土之间的相互作用产生了独特的散斑场,通过CCD相机摄取贯入过程中各个时刻散斑场变形的图片,然后通过PIV技术对这些变形前后的图片进行处理,即可得到整个土体位移场。分别进行了开口管桩和闭口管桩的桩基贯入试验,得到了对应的土体位移场,并对桩基贯入引起的桩周土体径向位移试验结果与圆孔扩张法、应变路径法等理论计算结果进行对比分析;研究结果表明,对于闭口管桩,由于竖向位移的影响,试验值比圆孔扩张法结果小,其与应变路径法更为接近;对于开口管桩,由于沉桩过程中土塞作用,试验值比圆孔扩张法大,其影响不可忽略。     

预应力混凝土管桩与承台结合部抗剪承载力的试验研究

在地震作用下,预应力混凝土管桩桩顶受到水平剪力作用,而空心管桩的抗剪承载力通常比较弱。常在管桩上部埋入钢筋,浇筑一段混凝土与承台相连,以改善其抗剪性能。在试验的基础上对预应力管桩的抗剪承载力进行了研究,并对填芯混凝土在抗剪承载力中的作用进行了探讨。研究表明,填芯混凝土提高了管桩抗剪承载力,改善了管桩脆性性能。为管桩抗剪承载力计算提供了试验基础及理论依据。     

预应力混凝土开口管桩的极限承载力分析

预应力混凝土开口管桩在沉桩过程中存在土塞作用,因此其受力机理比闭口管桩更加复杂。根据现行规范中的经验公式以及修正公式计算单桩极限承载力时,开口管桩的计算值常常低于或高于载荷试验的结果。根据西安一高层建筑预应力开口管桩的设计和桩基检测结果,对单桩极限承载力计算公式的取值进行分析,阐述了"土塞效应"对单桩竖向极限承载力的影响,对计算公式中的侧阻力及端阻力进行修正,所得到的承载力计算值与试桩结果较为吻合。通过研究,建立了基于土塞效应下根据土的物理指标与承载力参数计算管桩承载力的修正公式。     

预应力混凝土管桩在某工程中的应用研究

针对预应力混凝土管桩的性能特点,结合工程实例,对其竖向及水平向承载力的影响因素进行了分析,并根据其影响因素,对预应力混凝土管桩的设计、施工提出了合理化建议。     

现浇混凝土薄壁筒桩在软土地基中的应用

以浙江07省道桥头软基处理为例，介绍了现浇混凝土薄壁筒桩加固软土地基的原理和施工方法，并对施工质量监测方法作了探讨，对类似工程桥头路段软土地基处理施工有一定的指导意义。     

浅论桩基工程土体变形与施工流程关系

对桩基工程的施工原则与施工流程冲突问题进行了分析研究，从桩基工程的土体变形量对桩基的影响进行论证，提出了打桩的方法，进行了桩端应力与土体位移变形，桩侧摩阻力与土体位移变形的研究，达到了预期的效果，解决了不同桩共同施工的问题。