水平荷载桩桩土共同作用全过程分析

在桩基础的分析中,对水平荷载桩的计算长期限于弹性,而只考虑桩周土体的非线性。本文在考虑钢筋混凝土桩非线性损伤的情况下建立了一种空间耦合数值计算模型,并编制了相应的计算程序。通过算例分析证明了所设计的计算程序是合理的和可行的。本文方法可以模拟计算桩身混凝土损伤引起的刚度降低和桩周土体不同应变软化模式对桩身水平位移的影响,与传统的或规范意义下的分析方法相比具有机理分析清楚,物理意义更加明确的优点。     

水平荷载作用下钢筋混凝土桩的损伤断裂研究及其桩土共同作用全过程分析

在分析研究国内外有关水平荷载桩桩土共同作用分析方法以及研究状况的基础上,对桩身混凝土的损伤与断裂以及钢筋对混凝土损伤断裂微裂纹扩展的约束影响进行了深入地研究;建立了在水平荷载作用下桩土体系共同作用下非线性全过程分析的耦合数值模型.(1)分别用有效应力和应变表示的损伤演化规律对圆截面混凝土桩的抗弯损伤进行了分析和推导,得出了桩的破坏极限弯矩的表达式.(2)提出了混凝土损伤变量的新的定义形式,并将损伤分析与断裂力学分析联系起来;首次运用裂纹线场分析方法对混凝土中的微裂纹进行了分析;得出了裂纹线上损伤断裂区无量纲长度与无量纲拉伸应力之间的关系、不同微裂纹间距所对应的最大荷载以及混凝土桩抗弯的损伤演化方程;分析了混凝土内微裂纹密度变化对混凝土损伤断裂的影响,并对混凝土桩的抗裂度计算进行了讨论.(3)分别采用裂纹线场分析方法和应力强度因子分析方法研究了混凝土桩中配置钢筋对混凝土裂纹扩展的约束作用,其中首次推得了有限宽混凝土板中心裂纹在裂纹面任意位置受一对拉力的应力强度因子解析表达式;得出了约束效果与钢筋截面积、钢筋弹性模量、混凝土弹性模量、钢筋间距大小和初始微裂纹长度等有关的解析表达式;分析了钢筋对混凝土裂纹扩展的止裂作用.(4)利用截面条分法对圆截面钢筋混凝土桩进行数值计算,得出了在不同截面配筋率和不同损伤模式下钢筋混凝土桩的弯矩-曲率关系和桩身刚度随弯矩增大而减小的非线性全过程曲线.(5)建立了一种空间的20节点有限元、12节点无限元及16节点接触面单元相耦合的数值计算模型,针对水平荷载作用的桩土体系编制了相应的包括3种材料和4种非线性本构关系融为一体的耦合数值模型计算程序,可以模拟计算桩身混凝土损伤断裂引起的刚度降低和桩周土体不同应变软化模式对桩身水平位移的影响.(6)利用所编制的程序,对一个水平荷载长桩实例和一个短桩算例进行了计算,得出了不同水平荷载和不同土软化模式下的桩身水平位移曲线、桩身弯矩分布、桩前土抗力与桩后土抗力沿桩长的分布、桩前地面水平位移与竖向隆起位移沿桩径向远方的衰减曲线、桩后土体与桩分离随水平荷载的关系等结果,并据此分析了桩土体系受荷全过程的机理以及破坏规律.(7)对桩基规范常取桩的地面水平位移为10或6mm所对应的水平荷载作为桩的水平承载力的情况与本文水平荷载桩的全过程计算结果的比较分析表明桩身水平位移取值对桩的水平承载力影响是敏感的.     

对“水平荷载桩桩土共同作用全过程分析”讨论的答复

笔者的论文“水平荷载桩桩土共同作用全过程分析”(以下简称原文 )引起了吴恒立教授的关注 ,笔者感到很高兴 ,对吴恒立教授提出的问题答复如下 :　　 (1)原文的研究主要基于以下原因[1 ] :①水平荷载作用下钢筋混凝土桩与土的共同作用研究长期限于弹性范围 ,即或考虑了桩侧土的非线性抗力表现 ,桩身依然为弹性 (例如 ,弹性地基反力法 ) ,桩土接触界面基本上未专门研究。事实上 ,桩身、桩土界面及桩侧土在较大变形下均呈现明显的非线性 ,由于现行规范对桩承受水平力有较严格的限制[2 ] ,采用上述弹性分析可以基本满足工程要求 ,而深入的全过程分析由于其复杂性和计算手段的困难长期未有显著推进。②大型     

关于“水平荷载桩桩土共同作用全过程分析”的讨论

 《岩土工程学报》2 0 0 1年第 4期发表的“水平荷载桩桩土共同作用全过程分析”(以下简称原文 ) [1 ] ,考虑钢筋砼桩的非线性损伤 ,对桩土体系共同作用进行了全过程的模拟计算和分析。但其结果看来还不够完整 ,现讨论如下 : (1)原文依托的实例分析是扶余松花江大桥 #1Ｖ试桩(1973 ) ,分析得到的桩的刚度 -弯矩全过程曲线示于原文图 4,在弯矩≤ 75 0ｋＮ·ｍ时 ,刚度 ＥＩ=7ＧＮ·ｍ2 ,而弯矩 =(760～3 0 0 0 )ｋＮ·ｍ时 ,ＥＩ下降到 (2～ 1)ＧＮ·ｍ2 。扶余 #1Ｖ桩的实际桩身刚度ＥｐＩｐ ≈ 6.3ＧＮ·ｍ2 ,试验时做了Ｑ0 =3 0 0 ,4     

对“水平荷载桩桩土共同作用过程分析”讨论的答复

《岩土工程学报》2 0 0 1年第 4期发表的“水平荷载桩桩土共同作用全过程分析”(以下简称原文 ) [1 ] ,考虑钢筋砼桩的非线性损伤 ,对桩土体系共同作用进行了全过程的模拟计算和分析。但其结果看来还不够完整 ,现讨论如下 : (1)原文依托的实例分析是扶余松花江大桥 #1Ｖ试桩(1973 ) ,分析得到的桩的刚度 -弯矩全过程曲线示于原文图 4,在弯矩≤ 75 0ｋＮ·ｍ时 ,刚度 ＥＩ=7ＧＮ·ｍ2 ,而弯矩 =(760～3 0 0 0 )ｋＮ·ｍ时 ,ＥＩ下降到 (2～ 1)ＧＮ·ｍ2 。扶余 #1Ｖ桩的实际桩身刚度ＥｐＩｐ ≈ 6.3ＧＮ·ｍ2 ,试验时做了Ｑ0 =3 0 0 ,40 0 ,5…     

水平荷载下桩筏基础与地基共同作用分析

把有限层法和桩基规范中的m法相结合，建立了能够考虑群桩效应和群桩中各桩荷载分担比以及地基成层非均质性的桩筏基础与地基共同作用的三维数值分析模型。用数值计算方法对水平荷载的分配问题进行了量化研究。通过对计算结果的分析对比，验证了该模型是合理可靠的。     

水平荷载下群桩前后土抗力分布的数值分析

群桩基础是土木工程中主要的基础形式之一，利用由竖直桩组成的群桩基础来承受水平荷载已经十分广泛，桩前桩后土抗力分布特性是水平荷载下群桩受力变形特性的一个重要组成部分，过去的研究主要是通过实验方法和理论分析来进行的，本文用空间20节点有限元进行近域土和桩的分析，对远域土采用空间12点节无限单元，在桩土接融面引入空间16节点接触面单元，从而用有限元－接触面单元－无限元的耦和方法将群桩和土体作为一个整体进行弹塑性分析，分析中用修正剑桥模型进行近域土体的模拟，对桩土接触面及远域上体进行非线性分析，分析结果表明，本文的分析能较好的揭示水平荷载下群桩桩前、桩后土抗力的分布特征。     

分层土体中群桩复合地基水平荷载作用下的变形性状

采用有限元方法,对复合地基中的群桩在不同土体分层状况下受水平荷载作用的变形情况进行三维有限元分析。通过比较不同层的材料特性、桩长、桩径下受水平荷载作用的最不利位置桩体轴向应变的性状,得到复合地基中桩体的断桩点随土体分层状况改变而变化的规律。     

水平荷载作用下分层土体群桩复合地基中圆桩与方桩的变形性状

为了在复合地基理论与工程应用中合理地选用桩截面,分别对分层土体群桩复合地基中的圆截面桩与方截面桩在水平荷载作用下的变形性状进行了有限单元法的三维弹性分析,得到了圆截面桩与方截面桩在不同土层材料特性下出现最大应变的位置及其轴向应变性状,以及桩体的断桩点随土体分层状况改变而变化的规律.对计算结果的比较表明,圆截面桩的最大应变均比方截面桩的最大应变大,从而判断出在桩体横截面面积相等的条件下圆截面桩承载力比方截面桩承载力小许多.     

横向荷载下群桩相互作用的积分方程解法及参数分析

针对横向受荷桩的相互作用问题,将桩土体系分解为弹性半空间地基土和虚拟桩,基于水平位移协调条件建立两桩相互作用的第二类 Fredholm 积分方程,采用 MATLAB 软件编制程序进行求解。基于 Chen 等提出的横向受荷桩相互作用系数解法,得到了桩顶转角固定条件下水平受荷桩的积分方程解答,与已有算例的对比验证了本文算法的正确性。参数分析表明,固定转角约束条件下两桩的水平位移相互作用系数随着桩间距和荷载方向夹角的增加而减小,随着桩土模量比的增加而增加。基于相互作用系数解法,该方法可应用于转角固定的水平受荷群桩分析。     

水平荷载作用下单桩的虚拟桩解法及参数

根据MukiSternberg的虚拟桩方法,将水平荷载作用下单桩的问题分解为弹性半空间扩展土和一根虚拟桩的叠加,其中虚拟桩的弹性模量等于桩的弹性模量与土的弹性模量之差。基于水平位移协调条件推导出求解桩土间相互作用所需要的第二类Fredholm积分方程,通过广义胡可定律推导出该积分方程间断点的显式解,从而提高了Fredholm积分方程的数值计算精度并简化了计算程序的编写,根据Mindlin解推导出位移影响函数,简化了位移函数的推导过程。参数分析表明,桩土弹性模量比对单位水平力作用下桩身最大弯矩的位置有明显的影响,随着桩刚度的增加,桩身最大弯矩的位置随之加深。     

对"水平荷载桩桩土共同作用全过程分析"讨论的答复

《岩土工程学报》2001年第4期发表的"水平荷载桩桩土共同作用全过程分析"(以下简称原文)[1],考虑钢筋砼桩的非线性损伤,对桩土体系共同作用进行了全过程的模拟计算和分析.但其结果看来还不够完整,现讨论如下:     

双参数地基推力长桩的有限差分解

针对Winkler地基模型的不足,采用考虑剪力的双参数地基模型,建立该模型下的平衡微分方程,获得推力长桩内力和位移计算的有限差分解,编制相应的计算机程序.实例计算结果表明,本文提出的方法更符合土的受力变形特性,原理简单,分析过程简明易懂,便于编程,可以获得高精度的数值解,可有效地提高现有推力桩的设计计算水平.     

被动桩土拱效应与影响因素细观研究

采用室内模型试验与颗粒流(PFC2D)数值模拟相结合的方法,对被动桩在砂土中土拱形成机理进行了较系统和深入的研究。研究表明,拱效应是多种因素的组合;桩间距、砂土颗粒孔隙率和桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;桩间距小、孔隙率小、桩土接触面粗糙或密实度大的土体,易形成土拱;土拱并不是一成不变的,随着颗粒排列调整,可能在此过程中破坏或重新形成。     

基于桩-土界面脱开效应及摩阻力增强效应影响的水平荷载作用下桩受力机理研究

为研究桩侧摩阻力和桩端阻力对水平受荷桩承载性能的影响,在考虑桩侧变法向土抗力作用的基础上分别提出桩-土界面的摩阻力增强效应模型与脱开效应模型。以此为基础,分别推导得出桩竖向侧摩阻力作用下单位长度桩身抗力矩的数值解与简化公式;在双曲线型的桩端阻力-位移模型及摩阻力增强效应基础上,进一步推导得到基底水平阻力与基底抗力矩的数值解和简化公式。并将单位长度桩身抗力矩、基底抗力矩以及基底水平阻力分别代入四弹簧Winkler地基梁模型,采用传递矩阵法得到桩身响应解。通过多组算例对比分析,不但验证了所建议的理论公式正确性,也证明了简化公式的适用性。参数影响分析结果表明：桩顶水平变形降低幅度随着柔性系数的增加、长径比的减小而提高;同时,随着柔性系数的减小,基底抗力矩和水平阻力对基桩水平承载特性的影响逐渐减弱,当为柔性桩时可忽略不计。     

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。     

水平荷载单桩计算的综合刚度和双参数法杆系有限元数值解

 为提高水平荷载单桩设计计算的准确度和效率,建立基于综合刚度和双参数法原理的杆系有限元数值解。同时,从理论和对静载试验实例的分析上,指出我国现行规范建议的水平荷载桩设计计算m法存在的缺陷,建议改进方法。本文建立的杆系有限元法不像解析法那样存在参数取值的限制,避免了烦琐的查表计算,且无需对桩端约束条件进行假定及区分长桩、短桩和中长桩。实例计算比较表明,当采用与解析法相同的综合刚度和双参数时,杆系有限元解与解析解结果吻合很好,能保证桩顶位移和转角、桩身最大弯矩和及其作用位置与实测结果基本一致;当根据桩长范围内土层变化确定各土层比例系数m,通过若干次试算调整幂指数n和综合刚度EI可获得较解析法更好的计算结果。