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。     

海洋高桩基础水平大变位性状模型试验研究

利用浙江大学自行研制的大型地基与边坡工程模型试验系统开展了单桩基础水平大变位的大比例模型试验,获得了桩身屈服前后不同深度的桩身位移和桩身弯矩。通过建立桩身位移、弯矩及桩周土反力三者之间相互推导的有效途径,研究了桩周土p–y曲线沿深度的分布特性,发现传统Reese法和API法p–y曲线具有偏大的初始刚度及偏小的极限土抗力。在拟合桩周土反力试验值的基础上,提出了计算桩基水平大变位的双曲线型p–y曲线模型。     

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。     

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y₅₀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。     

地震弱化土石混合体地基单桩p-y曲线

为研究不同强度地震作用下土石混合体地基中的桩-土相互作用力学行为，文中以白鹤滩水电站库区某高桩码头建设工程为背景，根据现场试验获得的土体参数建立了桩-土相互作用有限元模型。通过数值模拟分析，研究了土石混合体地基中桩周水平土抗力与桩身水平位移之间的关系，分析了土体等效动剪切模量对p-y曲线初始刚度和桩周极限土抗力的影响。利用Davidenkov函数，引入等效地基模量，建立了地震弱化土石混合体地基的单桩p-y曲线模型。将文中模型的计算结果与有限元数值模拟和现场试验结果进行了比较，表明模型能够有效模拟不同强度地震作用下土石混合体地基的p-y关系，从而验证了模型的合理性。     

基于土压力的桩土相互作用分析方法

地面堆栽引起地基软土侧移,导致邻近建筑桩基产生变形.采用两阶段分析方法,提出了堆载与邻近桩基相互作用的弹塑性解.首先通过解析方法或实测数据求得堆载引起的作用于桩上的土压力,然后基于地基反力法,通过设置由弹簧和滑块组成的界面单元来模拟被动桩土之间的相互作用.用弹性模量模拟弹簧的作用,其值可根据p-y曲线确定,同时引入统一极限抗力来考虑滑块的作用.当土体处于弹性状态时,桩土变形协调,滑块不发生作用;当土体作用达到极限抗力时,土体发生塑性变形,滑块承受极限抗力并发生塑性滑动.将该计算结果与有限元解答和现场试验的结果进行对比,验证了该方法的合理性和实用性.     

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。     

砂土液化分析方法对连续梁桥地震响应的影响对比研究

为了研究液化场地下桩-土共同作用对连续梁桥地震响应的影响,基于McGann指数衰减函数,提出了修正p-y曲线法模拟砂土液化效应。以某三跨连续梁桥为工程背景,对比研究了墩底固结法、土弹簧法、m法以及修正p-y曲线法对桥梁地震响应的影响,并对液化层厚度和埋深进行了参数分析。研究表明:墩底固结法和土弹簧法大大高估了液化场地下桩基的刚度,导致桥梁内力响应偏大;采用修正p-y曲线法得到的桥梁内力响应最小,但主梁位移却远大于其余三种方法,说明砂土液化对桥梁最不利的影响在于过大的位移;随着液化层厚度的增大,桥梁内力响应先下降后趋于稳定;液化层埋深的变化对桥梁内力响应的影响较小;m法得到的桩顶附近内力远大于p-y曲线法,而在桩身中部则明显低于p-y曲线法,因此按照m法进行桩身配筋时可能导致桩顶偏保守,桩身中部偏不安全。     

液化土层中桩基抗震性能振动台试验研究

通过振动台试验,研究了饱和砂土中桩基的振动特性,对桩土振动过程中的动力相互作用有了初步的认识。根据试验结果,做出了砂土液化后,距模型桩不同位置处的砂土的动力p-y曲线与API推荐做法得到的静力p-y曲线,并对两者进行了比较,说明了饱和砂土液化降低了模型桩的横向承载能力,但并没有使模型桩的横向承载能力完全丧失。提示工程设计人员在对可液化砂层的横向承载能力进行考虑时,完全不考虑可液化砂层的横向承载能力是保守的。     

软基处理对桩基水平承载力提高的影响研究

工程实践证明软土地基加固处理后桩基水平承载力提高显著,但如何在工程前期合理预估其提高值仍需深入研究;基于此,文中参考港口工程桩基规范建立了简化p-y法模型,推导了桩侧土极限水平土抗力P_u=m(x+x₀)ⁿ幂函数关系曲线,建立了桩身平衡微分方程,并利用常微分方程的级数解理论建立了水平受荷桩解析解,解决了港口工程桩基规范中p-y法计算困难的问题,且便于工程师实际应用。最后通过依托工程现场试桩试验,利用新推求的桩基水平承载力计算公式,分别对软土地基真空预压处理前、后的桩基水平承载力对比分析,认为软土地基真空预压处理后桩基水平承载力由51.6 kN提高至121 kN,并通过现场桩基检测成果对比验证其合理性,为类似工程提供技术参考。     

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。     

弱化饱和砂土中桩的p–y曲线与极限抗力研究

利用给土层施加反压的方法控制饱和砂土中的超孔隙水压力,以此模拟饱和土层液化过程中具有一定残余孔压时的弱化状态。进而对不同弱化状态饱和砂土与桩的相互作用进行模型试验,研究p–y关系与水平极限抗力随饱和砂土中残余孔压增加时的变化规律。结果表明:对于相对密度为30%的饱和砂土,随土层中残余孔压增加,同一水平位移下桩受到的土层抗力逐渐降低;如果土层中无残余孔压,桩的水平极限抗力实测结果与理论计算结果接近;当土层中的残余孔压分别达到土层上覆有效压力的0.25,0.5,0.75倍时,桩的水平极限抗力分别降低30%,55%与80%;土层液化后,桩的水平极限抗力大约降低90%,这点与已有的振动台及离心模型试验结果基本一致。     

桩-液化土相互作用p-y曲线修正计算方法研究

利用大型振动台桩–土–承台试验,以API规范为基础,提出可液化土层中桩基动力p–y曲线双参数修正方法及修正计算公式,解决目前API规范折减系数法计算可液化土层中桩基动力p–y曲线不符合实际、工程设计上难以接受的问题。采用4种不同密度可液化砂土层等幅波振动台试验,以砂土密度作为主要控制因素,对API规范计算公式中土体初始模量和极限土阻力这两个参数进行修正,提出修正系数。采用地震波输入大型振动台桩–液化土–承台相互作用试验进行验证,结果表明所提修正公式与试验结果较为符合。修正公式保留了API规范的基本模式,修正系数表达简单明了,物理含义明确,具备工程应用前景。     

基坑开挖与邻近桩基相互作用的弹塑性解

基于弹性理论法和p–y曲线法,通过桩土间设置的界面滑块和土体统一极限抗力来考虑土体塑性屈服,提出了基坑开挖对邻近桩基影响的弹塑性解。其基本思想是将桩基视为一维杆系结构,其和周围土体的相互作用通过设置的由弹簧和滑块构成的界面单元实现。当土体处于弹性状态时,桩土变形协调,滑块不发生作用;当土体应力达到极限抗力时,土体发生塑性变形,滑块承受极限抗力并发生塑性滑动。计算中,土体弹性模量随土体位移变化,即桩土之间非线性关系,其值可通过各土层处p–y曲线确定。实例分析表明,该方法计算结果合理可行,能够较为有效的分析基坑开挖对邻近桩基的影响。     

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。     

考虑波动效应的SH简谐地震波作用下单桩水平振动研究

借助于土体的一维波动模型求解了SH简谐地震波作用下土层的水平振动,从三维轴对模型出发考虑桩周土的水平波动效应,通过引入势函数并运用分离变量法在考虑桩–土相互作用的情况下求解了SH简谐地震波作用下由于桩土相互作用引起的土层的径向位移、水平位移以及土体对桩基的水平作用力,并在此基础上建立了SH简谐地震波作用下桩基的水平振动方程,借助于三角函数的正交性和桩–土接触面处的连续条件求得了桩基的水平位移。借助于放大因子的概念研究了SH简谐地震波对桩顶水平位移的影响。研究表明：SH简谐地震波作用下桩基的动力响应存在有共振现象;放大因子随频率的变化曲线存在3个峰值,前两个峰值相对较大;当桩土模量比较大时桩土模量比对放大因子几乎没有影响。     

地震地区高速铁路桩基础设计考虑

主要说明台湾高速铁路工程南部段自里程TK188至TK343长约155km松软冲积层中桩基础设计中几个需详细考虑的因素特殊地盘效应、群桩效应、桩帽侧向阻抗及土壤液化地层滑移等。同时利用前期桩载重试验结果探讨桩身向上土壤抗拉拔力与桩身向下土壤正摩擦力的比例。基本上桩基础分析属土壤与基桩互制的行为分析,本文也说明由试验结果所得到的土壤p-y,t-z及q-w曲线如何应用于桩基础设计及分析土壤弹簧对桩基础及桥柱设计的敏感度,以便将设计分析经验供今后类似工程参考。     

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。