“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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

局部破坏对内撑式排桩支护基坑影响的模型试验

为降低实际工程基坑失稳事故发生率,通过室内模型试验研究了支撑失效、土体渗漏等局部破坏对内撑式排桩支护基坑的影响机理。试验结果表明：支撑轴力随基坑开挖加深而增大,靠近基坑中部的支撑轴力增量最大,坑角附近最小;支撑局部失效时,一部分荷载通过围檩传递到邻近支撑,另一部分荷载转换为支护结构的位移协调。当支撑全部失效后,支护结构整体刚度降低,支护体系变为悬臂排桩支护,支护桩位移、弯矩及坑外土体沉降量较支撑全部失效前明显增大;桩后局部土体发生渗漏时,土体迅速垮塌流进坑底形成土堆,同时坑外产生大范围的塌陷区,对周边环境及施工影响较大。     

振冲碎石桩成桩过程模拟和桩径预测研究

振冲碎石桩是应对软弱地层的复合地基处理手段,施工质量至关重要,碎石桩径是成桩过程控制的核心指标。在碎石桩和土体宏观和细观参数标定基础上,梳理振冲碎石桩成桩工艺,基于离散单元法开展了振冲碎石桩成孔清孔、填料、振冲挤密等主要成桩过程模拟,并进行桩径预测研究。结果表明：颗粒流离散元能够较好地模拟振冲过程中碎石和土体的相互流动,模型反映出了碎石向土体的过渡界面;留振过程中,碎石和加密段周围土体孔隙率逐渐减小,表明振冲碎石桩对桩周土体有明显的挤密作用;离散单元法能够模拟出碎石与土体的相互作用,绘制的桩径和桩形表现出波动性,与常规公式计算方法相比更接近工程实际。     

FLAC3D正交试验在基坑工程中的应用

以上海某软土深基坑为研究对象,利用FLAC3D软件进行了9组正交试验,分析基坑开挖过程中隆起量、桩体位移和坑外土体沉降量。研究表明,基坑中间隆起量最大,基坑隆起量可以用指数模型y=AxB模拟,围护桩入土深度对隆起量影响最大;桩体左侧位移开始逐渐增加,当达到最大值18.91~35.58 mm后逐渐减小,桩径对桩体位移影响最大;土体沉降曲线呈现"勺子"状,坑外下侧土体沉降最大为40.76~51.68 mm,桩径对土体沉降影响最大。     

考虑桩土相互作用的高桩码头非线性地震反应分析

采用有限元软件ABAQUS对高桩码头的地震反应进行了分析,考虑了桩-土动力相互作用、土体和桩板混凝土的动力非线性特征,分析了码头结构在不同地震作用影响下的相对位移、加速度、剪力和弯矩,确定了结构塑性铰出现的时刻和顺序,从而判明结构的屈服机制、薄弱环节以及可能的破坏类型,并在此基础上提出了设计建议.计算表明,桩的地震加速度响应随着高度的增加先增大后减小,桩身各点相对桩底的位移反应峰值从桩底到桩顶逐渐增大,桩身弯矩从桩底到岸坡面先增大后减小,在岸坡面以上,弯矩先减小后增大,最后在桩顶达到峰值,桩顶部的剪力最大.     

素混凝土桩复合地基承载机理的离散元分析

采用二维离散单元法模拟了素混凝土桩复合地基的浅层平板载荷试验。将数值试验结果与现场试验结果对比,以验证离散单元法的适用性,并基于加载过程中地基土体的宏微观响应,分析复合地基的破坏机理。分析结果表明:土体的转动场、应力偏转等变化较大的区域主要集中在直接承载的桩体周边区域,越向外侧所受影响越小;当荷载超过地基极限承载力时,复合地基发生冲切破坏,桩端发生刺入破坏;桩顶荷载、桩侧阻力、桩端阻力、桩土应力比与沉降的变化规律与现场试验结果相似,说明采用离散元法分析素混凝土桩复合地基的承载机理是可行的。     

基于SPH无网格法的纺锤形桩靴连续贯入过程模拟

纺锤形桩靴在饱和土中贯入过程涉及土体极大变形和复杂的土、水、结构三者耦合作用,由于网格畸变问题,采用传统网格类数值方法很难进行模拟。SPH无网格法借助于一系列粒子进行插值,粒子与粒子之间无联系,将偏微分形式的控制方程转化为常微分方程组进行求解,可有效避免网格畸变问题。基于土-水-结构耦合SPH无网格算法,对桩靴在中密、密实砂土及饱和黏土中的连续贯入过程进行模拟,研究土体存在极大变形条件下桩靴贯入阻力、超孔隙水压力及总应力等物理量在贯入过程中的变化规律,并与CEL大变形有限元分析结果及室内离心机测值进行对比和分析。研究结果表明:采用土-水-结构耦合SPH算法可以准确地捕捉土、水混合物发生大变形时的自由面特征、贯入阻力、孔隙水压力及超孔隙水压力等物理量。     

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。     

土体及遮帘桩对板桩码头影响的数值模拟分析

利用有限差分分析软件对板桩码头进行数值模拟,分析板桩码头中土体参数及遮帘桩对板桩码头板桩前墙的影响。对板桩码头土体参数改变时板桩前墙的受力情况进行模拟。模拟结果表明:土体内摩擦角对前墙最大负弯矩的影响最大,弹性模量次之,粘聚力最小;对于前墙最大正弯矩,弹性模量的影响程度最大,内摩擦角次之,粘聚力对最大正弯矩的影响呈现起伏不定。针对遮帘桩安放位置对码头的影响情况,模拟遮帘桩距离前墙1~10m时板桩墙最大正、负弯矩的变化情况。模拟结果显示:当遮帘桩距离前墙2~5 m时,板桩墙的弯矩值处在一个较低的范围。     

砂土试样剪切带发展过程分析

剪切带的发生与发展是土体失稳乃至破坏的重要因素,因而剪切带的发展过程分析具有很高的研究价值。基于考虑了滚动机制在内的颗粒离散元数值方法,以及基于数字图像测量技术的平面应变试验方法有效地模拟和再现了砂土试样在平面应变条件下剪切带的发展破坏过程,从而合理的解释了其破坏机理。结果表明,剪切带在荷载达到峰值之前起始和发展,形成于峰值之后;在剪切带完全形成后,荷载基本上稳定在一残余值。同时,结果还表明,采用考虑滚动机制在内的颗粒接触模型以及提出的等效应变和体积应变的计算方法用以模拟颗粒材料剪切带破坏现象是有效的。     

免共振沉桩原位试验研究

为解决传统桩基施工过程中存在的环境污染、挤土效应、效率低及能耗高等突出问题,以某高架桩基工程为例,基于免共振液压振动锤系统沉桩施工工艺,通过原位沉桩试验测试、现场振动测试,研究钢管桩沉桩过程中桩周土体、地铁运行期间桥墩变形特征及其振动变化规律。研究结果表明:钢管桩沉桩过程中桩周土体水平位移集中分布在近地表0~2/3L(L表示桩长)范围内,地表以下0~1/4L范围水平位移较大,土体水平和竖向位移最大值分别为2.37 mm和3.13 mm,桥墩倾斜0.4‰~0.7‰,分析发现沉桩过程中挤土效应不明显;现场振动测试结果显示,当无地铁经过时桥墩振动速度最大峰值为0.823 mm/s,有地铁经过时为1.90 mm/s,充分表明沉桩过程对周边环境影响程度弱;实现了对环境“低影响”的效果,为沉桩施工新技术的研发提供理论和实践指导。     

高填方路堤荷载下倾斜基底CFG桩复合地基破坏机理分析

对一般水平成层路堤下刚性桩复合地基的失稳破坏机理已有较为深入的研究,但对倾斜地基下高填方路堤荷载作用下刚性桩复合地基的失稳破坏尚缺乏深入揭示.依托某工程,对高填方荷载作用下倾斜基底CFG桩复合地基进行三维数值分析,研究考虑桩体刚度损伤的CFG桩复合地基的破坏机理.结果表明:混凝土塑性损伤模型能较好地模拟CFG桩的力学性...     

可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的离散元模拟

作为一种新型完全挤土桩,螺旋桩在各类工程建设中已得到广泛应用。基于离散单元法,以钙质砂为模拟对象,对螺旋桩在沉桩过程中土体颗粒破碎情况进行数值模拟。颗粒破碎采用碎片替换法,破碎应力判定选取八面体剪应力准则。分析了螺旋桩在不同初始应力、不同贯入转速比条件下桩周土体位移场、速度场、应力场分布及土体颗粒破碎演化规律。数值模拟结果表明:在螺旋桩贯入地基土过程中,土颗粒在高应力诱发下发生破碎,桩端土体破碎严重,桩侧颗粒破碎稍弱;随着贯入深度增加,破碎颗粒数量增加,桩侧土体级配发生演化,发生破碎的地基土中桩尖应力略低于不破碎地基土体;提高初始应力,会导致更剧烈的颗粒破碎,破碎颗粒的散布范围更广,桩尖应力明显减小;提高贯入转速比会增加颗粒破碎的程度,在高转速比条件下,破碎颗粒均匀散布在桩侧,螺纹附近的颗粒速度、位移较大;而低转速比工况下,土颗粒的速度、位移峰值主要集中在桩尖下部。开展可破碎颗粒材料中螺旋桩贯入特性的研究,对分析较脆弱砂土场地上的桩基稳定、保障工程建设的安全具有指导意义。     

无损射水插桩破土模型有限元分析

以黄河下游应急抢险和小水河道整治为研究背景,以重复组装式导流桩坝施工高压射水插桩和黄河下游土质为研究对象,利用D-P屈服准则简化土体模型,并建立射水插桩破土有限元模型,对简化后的有限元模型进行插桩过程的仿真分析。通过改变不同射水速度来观察破土有限元模型的沉桩过程,对不合理的射水插桩设计参数进行优化、筛选,得出最佳的射水速度为10 m/s。     

基于PIV技术的冲刷条件下桩-土水平变形机制

桩基通常深埋地下，岩土体内桩-土水平变形难以通过现场试验观测。为研究水平荷载作用下桩-土变形机制，考虑桩身抗弯刚度、土体密实度和冲刷坑尺寸等因素，基于粒子图像测速(PIV)技术在砂土中开展了一系列单桩水平加载模型试验，获得了桩侧土体位移、应变分布发展规律，并讨论了柔性桩和刚性桩的水平桩-土相互作用模式，及局部冲刷对水平桩-土相互作用的影响。结果表明：(1)水平荷载作用下桩侧土体的位移和剪应变均是沿着水平和深度方向逐渐发展变化，因此现有桩基水平受荷分析的应变楔模型中整个应变楔内土体应变均匀发展的假定需要修正；(2)桩身水平位移第一零点以上的桩前土体被动受压区和桩后土体主动施压区是主要的桩-土相互作用区，但对于刚性短桩第一零点以下的桩-土相互作用不可忽略；(3)桩侧冲刷坑底部以上冲刷土层对降低桩-土变形仍可起到一定的作用。     

桩基承载力包络线基本特性 数值模拟研究

基于有限元与荷载传递相结合方法,利用FLAC3D对倾料荷载下大直径长桩的承载力破坏包络线的特性进行了研究。结果表明,(1)荷载倾料角度不同,基桩的破坏机理也不一样。(2)倾料荷载下基桩破坏模式可分为三种:一是由于桩侧摩阻力和桩端阻力不足而发生的破坏;二是由于桩侧土体抗力或桩身材料强度不足而造成的失稳;三是由前两种破坏机理相互藕合作用而造成的破坏。(3) V-H荷载面中桩基承载力包络线形状近似为椭圆的一部分,且椭圆中心不在坐标原点。(4)在桩的承载力方面不同类型荷载之间是相互影响的;在工程设计中,应引起充分的重视。