黄土地区桩基桩土共同作用性状仿真与试验研究

黄土的工程特性和地层分布具有其自身的特点,黄土地区桥梁桩基桩-土-承台共同工作的研究越来越受到工程界和学术界的关注.在总结国内外研究现状的基础上,通过现场测试和离心试验研究,利用数值仿真技术,结合理论推导,对黄土区桥梁桩基桩-土-承台共同作用进行系统分析:博士学位论文(1) 基于Visual Fortran平台,对大型通用有限元软件Marc进行二次开发,研发了更适用于分析桩基和岩土问题的系列用户子程序包,主要包括:模拟地基初始应力及其释放子程序、移动分布荷载子程序、参数随工况变化的非线性弹性本构关系子程序、接触面单元子程序和动态接触状态子程序等.(2) 进行黄土地区桥梁桩基现场静载试验,试验中布设了百分表、弦式钢筋应力计和混凝土应变计等测试仪器,对各级荷载下的桩顶沉降、桩身轴力、桩端反力及桩侧摩阻力进行现场测试和分析;同时进行现场浸水试验,对黄土湿陷区干燥状态及浸水状态下单桩竖向承载特性变化情况进行研究,揭示地面浸水对黄土区域桥梁桩基承载力性状的影响:分析桩及桩周土浸水期间的沉降变化规律.(3) 建立分析桥梁桩基单桩空间轴对称有限元模型;结合此模型提出计算自重湿陷性黄土地区合理桩长的方法--叠加法,得出当中性点上、下土层摩擦力分布形式相同时,应增加的桩长与摩擦力的分布形式无关,而只与极限摩擦力的大小有关的结论.运用此方法分析自重湿陷性黄土湿陷特性对桩基承载性状的影响规律,结果表明:在极限荷载时,中性点深度与桩长有关;湿陷系数对桩剩余承载力的影响是非线性的;定量给出中性点深度及应增加桩长的范围.基于剪切位移法并利用弹性理论,推导自重湿陷性黄土条件下桩基沉降、轴力及中性点计算公式,并与工程实测进行对比验证.(4) 考虑桩周土体及桩-土接触的非线性,建立分析群桩的三维空间有限元计算模型,分析各种土体和桩体参数条件下群桩基础的承载性状及各参数对群桩效应的影响;对Vesic法进行改进,克服了原公式不能考虑群桩桩长的缺点;通过初应力释放子程序,模拟黄土的自重湿陷,并进一步分析负摩阻力条件下的群桩效应.(5) 利用研发的子程序间相嵌套并结合Marc软件中的死活单元功能,解决了钻孔灌注桩整个连续施工及加载过程数值模拟几个关键问题,利用所建模型结合工程实例分析钻孔灌注桩的钻孔、泥浆护壁、混凝土灌注、混凝土凝固及加载全过程,并对施工过程中地基位移及应力变化规律进行分析.分析表明:孔位钻进及混凝土灌注过程中所产生的地基土应力释放和应力重分布现象,在数值模拟中不能忽略,未考虑施工过程计算的桩的承载力值比实测值偏大.(6) 研制了在离心机运转过程中从事轴向加载的桩基离心试验设备,该设备由加载控制系统、带测试元件的模型桩及位移和应力量测系统等几部分组成,在离心机上进行了9组单桩和群桩的模型试验,研究不同地基条件下桥梁单、群桩的受力特性,着重分析黄土湿陷沉降条件下负摩阻力的群桩效应.     

湿陷性黄土地基桩的负摩擦力问题

本文对我国湿陷性黄土地区桩侧负摩擦力进行分析研究。叙述湿陷性黄土自重湿陷与桩基负摩擦力的关系,对于非自重湿陷性黄土是否考虑桩基负摩擦力问题作了初步探讨。根据湿陷性黄土地基的不同受水方式,提出计算“中性点”的近似方法。并根据自重湿陷性黄土地基上的试验资料,认为在工程中应重视桩基出现第二次负摩擦力峰值问题。为了防止桩基因黄土地基湿陷而产生负摩擦力,介绍了克服桩基负摩擦力的措施。最后提出五点建议,供研究分析湿陷性黄土地基桩基负摩擦力问题时参考。     

自重湿陷性黄土与单桩负摩阻力离心模型试验

 为研究和分析黄土的湿陷变形性质与桩基的负摩阻力,采用离心模型试验的方法分别对原状自重湿陷性黄土与重塑湿陷性黄土进行模拟浸水试验。试验研究结果表明：原状和重塑湿陷性黄土浸水湿陷过程主要分为3个阶段,即显著湿陷变形阶段、湿陷稳定变形阶段以及水位下降后土体的固结变形阶段。根据试验结果,对于以沉降观测为目的的试验研究中,用重塑黄土代替原状黄土进行离心模型试验模拟其湿陷变形的方法是可行的。进而分析基桩负摩阻力分布规律及中性点位置的变化规律。单桩的负摩阻力分布及中性点位置是一动态变化过程,中性点位置与桩长的比例为0.68～0.82。     

自重湿陷性黄土浸水对桩基受力的影响分析

假设桩侧自重湿陷黄土浸水变形曲线符合指数形式,推导出了摩擦桩在桩侧土浸水后处于弹性阶段时,单桩侧摩阻力、中性点位置以及桩身轴力的解析表达式。分析了自重湿陷性黄土浸水对桩侧摩阻力及桩身轴力分布的影响,为桩基设计提供依据。     

大厚度自重湿陷性黄土场地桩基负摩阻力计算方法研究

针对大厚度自重湿陷性黄土场地桩基负摩阻力的计算问题。首先,根据现场浸水试验沿深度实测沉降量与Boussinesq的竖向位移解的相似性,提出由地基总的自重湿陷量,计算桩周任意深度土层沉降量的方法;其次,考虑土体剪应力-剪应变的非线性和桩-土相对位移沿径向的变化关系,提出可以同时考虑土的非线性和极限抗剪强度的桩-土荷载传递函数;根据桩身单元的静力平衡,建立了桩身荷载传递计算模型,可计算桩身轴力、桩侧摩阻力、中性点位置和桩顶沉降量。将计算的结果与现场桩基浸水试验实测结果进行对比,表明了所提计算方法的有效性。研究结果可为湿陷性黄土场地桩基设计提供新方法,也可为其他场地桩基承载力计算提供参考。     

含有自重湿陷性黄土夹层的场地上群桩负摩擦力的计算

１　前　　言*自重湿陷性黄土场地上的桩基在浸水时桩周土将对桩产生负摩擦力。规范规定,这类场地上的单桩承载力的确定,除不计湿陷土层范围内的桩周正摩擦力外,尚应扣除桩侧的负摩擦力。正负摩擦力数值,宜通过现场试验确定［１］。目前关于负摩擦力的研究工作主要集中在单桩上,但在桩基工程中,群桩也是常见的。由于经济和技术上的困难,这种场地上群桩负摩擦力的试验研究,不仅在原位没有进行过,即使是室内试验也都未见有关报导。在研究群桩的负摩擦力问题之前,首先要讨论的一个问题是：是不是场地的自重湿陷量一定要≥７．０ｃｍ,也就是说,是不是只有在自重湿陷性场地上才考虑桩的负摩擦力问题。自重湿陷量７．０ｃｍ是判别场地湿陷类     

控制剩余湿陷量的黄土地基深层浸水试验研究

选用4个不同处理深度的灰(素)土桩对大厚度自重湿陷性黄土场地进行挤密处理,并对挤密区域以下未处理土层进行深层浸水试验,研究在该浸水条件下大厚度自重湿陷性黄土地基的湿陷变形规律、处理深度和剩余湿陷量合理控制等问题。试验结果表明：灰土和素土在处理大厚度自重湿陷性黄土地基时,两者挤密效果表现差异不大;深层浸水情况下,6～15 m深度处理区域产生的变形量均不能满足上部荷载的变形要求,且呈现三段式变形规律,先期稳定,中期缓降,后期突降;根据现场浸水试验和桩基中性点相关研究,首次提出大厚度自重湿陷性黄土地区“湿陷临界深度”的概念,并初步将其确定为20～25 m,据此可以一定程度上减小深部土层剩余湿陷量,达到减小地基处理深度的目的;建议将15～20和10～15 m分别作为大厚度自重湿陷性黄土地基乙、丙类建筑的最大处理深度。     

大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究

 为解决大厚度自重湿陷性黄土地区地基处理深度和湿陷性评价等难题,在湿陷性黄土厚度大于36.5 m的场地进行以下浸水试验：不同深度的挤密桩处理地基深层浸水载荷试验,不同深度的孔内深层强夯处理地基载荷浸水试验,不打注水孔、埋设TDR水分计的原位浸水试验。研究结果表明：(1) 大厚度自重湿陷性黄土地基处理6～12 m、深层浸水时,发生显著地基下沉;15～20 m时,地基沉降较小;处理深度大于20 m时,地基沉降基本可忽略。(2) 浸水试坑22.5～25.0 m以上土体含水率增加较快,甚至达到饱和,以下土体含水率增加缓慢,基本没有发生湿陷。建议22.5～25.0 m作为大厚度自重湿陷性黄土地基处理和湿陷性评价的临界深度。(3) 大厚度自重湿陷性黄土地基在采取有效的综合处理措施之后,甲类建筑可以不全部消除湿陷量,乙、丙类建筑可以根据控制建议适当放宽对剩余湿陷量的要求。(4) 不同地区、不同微结构类型土的湿陷性应当采用不同的湿陷系数 来判定,即“湿陷系数 = 0.015”在自基础底面至基底下15 m的范围内可继续使用;15 m以下适当放宽,按不同深度对 进行修正,可使大厚度自重湿陷性黄土湿陷性评价趋于合理,有效节约大量地基处理费用。     

河津黄土地基湿陷变形试验研究

本文通过大量的室内外试验,包括三个大面积试坑浸水试验以及三个天然地基和强夯地基上的浸水载荷试验,详细讨论了黄土地基自重湿陷变形和外荷湿陷变形的规律;探讨了《湿陷性黄土地区建筑规范（TJ25-78）》中有关湿陷性黄土场地湿陷类型的评判方法;根据试坑浸水试验结果,认为原勘察报告对场地湿陷类型的判定有误,应为非自重湿陷性场地;在按计算自重湿陷量评判时,应乘以调整系数m₀;采用模糊数学方法,对自重湿陷敏感性进行了综合评判,并提出了评判指标β和分档标准,试验及计算简便,可靠度达90％以上;通过非线性有限元分析,湿陷量计算值与实测值还较接近。     

某浸水试验场地黄土自重湿陷特征的分析探讨

我国湿陷性黄土分布广泛,鉴于湿陷性黄土的特殊性和复杂性,黄土场地的湿陷类型及地基湿陷等级是湿陷性黄土地基处理前必须要准确查明的关键问题。按规范进行自重湿陷量的计算时,其修正系数因地区土质而异。本文通过分析某浸水试验场地不同深度的湿陷变形量的变化规律,揭示了地层湿陷系数随深度的变化规律以及地层岩性对浸水湿陷变形的影响,为该湿陷性场地评价提供指导性意见。     

人工制备湿陷性黄土地基地下连续墙浸水试验研究

为研究湿陷性黄土地基地下连续墙基础竖向极限承载特性及浸水后负摩阻力分布特征,选用石英粉、砂、膨润土、石膏和工业盐制备了人工湿陷性黄土,对人工制备湿陷性黄土的物理力学特性进行分析;采用人工制备湿陷性黄土填筑模型试验,进行地下连续墙基础承载特性试验研究。研究结果表明:人工制备湿陷性黄土的物理力学参数与天然黄土基本一致,可用于湿陷性黄土与构筑物相互作用模型试验相似材料。地下连续墙竖向承载力达到其极限时,外墙和内墙总侧摩阻力荷载分担比为67%,确定地下连续墙为端承摩擦型基础。地基浸水湿陷后,中性点深度比为0.64~0.73,试验结果与桩基浸水试验测试结果较为一致。由于地下连续墙基础具有良好的整体性和防渗性,芯土不受水的影响,内墙侧摩阻力与承台土反力能够得以发挥,有效减小地下连续墙基础的沉降。     

微浸水对桩基负摩阻力影响的试验初探

为使湿陷性黄土地区桩基负摩阻力问题得到实质性的解决,提出了一种在桩基施工过程中通过桩周土体浸水消除部分黄土湿陷以提高其承载能力的思想,并以此为出发点,阐述微浸水概念,设计现场试验,进而分别对不同地层条件下及不同微浸水程度后桩侧负摩阻力的分布特点、发展规律展开初步探索。研究结果表明:高压循环注浆成桩工艺既能实现桩周土体的微浸水,使其首先发生预湿陷,又能使漏浆层以下一定深度范围内土体浸水程度明显增强形成强浸水段,引发再湿陷,产生负摩阻力;土层中漏浆层的不连续分布,致使桩周土体在桩体受荷后分段湿陷,桩侧负摩阻力沿桩身呈现交错分布的形态;随着微浸水程度的逐步增加,桩侧正摩阻力逐渐受到削弱,单桩极限承载力逐渐减小,与此同时桩侧负摩阻力逐渐增大,但增幅不大、数值较小。最后,指出本次试验的不足之处,并对后续研究提出建议。     

特殊浸水下桩基负摩阻力试验研究

为妥善解决湿陷性黄土地区负摩阻力引起的桩基承载力下降问题,以消除桩周黄土湿陷性为出发点进行新途径和新方法的探索,采用非传统的特殊浸水方式分别对混凝土灌注桩、微型钢管砂浆复合桩进行了现场试验。结果表明:桩顶受荷时采用注水孔与试坑相结合浸水量较大,浸水段桩侧以负摩阻力为主,最大值达319.62 kPa,局部出现正摩阻力;成桩过程中采用泥浆循环浸水量较小,桩周土体在桩顶受荷前完成部分湿陷,受荷后桩侧以正摩阻力为主,局部出现负摩阻力,且数值较小,最大值为32 kPa;特殊浸水条件下桩周土体沿桩身分段湿陷,桩侧出现多个负摩阻力峰值及中性点,正、负摩阻力交错分布;桩基负摩阻力的大小受浸水方式、加载方式、浸水固结时间的综合影响,建议在桩基施工过程中采用合理的施工工艺对桩周土体预先进行微量浸水,消除部分黄土湿陷,以避免由于地下水环境改变而引发的桩基承载力下降。     

考虑堆载和桩载施加顺序的单桩负摩阻力模型试验研究

通过室内模型试验,研究堆载和桩载施加顺序对单桩负摩阻力的影响。试验结果表明:先堆载后桩载工况下,堆载完成后,中性点位置离桩顶最远,随桩载增加,中性点位置逐渐上移,最终中性点位置在桩顶以下0.5l附近,桩身轴力呈先增加后减小的趋势,单桩承载力发挥系数为0.69。先桩载后堆载工况下,先施加桩载时,桩身轴力沿深度逐渐减小,无中性点,施加堆载时,轴力呈先增加后减小趋势,中性点出现并逐渐下移,最终中性点位置在0.41l附近,单桩承载力发挥系数为0.86。先桩载后堆载较先堆载后桩载桩基承载力发挥系数大,即桩基承载力安全储备小。以上分析表明,荷载施加顺序对基桩的负摩阻力分布有很大的影响,建议在实际工程中综合分析地质条件、桩基的受力特点及承载要求,选取合适的加载顺序来减小桩身负摩阻力。     

湿陷性黄土场地PHC桩竖向承载性状试验研究

研发了一种PHC管桩内力测试方法,应用该方法对湿陷性黄土场地中PHC管桩分天然和浸水工况进行了载荷试验过程中的内力测试,研究了湿陷性黄土地基中PHC管桩的承载力性状和侧阻力分布规律。结果表明:干黄土中的多节PHC桩,浅部桩体的侧阻力存在发挥不佳的可能,该情况下土体浸水也不能有效提高侧摩阻力,同时桩周土自重湿陷沉降在桩侧产生的负摩阻力也较小;下部桩体侧阻力随深度的分布曲线呈单峰状,峰值深度随荷载增大逐渐向下移动;黄土与古土壤互层地层结构中的PHC管桩,在极限荷载作用下桩身压缩量是构成总沉降量的主要部分。     

考虑冲刷效应的黄土沟壑区桥梁桩基极限承载力 计算方法

针对黄土沟谷地形特点和依托工程桩型特征,建立了考虑边坡系数和临坡距以及冲刷深度的桥梁桩基竖向承载力计算模型,利用FLAC3D三维软件分析水流的冲刷深度、边坡土削切对桥梁桩基竖向极限承载能力产生的不良影响; 通过回归方程拟合,建立了考虑局部冲刷效应的黄土沟壑地区计算公式。结果表明:计算桩基承载力的边坡系数与对应坡距耦合关系显著,桥梁桩基侧向摩阻力与对应因素的关联性随其摩阻力降低而增强; 局部冲刷作用和陡坡地形对桥梁桩基端部摩阻力影响较为微弱,对侧摩阻力影响相对较大; 桩基的竖向极限承载力负相关于水流冲刷深度,水流冲刷深度越低,产生的影响越大; 桥梁桩基的竖向承载力公式计算结果与模型试验结果相比影响度偏差较小,该公式具有较好的准确性与实用性,可为同类桩基设计计算提供参考。     

碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基的试验研究

为明确碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基的效果,依托某深厚湿陷性黄土地基处理工程,开展了碎石桩加固地基的系列试验研究.通过多种方式检测了加固后地基土体的物理力学参数、承载能力及沉降变形,并分析其变化规律.试验结果表明:采用碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基,桩身的密实度在松软土层较低,在坚硬土层较密实,且相同深度的桩身密实度随桩间...     

地面水对黄土地区桥梁桩基承载力影响试验研究

黄土因其特有的工程性质,使位于黄土地区的桥梁桩基础在桩周土受地面水浸湿后产生湿陷变形,该变形引起桩的负摩阻力,降低了桩的承载力。通过陕西芝川河特大桥桩周浸水前、后的荷载试验,对黄土区域桩基浸水前、后的承载性状进行了分析研究,揭示了地面水对黄土区域桥梁桩基承载力性状具有较大的影响;分析了桩及桩周土浸水期间的沉降变化规律。研究成果对黄土区域公路桥梁桩基础的设计与施工具有重要理论价值与指导意义。     

湿陷性黄土中桩的负摩阻力测试与验算

本文介绍了某湿陷性黄上地基大面积浸水试验中的4根大直径扩底灌注桩桩身内力的测试方法,并对负摩阻力的实测值与计算值进行了比较,最后对考虑负摩阻力的单桩承载力验算方法提出了建议。