软黏土中导管架基础水平循环加载离心模型试验

为研究海上风机四腿导管架基础在风、浪等水平循环荷载作用下的受力及变形特性,开展了近海饱和软黏土地基四腿导管架基础水平循环加载离心模型试验。实测获得了水平循环荷载下导管架顶部的位移、基桩顶部的水平位移以及桩身弯矩,并利用实测桩身弯矩推导出桩身变形与桩周土反力。试验结果表明:水平循环荷载作用下导管架顶部的荷载–位移曲线表现出明显的非线性;后排桩的水平位移约为前排桩的80%,且均小于导管架顶部的水平位移,导管架发生了一定角度的倾斜;桩身最大弯矩值出现在泥面下约6D深度处。在此基础上,采用双曲正切型p–y曲线方法拟合试验结果并与API规范作对比,发现API规范p–y曲线的初始刚度和极限土反力均偏小。试验进一步揭示了泥面下5D深度范围内需考虑桩周土反力的弱化现象,且前排桩周土反力的弱化程度明显大于后排桩,在工程设计时应分开考虑下基桩桩周土的强度弱化情况。     

海洋高桩基础水平单调及循环加载现场试验

开展了海洋软黏土中 2 根大直径高桩基础的现场水平单调和循环加载试验,实测获得了桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力和孔隙水压力,揭示了水平单调和循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。利用实测桩身水平位移推算了桩周土反力,在此基础上提出了相应的双曲线型 p – y 曲线,通过引进 Poulos 循环弱化模型建立了水平循环荷载作用下的桩基双曲线型 p – y 曲线分析模型,水平单调及循环荷载作用下桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力等计算结果与实测值均吻合良好。通过现场试验发现规范 p – y 曲线法计算结果偏保守的主要原因是所采用的 p – y 曲线的刚度偏小;不同时段的循环荷载对桩基循环累积变形有叠加效应。 建议设计中应考虑桩基全寿命服役期内所承受的所有循环荷载的影响, 对于重要工程应开展相应的现场水平加载试验,实测桩身水平位移或桩身弯矩,进而利用所推算的桩周土反力来分析桩基受力变形及承载力。     

砂土地基小直径单桩的浅层土p–y曲线

小直径桩在桩基础的抗震设计、加固中已得到越来越多的应用。针对美国石油协会(API)规范的p–y曲线法和中国规范的m法对小直径单桩的适用性问题,通过拟静力试验研究了砂土地基小直径单桩的浅层土(深度小于1 m)p–y曲线。对实测桩身弯矩采用分段函数的拟合方法来推算土反力和桩身变形,获得了小直径单桩在饱和中砂中的浅层土静力p–y曲线,并基于试验结果提出了三线性本构。进一步地,通过数值模拟分析比较了所提出的浅层土三线性p–y曲线、API规范的p–y曲线、中国规范的m法对预测小直径桩基受力和变形的有效性。结果显示API规范的p–y曲线可能稍低估桩基的水平承载力,并获得更深的桩身最大弯矩位置,而提出的浅层土三线性p–y曲线可更好地预测桩基的整体水平力和位移关系、桩身弯矩及变形。另外,传统的m法仍然适用,当桩身变形较小时(土面桩身变形不超过6 mm),m值宜取推荐范围内的较大值,而当桩身变形较大时,m值宜取推荐范围内的最小值。     

高桩基础水平静载和撞击模型试验研究

开展了水平静力和撞击荷载作用下高桩基础的 1<>g 大比例模型试验研究,测试获得了桩顶水平静动力作用力、桩身水平静力变形、桩身水平振动响应、桩身静动力弯矩及桩侧静动力土压力等。发现由实测桩身静力弯矩推算的桩周土反力规律与实测静态桩周土压力规律较为一致;水平撞击荷载作用下,动态桩周土反力与撞击力时程曲线密切相关。结合弹性地基梁线弹性动力模型及静动力 <> p – <> y 曲线模型的分析揭示了桩土静动力相互作用机理及其对桩基内力和变形的影响规律。综合比较了上述分析模型的理论计算结果及试验实测结果,推荐采用复合刚度动力 <> p – <> y 曲线模型分析水平撞击荷载作用下的高桩基础,其分析结果与实测桩身振动响应和内力均吻合良好。最后采用该模型对现场防撞桩进行了防撞分析。     

考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩p–y曲线

为揭示砂土中上拔荷载对水平受荷斜桩性状的影响规律,开展了9根斜/直桩模型试验,实测获得了上拔与水平荷载共同作用下的桩顶荷载位移曲线及桩身应变,计算得到了桩侧土抗力p及相应的桩身横向位移y,建构了考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩双曲线型p–y曲线,给出了地基土初始反力模量及极限土抗力的确定方法。该p–y曲线能反映水平与上拔荷载共同作用下斜桩与桩侧土之间复杂的挤压、剪切相互作用。基于文中建立的p–y曲线,编写程序分析了斜桩的承载变形性状及内力分布规律,研究了桩顶上拔荷载大小、桩顶约束条件对水平受荷斜桩承载性状和内力分布的影响,结果表明:①不论桩顶自由还是固支,上拔荷载增大时,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均减小,而负斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均增大;②相同的水平及上拔荷载作用下,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均小于负斜桩;③相同的上拔荷载作用下,水平受荷斜桩在桩顶固支条件下桩身横向位移、弯矩及剪力较小,而桩顶自由条件下则较大。     

基于应变路径法的黏土中水平受荷桩p–y曲线

水平桩的p–y曲线大多是基于试验数据(A P I规范,双曲线),旨在从理论出发推导桩侧土体的p–y曲线。首先,推导了与上限解等价的分步弹性加载理论,并结合刚性圆盘在环状弹性介质中受水平力作用下的弹性力学解以研究桩身水平位移和桩周平均剪应变间的关系;再应用该平均剪应变和土体的双曲线应力应变关系建立联系以得到桩周土体在加载过程中的平均屈服应力即已发挥的土体强度;以此确立二维情况下桩身位移和桩周土反力的关系即p–y骨干曲线。再进一步根据三维的桩侧初始地基模量和桩侧极限承载力,将其推广至三维。该p–y曲线的优点在于可以考虑土体应力应变关系、桩身刚度和长细比对p–y曲线的影响。最后,将本文p–y曲线和传统p–y曲线分别与工程实例以及有限元结果进行对比,并指出传统p–y曲线的不足及恰当的使用范围。     

海上四桩导管架基础水平受荷离心模型试验

导管架基础广泛应用于海上风力发电和油气开发,水平向风、浪、流、地震等作用是导管架基础发生失效破坏的主要原因。通过离心模型试验针对饱和砂土地基中四桩导管架基础,研究其在沿边长方向和沿对角线方向水平静力作用下各基桩的内力分配、桩周土反力差异和变形特性。导管架基础沿对角线加载时基桩最易被拔出,其下压基桩的桩顶剪力、桩顶负弯矩和桩身最大正弯矩均较上拔基桩大,但二者的桩身水平位移相差不大。对于本文桩间距为5.8倍桩径的导管架基础,由于群桩效应及桩身上拔力降低了桩周土有效应力,沿边长加载时上拔桩在泥面下2.5倍桩径深度范围内的桩周土反力约为下压桩的60%,而沿对角线加载时上拔桩在该深度范围内的桩周土反力仅为下压桩的40%。沿对角线加载时下压桩与上拔桩在桩顶剪力、桩顶最大负弯矩、桩顶轴力及桩身最大正弯矩等参数之间的差别也明显大于沿边长加载情况。与单桩水平加载离心模型试验结果对比发现,同一深度处单桩的桩周土反力介于导管架基础上拔桩与下压桩的桩周土反力之间。     

砂土中微型桩p-y曲线研究

本文通过砂土中微型桩侧向受荷室内足尺模型试验,获得了微型桩在侧向受荷时不同深度处桩身位移、弯矩和桩周土反力,研究了微型桩的变形和受力特性。在试验基础上,利用三维有限元方法建立了微型桩-土互相作用模型,针对桩径从0.1 m到0.2 m的微型桩p-y曲线进行分析,并与常用的Reese法和API法的进行比较,发现常用的Reese法和API规范的p-y曲线的初始刚度偏大及桩周土极限抗力偏小。最后,在试验及三维有限元模型的基础上研究了微型桩-土p-y曲线沿深度变化的分布特性,提出了适用于砂土中微型桩的双曲线型p-y曲线。     

桥梁群桩基础非线性静力计算模型及拟静力试验研究

 线弹性地基反力法(m法)仅适用于正常使用时桥梁桩基础变位较小的情况,但在强震作用下基础的变位较大。为了研究桩基础在地基土及桩身进入非线性状态下的水平承载能力及变形特性,通过群桩基础缩尺比例模型,采用拟静力试验研究桩基础的破坏机制、承载能力、变形性能以及滞回特性。提出水平荷载作用下群桩基础的非线性静力计算模型,在该模型中采用分布PMM塑性铰模拟变轴力作用下桩身的弹塑性,采用美国API规范给出的p-y曲线、t-z曲线以及q-z曲线模拟地基土的非线性(其中,p为桩侧土水平抗力,y为水平位移,t为桩周土竖向摩阻力,q为桩端土竖向抗力,z为桩土竖向相对位移)。研究结果表明：(1) 本文提出的分析模型与模型试验结果吻合较好;(2) 可采用Clough退化双线性模型模拟桩基础的滞回特性;(3) 桩身受力薄弱部位在桩顶以下0～4倍桩径范围内。研究结果可为应用能力谱法评价桩基础的抗震性能提供参考。     

软黏土中水平受荷桩的静力和循环p–y曲线

首先介绍了构建软黏土中水平受荷桩静力p–y曲线的拟三维分析方法,该方法基于考虑土体特性的二维弹性虚拟加载上限方法和改进的三维极限承载力剖面。基于水平受荷桩的静力p–y曲线,引入土体不排水抗剪强度和塑性累积位移间的关系和Masing准则,建立了水平受荷桩的循环p–y曲线。采用考虑土体应力–应变关系及强度衰减的p–y曲线分析离心机模型试验,计算结果表明本文方法可较好地模拟黏土中水平受荷桩的静力及循环承载特性。经试验标定土性相关参数后,本文循环p–y曲线在不同循环荷载幅值下获得的桩顶荷载–位移滞回曲线及相应桩顶荷载衰减曲线均与离心试验结果基本吻合。     

砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验

大直径桩基在海洋工程中已越来越广泛应用。针对目前API规范p-y曲线对水平受荷大直径单桩的不适用性,通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性,分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p-y曲线。在修正p-y曲线初始刚度的基础上,采用双曲线型p-y曲线分析了水平受荷大直径单桩的内力和变形。揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性,试验结果显示桩身变形和最大弯矩近似与循环次数的对数线性相关。最后,由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p-y曲线,提出了循环应力比相关的p-y曲线循环弱化因子,以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。     

受水平循环荷载影响的斜桩p-y曲线构建及应用

p-y曲线法是分析水平受荷桩基承载变形特性的主要方法,利用p-y曲线法的关键在于构建合理的p-y曲线。在砂土地基中开展了2组共10根水平受荷斜桩模型试验,其中2根斜桩仅分级施加了水平静力荷载,其余8根斜桩先施加了不同幅值的单向水平循环荷载,然后再分级施加水平静力荷载。试验测试了10根斜桩的砂面处桩身横向位移及桩身应变,根据桩身应变计算得到了桩身弯矩,在此基础上根据Euler-Bernoulli梁理论得到了桩侧土抗力及相应的桩身水平位移,构建了承受水平单向循环荷载后再承受水平静力荷载时斜桩的双曲线型p-y曲线,并给出了斜桩初始地基反力模量及桩侧极限土抗力的确定方法。用上述构建的双曲线型p-y曲线计算了本文模型试验及文献中模型试验斜桩的响应,发现利用所构建的p-y曲线得到的计算结果与实测结果整体上吻合较好,说明本文构建的双曲线型p-y曲线是合理可行的。最后利用p-y曲线计算了承受单向水平循环荷载后再承受水平静力荷载斜桩的桩身位移及桩身内力,计算结果表明:(1)相对于斜桩桩顶自由,桩顶固支能有效地减小斜桩的桩身横向位移、桩身弯矩及剪力;(2)在单向水平循环荷载作用下,正斜桩桩顶横向位移、 桩身最大弯矩及剪力均小于负斜桩;(3)无论是正斜桩还是负斜桩,桩顶横向位移、桩身剪力随着抗弯刚度增加而减小,而桩身最大弯矩随着抗弯刚度增加而增加。     

砂土中水平受荷斜桩的p-y曲线及其应用

为获得水平受荷斜桩的p-y曲线,在中密干砂中开展4根斜桩及1根直桩的模型试验,对试验结果拟合得到模型桩桩侧土反力及桩身横向位移之间的p-y曲线。通过三轴试验得到砂土的(35)?-?曲线。将模型桩的p-y曲线及砂土的(35)?-?曲线无量纲化并建立二者之间的关系,在此基础上建立砂土中水平受荷斜桩的p-y曲线,并给出相关参数的确定方法。分析表明,基于p-y曲线的计算结果与模型试验及文献中的离心模型试验结果吻合较好,这说明所建立的p-y曲线是合理的,能反应斜桩与桩侧土之间复杂的挤压、剪切相互作用。最后,应用p-y曲线对影响水平受荷斜桩性状的因素进行分析。结果表明,与桩顶自由时相比,斜桩桩顶固支可以有效减小桩身位移和桩身最大弯矩。斜桩桩顶竖向荷载的存在减小了负斜桩的横向位移和最大弯矩,而增大了正斜桩和直桩的横向位移和最大弯矩。桩身刚度较小时,增大桩身刚度可以有效减小斜桩桩顶横向位移和桩身最大弯矩。     

水平荷载单桩计算的非线性地基反力法研究

为提高桩身变形较大时水平荷载单桩设计计算水平,基于地基反力法提出了考虑极限土反力和地基反力系数一般形式的桩身的变形和内力的计算方法。对于土为塑性和弹性状态对应的桩段分别求得到了桩身响应的解析解和半解析解,并用Fortran语言编制了计算程序。计算结果分析表明：桩的位移和弯矩均随荷载的增加而大幅度增大;桩顶的约束条件对位移和弯矩沿桩身的分布影响很大;当桩长超过临界值时,继续增加桩长对桩的响应影响极小,且临界桩长基本不受荷载和桩顶约束条件的影响;桩的最大位移和最大弯矩随桩周土的物理力学性质的改善而明显减小;最大位移随桩的抗弯刚度的增加而减小,而最大弯矩受抗弯刚度的影响很小;计算值与现场试验的实测值吻合较好,本文解是可靠的。     

水平受荷大直径单桩基础位移及内力研究

目前,海上风机多以大直径单桩基础作为主要基础形式。文中通过模型试验对水平循环荷载下大直径单桩基础风机进行研究,分析了桩基形式、加载次数和循环荷载比对风机累积位移和桩身弯矩的影响,建立了塔顶位移变化关系式,确定了最大弯矩值的相对位置,并作出了桩周土抗力的变化曲线,对类似项目的研究有一定的参考价值。     

基于CPTU测试太湖软土地层单桩水平承载实用分析及案例研究

太湖软土地层广泛分布有较厚的淤泥质粉质黏土层,该淤泥质软弱夹层含水率高、压缩性大,呈流塑态,工程性质极差。以毗邻太湖苏州文博中心桩基建设项目为依托,基于现场试桩试验和CPTU测试p–y曲线法,研究了太湖软土地层超长灌注桩的水平承载特性,明确了淤泥质软弱夹层厚度对单桩水平承载性状的影响规律。案例分析表明:基于CPTU测试单桩水平承载数值计算结果与试桩试验结果吻合较好,桩基承载性状匹配一致;受淤泥质软弱夹层的影响,太湖软土地层水平受荷桩荷载传递深度较深,桩顶水平荷载的影响深度超过20 m;淤泥质软弱夹层的厚度既改变了桩身截面最大弯矩值又影响了截面最大弯矩及弯矩零点的发生位置;在软弱夹层普遍分布厚度0.5~6.0 m范围内,随夹层厚度的增加,软弱夹层变化带来的桩顶水平变位及桩身弯矩递增效应逐渐降低。以上研究成果可为软土地层桩基水平承载设计实践提供技术支撑。     

软黏土中劲性复合桩水平承载特性p–y曲线研究

劲性复合桩(SC桩)是一种将高强度混凝土桩与水泥土桩相结合的新型桩基。为研究软黏土中SC桩水平承载力理论计算方法,将水泥土视为硬黏土,基于现有软黏土和硬黏土中桩基的p–y曲线形式,考虑水平荷载作用下桩周水泥土和软黏土的土抗力分担比例,推导了p–y曲线中两个重要参数p_u和y_(50)的修正因子,进而建立了软黏土中SC桩水平承载特性p–y曲线计算方法。通过与3个现场试验的实测结果的对比分析,验证所建立的p–y曲线法的准确性与可靠性,继而开展SC桩水平受荷性能影响因素分析。结果表明:所建立的理论计算方法可以有效预测SC桩的水平承载特性,且当桩身变形较大时应考虑混凝土芯桩的非线性影响。水泥土桩桩径(D)对SC桩水平承载性能影响显著,当水泥土桩与混凝土芯桩的桩径比(D/d)从1.0增至3.0时,120 kN水平荷载下的桩头位移从25.8 mm减至5.1 mm,且桩身最大弯矩值减小51.0%;桩身水平承载性能受水泥土桩桩长(L)的影响较大,但当长径比(L/d)超过10后,桩身内力位移趋于稳定值;适当地增加水泥土桩强度与混凝土芯桩弹性模量也可提高SC桩的水平承载性能。     

水平荷载下挤扩支盘桩群桩受力特性分析

利用三维弹塑性有限元模型,对水平荷载作用下挤扩支盘桩群桩受力特性进行分析,得出各桩弯矩以及桩土相对位移的变化规律及不同位置、不同荷载作用、不同土体深度时桩周土反力的变化曲线。分析表明:桩弯矩在支盘处因支盘的影响而发生突变,支盘下桩体的弯矩大大减小;后排桩后土体相对位移大于前排桩后土体相对位移;桩基主要通过其桩前土体的作用来抵抗水平荷载,桩前土体最大反力值出现在第一个支盘的端部,支盘对其下一段范围内土体起到"减载"作用。     

复杂结构–桩–土体系下的桩–土动力p–y曲线

以天津站交通枢纽工程为背景,开展了复杂结构–桩–土相互作用振动台模型试验,研究了桩土相互作用的动力特性。运用弹性地基梁理论,得出弯矩时程和土压力,采用实测桩的加速度值积分求得桩的位移,得到桩–土动力 p – y 曲线,求出了不同深度及不同时间段阻尼与弹簧刚度系数分布规律。研究表明：受底部筏板的影响,阻尼与土弹簧刚度沿桩身分布可近似考虑成分段线性,分段点约在桩身上部 1/3 范围处。阻尼与弹簧刚度均随埋深的增加而增大;随着地震动的持续,阻尼基本稳定,只在桩底略有增大;弹簧刚度随振动时间持续有所降低,且随埋深增大,其降低的幅度越大。     

沉桩对邻近既有桩内力变形的影响分析北大核心

基于布辛奈斯克位移解与p-y曲线法,求解沉桩引起的自由土体水平位移并建立了单桩水平位移控制方程,采用两阶段法研究了沉桩引起的既有桩响应,分析了既有桩桩顶约束条件、桩身刚度及土体强度对既有桩性状的影响。研究表明,沉桩初始阶段在邻近既有桩中产生较大的桩身弯矩,沉桩深度增大时,既有桩桩身弯矩减小。既有桩桩顶约束条件对桩身性状有明显影响。土体强度增大时,既有桩桩身弯矩与变形均增大。既有桩桩身刚度增大时,桩身位移减小,桩身弯矩增大。