基于颗粒离散元的桩侧摩阻力增强效应研究

为从细观层面探讨桩端附近桩侧摩阻力及桩端承力相互增强效应的力学机理,基于颗粒离散元理论,以PFC2D软件为计算平台,对砂土中单桩的整个加载过程进行了数值模拟分析,直观地描述了在桩基加载过程中桩端附近土体颗粒的速度场、位移场、应力场分布,同时记录了不同加载阶段整个桩长范围内土体的孔隙率变化情况,并对桩端土体的挤密作用和成拱作用进行了系统论证;此外,通过分析桩身侧摩阻力分布情况,着重分析了桩径及土体颗粒刚度对侧摩阻力增强效应的影响。结果表明,在加载过程中,桩端承力和桩侧摩阻力的发挥是相互影响、相互关联的;桩端土体的挤密和成拱作用同时影响桩侧摩阻力增强效应的产生;桩长范围内的土拱增强区并不单一存在,而是呈串联状分布,但以桩端附近土拱作用最明显;随着桩径的增大及桩周土颗粒刚度的增大,桩侧摩阻力增强效应也随之增大。     

碎石桩加强软土地基的数值模拟研究

用碎石桩加强软弱土地基是水利工程中最常用的地基改良技术之一,但桩土界面处的显著水力梯度会促使粘土颗粒迁移到碎石桩孔隙中,导致阻塞,进而对软土的固结速率产生不利影响。同时,碎石桩的承载力大小主要取决于周围软土提供的侧向约束,而在深度较浅处所受围压较小,碎石桩可能发生侧向变形进而凸胀破坏。因此,基于快速拉格朗日有限微分数值模型,深入研究了碎石桩加固软土地基的荷载-沉降和固结特性,且分析了阻塞和侧向变形因素的影响。另外,模型还引入了时间变量,探讨了阻塞效应、荷载传递、横向变形随时间变化的特性,计算结果与实际情况有很好的一致性。     

基于PFC~(2D)软件的柿树沟泥石流运动过程数值模拟

为了解泥石流的启动及运动过程,以栾川县柿树沟泥石流堆积体为例,基于堆积体室内大型直剪试验指标,利用PFC2D模拟软件对其启动及运动过程进行仿真数值模拟,分析了不同工况下堆积体的运动速度场、应力场及位移场,研究了崩滑松散碎屑堆积物质启动、形成泥石流的过程和机制。结果表明,强降雨是柿树沟沟内松散堆积体启动形成泥石流的触发因素;中雨工况下,地表径流的冲刷力仅对堆积体表层有影响,但堆积体整体形态基本无变化;暴雨工况下,泥石流沟上游的洪水迫使土石颗粒脱离堆积体表面,后缘表层土体首先开始运动,产生的推挤力不断推动前方堆积土体向前运动,坡面形态发生显著变化;暴雨时间越长,堆积土体的运动速度和位移也越大,最终导致堆积体发生连锁式破坏,形成泥石流。     

软基路堤拓宽对原路堤桩体受力特性的影响

      目的     交通量日趋饱和与建设用地日益紧张促使道路需要进行拓宽改建,为了进一步研究路堤拓宽时的稳定性,对软基路堤拓宽时原路堤下桩体受力特性的变化进行分析。      方法     采用Abaqus对离心机模型验证后,分别建立拓宽路堤与原路堤有限元三维数值模型进行对比分析,研究拓宽路堤自重、不同拓宽路堤土体参数对原路堤下不同位置桩体的受力和变形性状以及破坏模式的影响。      结果     数值仿真结果表明:路堤下各桩对抗滑的贡献不同,接近坡脚的桩主要受弯剪作用,远离坡脚的桩主要受轴力作用;拓宽路堤土体自重使得原路堤下桩体所受弯矩及剪力减小,所受轴力增大,越靠近拓宽路堤的桩受影响越大,原路堤下桩体的位移增大,其中靠近原坡脚处的竖向位移增量最大,横向位移增量最大处位于原路堤中部;拓宽路堤土体重度能显著影响原路堤的竖向位移,而其变形模量和强度参数对原路堤的竖向位移影响不明显;路堤拓宽后在荷载作用下,原路堤下桩体的受力特性较拓宽前会发生改变,潜在破坏模式由弯剪区、压弯区和受压区三个分区变为压弯区和受压区。      结论     所建模型能较好验证离心机试验结果,研究结果能对路堤拓宽的稳定性分析提供指导。     

长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC^3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y(土体抗力-桩基水平位移)曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。     

结构物位移对接触面土体力学特性影响的数值模拟

应用自主研发的试验仪对土与结构物相互作用进行试验,试验时使竖向应力和围压达到要求应力值,研究结构物以恒定速率运动时结构物位移对接触面力学特性的影响,进而利用PFC2D对土与结构物在不同位移下相互作用的试验进行数值模拟,分析了土与结构物相互作用时的剪应力变化和土体变形情况。结果表明,接触面剪应力随结构物位移的增加先快速增加,再逐渐趋缓,最后趋于稳定;结构物的剪切作用对接触面土体的影响尤为明显,对远离接触面的土体影响较小,使接触面处土体颗粒从右侧向左侧运动,导致量测圈1内土体堆积发生剪胀,剪应力值增大至140 kPa,量测圈3内土体疏松发生剪缩,剪应力值减小至35 kPa。     

结构物位移对接触面土体力学特性影响的数值模拟

应用自主研发的试验仪对土与结构物相互作用进行试验,试验时使竖向应力和围压达到要求应力值,研究结构物以恒定速率运动时结构物位移对接触面力学特性的影响,进而利用PFC2D对土与结构物在不同位移下相互作用的试验进行数值模拟,分析了土与结构物相互作用时的剪应力变化和土体变形情况。结果表明,接触面剪应力随结构物位移的增加先快速增加,再逐渐趋缓,最后趋于稳定;结构物的剪切作用对接触面土体的影响尤为明显,对远离接触面的土体影响较小,使接触面处土体颗粒从右侧向左侧运动,导致量测圈1内土体堆积发生剪胀,剪应力值增大至140kPa,量测圈3内土体疏松发生剪缩,剪应力值减小至35kPa。     

复合地基桩体向下卧层刺入量模型试验研究

为了解具有软弱下卧层复合地基的作用机理,掌握桩端处柱土的荷载分扭及桩体刺入下卧层的规律,做了不同工况下的复合地基模型试验.试验结果对复合地基沉降理论研究提供了依据及数据支持,对其设计有一定指导作用.     

打桩过程中已打入桩对软土变形的遮拦效应研究

基于理论分析结果及有限元数值模拟,分析了打桩过程中软土中已打入桩对水平位移及地表隆起的遮拦作用.结果表明,对相对均质的土层,已打入桩对水平位移的遮拦作用很小.桩距变小,将使已打入桩桩体受力增大而引起已打入桩偏位的增大.打入桩间隔期较短时,已打入桩对地表隆起的遮拦作用主要体现在对土体位移的水平阻隔上,土体沿桩土界面发生流动向上隆起.而间隔期较长时,桩土间存在有较大的摩阻力而限制了土体的位移,已打入桩的遮拦作用体现在竖向摩阻力对土体隆起的抑制方面.     

竖向荷载作用下大直径钢管桩尺度对其承载力特性影响

针对我国大型深水港口工程及跨海大桥工程中大直径钢管桩的承载力特性研究较少的问题,以湛江某集装箱码头中的大直径钢管测试桩A为例,通过对数值计算与现场静载试验数据的对比分析,确定了ABAQUS有限元软件对大直径钢管桩承载力数值模拟的有效性,表明该软件能对大直径钢管桩承载力特性进行定性和定量分析,继而分析了竖向荷载作用下大直径钢管桩尺度（桩径和桩长）对其承载力特性的影响。结果表明,随钢管桩桩径的增大,其极限承载力和桩侧摩阻力随之提高,桩端阻力随之减小,桩端沉降与桩顶沉降之比亦逐渐减小;随桩长的增加,钢管桩的极限承载力和桩侧摩阻力均显著提高,但桩端阻力与桩顶荷载之比逐渐减小,因此在设计中应选取合适的桩长并以桩身变形作为控制参数。     

输电塔角钢斜插式基础抗倾覆稳定性数值模拟分析

为了解不同深宽比的输电塔角钢斜插式基础在上拔力与水平力组合荷载作用下的位移趋势及土体塑性区扩展的过程,以及深宽比对基础抗倾覆稳定性的影响,采用数值模拟方法进行计算。结果表明,对角钢插入式基础整体倾覆过程进行数值模拟分析时,可将基础周围土体出现部分塑性屈服时作为失稳的临界时刻。上拔力与水平力组合荷载作用下土体塑性区皆出现在基础底板的一角,地基破裂面具有不对称性,可采用置换基础底板角点土体的地基改良方法来提高桩土体系抗倾覆承载力。适当增加基础深宽比,提高基础嵌固程度是提高基础稳定性的有效措施。     

基于多跨连续水闸底板结构的桩基布置方案优化研究

为减少不均匀沉降,提高上部结构整体景观性,上海市某水闸工程拟采用多跨连续整体式底板结构型式。针对多跨连续整体式结构受力机理复杂的特点,基于共同作用原理对均匀桩基布置、不均匀桩基布置等不同桩基布置方案进行Plaxis有限元数值协同分析,研究各方案下底板内力、沉降值情况。结果表明,相比于桩基均匀布置,软土地区多跨连续水闸底板下桩基不均匀布置对控制底板弯矩、减小不均匀沉降更为有利。其中,桩基边侧加密布置方案较桩基均匀布置和墩下桩基集中布置情况更优,底板上部最大弯矩显著降低的同时,桩基受力更为均匀。     

Seismic fragility analysis of 5 MW offshore wind turbine

Considering nonlinear soil–pile interaction, seismic fragility analysis of offshore wind turbine was performed. Interface between ground soils and piles were modeled as nonlinear spring elements. Ground excitation time histories were applied to spring boundaries. Two methods of applying ground motion were compared. Different time histories from free field analysis were applied to each boundary in the first loading plan (A). They were compared with the second loading plan (B) in which the same ground motion is applied to all boundaries. Critical displacement for wind turbine was proposed by using push-over analysis. Both the stress based and the displacement based fragility curves were obtained using dynamic responses for different peak ground accelerations (PGAs). In numerical example, it was shown that seismic responses from loading plan A are bigger than from plan B. It seems that the bigger ground motion at surface can cause less response at wind turbine due to phase difference between ground motions at various soil layers. Finally, it can be concluded that layer by layer ground motions from free field analysis should be used in seismic design of offshore wind turbine.     

纵向水平地震作用下全直桩码头结构Pushover分析

为研究全直桩码头结构的抗震能力,以江苏某全直桩码头结构段为例,采用SAP2000软件对结构进行了纵向静力弹塑性分析,讨论了不同桩基刚度等因素对Pushover分析结果的影响,得到了荷载因子-顶点位移关系曲线、桩身高度-纵向位移曲线、码头结构的屈服次序和位置及桩基内力等规律。结果表明,桩径的增大可提高结构所能承担的极限水平荷载;纵向水平地震作用下桩基以纵向受弯破坏为主,桩基纵向弯矩由海侧向陆侧逐渐增大;塑性铰一般由陆侧向海侧发展,同一排桩沿纵向由一端向另一端发展,同一桩基由底端向顶端发展。     

两段变直径桩的解析分析及工程应用

桩在水平荷载作用下的内力与位移计算,桩基设计规范推荐使用m法。m法的缺点是,当为了显著增大桩的水平承载力而在靠近承台的区域将土进行换填时,该处的土实际的刚度与其假定相距甚远。采用2K法进行水平荷载作用下桩的内力与变形分析,重点把握土的两个侧向弹簧刚度。2K法在工程中的应用是广泛的:承台附近土换填或加固,或将桩顶附近弯矩较大的桩身部分设为更大的直径,上段桩土弹簧刚度将增大,在一定的水平荷载作用下,桩顶位移将减小,桩的水平承载力得到提高而节省工程造价;如果在计算模型中未建立桩单元而欲求得桩顶反力,则采用变直径桩解析分析获得的位移函数和内力函数可计算桩的内力用于配筋;对于箱型基础、大型筏板基础,可较为精确地考虑其对桩顶的嵌固作用而提高桩的水平承载力;上部结构的刚度使得桩顶部有侧向支撑,桩身弯矩变小,也可优化桩基设计;对于桩基上的动力机器和块式基础,可以认为块式或承台是上段大直径桩,由此获得的上段桩侧向土弹簧刚度将非常可观,可用于优化桩基设计。如果考虑将桩建入计算模型,可以通过本方法得出的四个刚度参数输入到弹簧支座刚度矩阵中,能够节省桩建模及其内部单元带来的大自由度,计算模型更容易维护,其这也是一体化建模发展过程中的一个重要里程碑。     

基于复合地基反力法的单柱式海上风力机船舶碰撞研究

采用非线性有限元软件LS-DYNA模拟5 000 t的船舶与3 MW单柱式海上风力机碰撞过程,并采用复合地基反力法描述碰撞过程中土壤与桩相互作用,研究土壤与桩相互作用及船舶碰撞速度对海上风力机碰撞过程的影响,对比分析了碰撞力及海上风力机结构动力响应。研究表明:船舶最大碰撞力随着碰撞角度增大而减小,随着碰撞速度增大而增大;随着船舶碰撞速度增大单柱式海上风力机与船舶碰撞区域塑性变形逐渐增大;船舶碰撞速度增大到3 m/s时,风力机桩底产生塑性变形,继续增大到7 m/s时,风力机桩底产生塑性失效。     

长江下游某通用码头散货泊位PHC-钢管组合桩钢管桩长度确定

针对长江下游地区某物流通用码头散货泊位处水体较深、软土（淤泥质粉质粘土）较厚等不利岩土工程条件,确定采用PHC-钢管组合桩作为地基基础,而确定组合桩中的钢管桩长度部分尤为重要。为此,在考虑土体软化特点、桩土接触关系、桩身沉降等基础上,采用FLAC3D软件构建了PHC-钢管组合桩—土模型,进而计算了6根PHC-钢管组合桩中不同钢管长度时的桩身极限承载力、轴力、侧摩阻力。结果表明,钢管桩较短时,组合桩的极限承载力较高;改变钢管桩长度,使PHC管桩与钢管桩的接桩部位处于粉质粘土、粉细砂层时,轴力与侧摩阻力变化较大;接桩部位位于持力层时,缩短钢管桩长度会降低整桩极限承载力及接桩部位的侧摩阻力。通过对比分析钢管桩对组合桩桩身极限承载力、轴力、侧摩阻力的影响程度,最终确定组合桩中钢管桩长度5 m时为最优选择。     

武汉市软土地区深基坑被动区加固参数优化研究

为研究武汉市软土地区深基坑被动区加固尺寸对支护桩变形的影响,对武汉市某深基坑工程施工监测数据进行分析,采用MIDAS有限元二维数值模拟的方法,重点研究了支护桩水平位移随被动区加固参数的变化规律。与实测值对比分析的结果表明,数值模拟可较好地分析支护桩的实际变形规律;被动区加固可有效减缓支护桩变形;被动区加固深度、宽度都存在一个最优参数,当超出该参数后,加固效果将不再显著提升;被动区阶梯式加固较其他加固形式有明显的优势。     

Soil–structure reliability of offshore wind turbine monopile foundations

An overview of offshore wind turbine (OWT) foundations is presented, focusing primarily on the monopile foundation. The uncertainty in offshore soil conditions as well as random wind and wave loading is currently treated with a deterministic design procedure, though some standards allow engineers to use a probability‐based approach. Laterally loaded monopile foundations are typically designed using the American Petroleum Institute p‐y method, which is problematic for large OWT pile diameters. Probabilistic methods are used to examine the reliability of OWT pile foundations under serviceability limit states using Euler–Bernoulli beam elements in a two‐dimensional pile–spring model, non‐linear with respect to the soil springs. The effects of soil property variation, pile design parameters, loading and large diameters on OWT pile reliability are presented. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.