基于模型试验及耦合数值分析的XCC桩挤土效应研究

针对当前数值模拟方法、理论解答等对异形桩沉桩挤土效应研究的不适应性,通过室内模型试验结合FLAC-PFC耦合数值模拟方法对XCC桩与圆形桩的挤土效应进行比较分析,获取了XCC桩沉桩后桩周土体位移变化模式及XCC桩与圆形桩沉桩挤土效应的异同性。此外,基于修正的圆孔扩张理论,提出了XCC异形桩的沉桩挤土径向位移公式,并结合室内模型试验,证明了修正扩孔理论的准确性和可行性。研究结果表明：(1)XCC桩的沉桩挤土径向位移场可以分为r<1.25D范围内的十字形扩张过渡区、1.25D≤r<2.5D范围内的方形扩张区和r≥2.5D范围内的圆形均匀扩张区;(2)XCC桩的挤土效应大于等截面圆形桩挤土效应,其径向挤土位移约为圆形桩的1.0～1.4倍;(3)XCC异形桩的沉桩挤土径向位移公式为：u_Xr=r_X(θ)[r_X(θ)/(kr)]~(n(θ)),r≤1.6D;u_Xr=u_Xr=1.6D(1.6D/r)ⁿ,r>1.6D。     

基于透明土材料的沉桩过程土体三维变形模型试验研究

为了对沉桩过程中桩周土体内部的变形特性进行非插入式测量,利用正十二烷、十五号白油混合液和玻璃砂合成透明土,并在此基础上设计了沉桩模型试验系统；该系统包括激光器、线性发生器、CCD（charge-coupled device）相机、沉桩加载仪和计算机等。激光经线性发生器转化后将透明土样切分,形成土体内部颗粒切面,CCD相机连续拍摄沉桩过程中该切面的图像,并通过计算机中图像处理软件进行分析,得到该切面变形前后的变形位移场。通过与数值模型的对比分析,验证模型试验结果的可靠性。对多个切面变形前后的位移场进行分析,从而得到沉桩过程中土体变形的完整三维变形场。试验结果表明,试验条件下沉桩水平挤土位移影响范围为8R；与常规模型试验方法相比,方法实现了土体内部变形的三维测量,有助于了解土体在各种荷载条件下的变形机理。     

静压桩在不同沉桩速率下的透明土模型试验研究

静压沉桩过程中沉桩速率决定着桩周土体扰动程度与范围,而目前在静压沉桩中考虑沉桩速率对桩周土体变形影响的研究还较少。基于透明土相似材料和粒子图像测速技术(PIV),开展静压沉桩可视化模型试验研究,分析不同沉桩速率下桩周土体位移场及其演化过程。结果表明：不同沉桩速率下桩周土体位移模式表现出斜向下挤密扩张→侧向挤压→斜向上挤出的动态变化过程;沉桩初期和后期扰动范围发生变化的原因是高速沉桩下桩端下提前产生了高应力区;高速沉桩对桩周土体扰动范围略大于低速沉桩;桩周土体总的运动趋势为向上运动,且沉桩速率越大,距离桩体越近,土体竖向位移量越大。研究成果可为合理设计沉桩速率和保障施工质量与安全提供技术支持。     

基于透明土的XCC桩沉桩挤土效应模型试验及其理论研究

现浇X形桩(以下简称XCC桩)是近几年提出的一种新型异形截面桩,其沉桩挤土效应不同于传统圆形截面桩。针对目前的理论模型和试验技术对于研究异形截面桩沉桩挤土效应的不适用性,提出一种新的异形截面桩沉桩模型试验技术。基于透明土变形可视化技术,分别研究了圆形桩和XCC桩沉桩挤土的位移场变化规律。通过将圆形桩透明土沉桩挤土位移场的结果跟传统的理论模型(圆孔扩张法和应变路径法)进行对比,验证了透明土沉桩模型试验技术的可靠性。随后,开展XCC桩的沉桩挤土试验。进一步地,基于模型试验结果提出一种简单的修正扩孔理论用于计算XCC桩异形桩的沉桩挤土径向位移的分布规律,并将理论计算位移与模型试验测量值进行对比验证修正扩孔理论的合理性。提出的异形桩透明土沉桩模型试验技术以及修正扩孔理论可以作为研究其他如矩形桩、Y形桩、H形桩等异形截面桩的沉桩挤土效应问题的一个基础。     

预制桩沉桩挤土效应及工程防治措施

预制桩沉桩引起的挤土效应对工程建设与周边环境有较大的影响,沉桩挤土效应的研究对防治措施的提出具有较重要的意义.本文对预制桩沉桩方式、工作机理、挤土效应研究现状及关键问题进行了论述,指出了桩基础设计阶段和沉桩施工阶段减少预制桩挤土效应的各种常用工程措施.     

基于Plaxis位移贯入法沉桩挤土过程分析

沉桩挤土效应是岩土工程领域研究的经典和难点问题,如何有效预测和控制沉桩挤土效应,是学者不断探索的课题.以某桩基工程为研究对象,基于Plaxis有限元软件,采用位移贯入法,分析了沉桩挤土过程中土体的水平位移和竖向位移的变化规律,特别分析了淤泥质土的影响,为软土地区桩基工程设计与施工提供了参考.     

沉桩挤土效应的数值模拟

以有限元方法为主要分析手段 ,结合模型试验结果 ,对在软粘土中压入单桩和双桩时的地表隆起、桩周土体侧移、挤土应力及其对周围桩体的影响等挤土效应的变化规律进行了详细研究。     

排水刚性桩沉桩挤土效应的现场试验研究

排水刚性桩是一种将刚性桩与竖向排水体相结合的新桩型。基于江阴一中新建教学楼桩基工程,开展了排水刚性桩与不含排水体的普通刚性桩的沉桩对比现场试验,实时动态监测排水桩与普通桩桩周土体中不同距离及深度处的水平位移、侧向土压力及孔隙水压力的变化情况,研究排水刚性桩的沉桩挤土效应。试验结果表明：排水桩能够减小沉桩过程中桩周土体因桩身挤土而发生的侧向水平位移,在距桩心3倍桩径处,排水桩桩周土体的最大水平位移为普通桩的1/6,在距桩心6倍桩径处,排水桩为普通桩的2/5;排水桩能够大幅降低桩周土体因沉桩挤土而产生的超孔隙水压力,深度15m,距离桩中心2倍桩径处,排水桩的超孔压峰值仅为普通桩的1/4;排水桩能够减少沉桩过程中桩周土体的挤土压力,降低沉桩挤土对桩周原有土压力的影响,在深度15m距桩心2倍桩径处,排水桩的土压力变化的峰值仅为普通桩的1/4。现场试验数据为排水刚性桩的工程应用提供了设计参考依据。     

沉桩挤土对土体强度的影响

1　问题的提出软粘土中的沉桩挤土问题 ,由于土体可压缩性很小 ,因此 ,将沉桩时土体强度问题的讨论重点 ,放在土体各向异性及施工扰动对土体强度的影响上 ;而沉桩挤土后 ,随着孔隙水压力的消散 ,孔隙比及有效应力发生改变 ,此时土的强度也必然发生变化。2　沉桩时土体的强度问题2 .1　各向异性对土体强度的影响各向异性表现在三个方面 ,即土体结构的各向异性、施加应力及边界条件的各向异性 ,以及由于前两者而形成的土的性质的各向异性。结构的各向异性促使粘土在不排水剪切时由于大主应力方向的改变 ,使变形模量 ,孔隙压力反应 ,不排水强度…     

松砂中大型静压沉桩模型试验研究桩基挤土加密效应

通过砂土中的大型沉桩模型试验 ,得出了桩周土体相对密度的变化规律。根据一系列三轴试验 ,研究了砂土因相对密度改变而使其内摩擦角 φ值及邓肯双曲线弹性模型参数变化的情况 ,得到了桩周土体因沉桩引起的 φ的增大规律。利用以上两部分成果 ,结合有限元计算机分析 ,探讨了沉桩挤密效应对桩基轴向工作性状的影响     

基于透明土的管桩贯入特性模型试验研究

由于受土塞效应等因素影响,开口管桩和闭口管桩在贯入过程中的挤土效应存在明显的差异;然而针对该两者贯入特性的研究相对较少。基于透明土和PIV（Particle Image Velocimetry）技术,开发了相应的桩基贯入模型试验系统,用于桩基贯入过程中桩周土体变形的非插入式测量。试验选用的透明土由玻璃砂和具有相同折射率的孔隙液体制成。该试验系统主要包括：线性激光光源、CCD（Charge-Coupled Device）相机、自动沉桩加载仪和计算机控制系统等。激光射入透明土,和透明土之间的相互作用产生了独特的散斑场,通过CCD相机摄取贯入过程中各个时刻散斑场变形的图片,然后通过PIV技术对这些变形前后的图片进行处理,即可得到整个土体位移场。分别进行了开口管桩和闭口管桩的桩基贯入试验,得到了对应的土体位移场,并对桩基贯入引起的桩周土体径向位移试验结果与圆孔扩张法、应变路径法等理论计算结果进行对比分析;研究结果表明,对于闭口管桩,由于竖向位移的影响,试验值比圆孔扩张法结果小,其与应变路径法更为接近;对于开口管桩,由于沉桩过程中土塞作用,试验值比圆孔扩张法大,其影响不可忽略。     

Analytical model for evaluating XCC pile shaft capacity in soft soil by incorporating penetration effects

The derivation of a new analytical model for predicting the soil displacement of X-section cast-in-place concrete (XCC) piles installed vertically into soft clay as well as for predicting limit shaft resistance during loading phases is presented in this paper. The analytical model is formulated by assuming that the XCC pile penetration process is an X-shaped cylindrical cavity expansion process. Based on the theoretical framework of the Strain Path Method (SPM), the strain, displacement and stress induced by X-shaped cavity expansion can be obtained. The proposed analytical model is validated by comparing the degenerate solution of this study with that of conventional circular (cylindrical) cavity expansion theory. Analytical model-based design methods are then proposed for evaluating soil displacement and XCC pile shaft capacity. Theoretical predictions are compared with field test measurements to verify the suitability of the proposed design method. The proposed new analytical model reveals the fundamental penetration mechanics of XCC piles and gives improved design methods for determining XCC pile shaft capacities.     

取土器贯入扰动变形规律透明土试验研究

在岩土工程取样过程中,取土器贯入会引起土样扰动变形,造成土样物理力学性质的改变。为了研究取土器贯入过程中土体扰动变形特性及其影响因素,基于透明土及PIV技术,进行了不同尺寸、不同贯入速率的取土器贯入试验,得到了取土器贯入过程中土体扰动变形场的分布特性及规律。模型试验结果表明:土体扰动变形随着贯入深度增大而增大,管内土体表现为向上的隆起变形,在深度方向最大变形基本位于深度20 mm处;增大取土器内径能有效减小轴线处土体扰动变形,但减小幅度随着内径的增大而减小;增大取土器贯入速率不能有效地减小结构性较弱的砂性土样的扰动变形。     

基于透明土的取土管贯入扰动变形试验研究

在岩土工程勘察取样过程中,取土管的贯入会引起土体的扰动变形,影响到对土体物理力学性质的准确评价。为了研究取土管贯入过程中土体扰动变形特性,基于透明土及PIV技术,开发了相应的取土管贯入模型试验系统,进行了取土管的贯入试验,得到了在取土管贯入过程中土体扰动变形场的分布特性。试验结果表明:土体扰动变形随着取土管贯入深度增大而增大,管外土体主要表现为斜向上的隆起变形;管内土体主要为向上的隆起变形,在深度方向最大变形位于取土管中间部位;不同截面处土体其变形规律基本一致,截面间土体剪切变形较小。     

无砟轨道X形桩–筏复合地基动土压力分布规律试验研究

基于1∶5的轨道–路基–桩筏复合地基模型,采用能够近似模拟列车单个轮轴荷载的正弦波荷载,在砂土地基中通过开展不同激振频率下无砟轨道X形桩–筏复合地基的动力特性模型试验,研究不同激振频率引起的轨道–路基–桩筏复合地基中的速度和动土压力,测得了速度响应、动土压力随深度和激振频率的变化规律。研究结果表明:在路堤横截面方向上,振动响应主要集中在轨道–路基结构中,基床表层中的动土压力在路堤横截面方向呈"W"形分布,地基表面的动土压力呈"U"形分布。基床表层中的动土压力荷载放大系数随激振频率的增加而逐渐增加。相关研究成果可为无砟轨道X形桩–筏复合地基的理论分析与计算以及动力荷载放大系数的确定提供参考依据。     

贯入双层土中的混凝土管桩桩模与土体作用研究

采用ABAQUS有限元法模拟了混凝土管桩桩模贯入试验过程中贯入阻力的变化规律和桩周土体的水平位移,通过试验数据与计算结果的对比,验证了采用有限元法模拟桩模贯入过程的适用性。在此基础上,探讨了桩模贯入深度、上层土体厚度、桩径、土体强度和桩土摩擦系数在桩模贯入过程中,对桩周土体水平位移和桩模贯入阻力的影响。结果表明：桩周土体水平位移与土体径向位置、桩径关系紧密,并得到了桩周土体水平位移与土体径向位置、桩径之间的关系式;上层土体厚度、桩径和桩土摩擦系数对桩模贯入阻力影响较大,总结了桩模贯入阻力与上层土体厚度、桩径和桩土摩擦系数之间的关系式。最后采用土体附加水平应力云图解释了贯入深度对桩周土体水平位移的影响;桩模贯入上软下硬土层时,桩周土体最大水平位移出现在上层软土中,计算结果可为现浇混凝土管桩在施工设计和桩土相互作用分析提供参考依据。     

振动波型对X形桩桩–筏复合地基动力响应影响的模型试验研究

基于大比例模型试验系统,开展砂土地基中现浇X形桩桩–筏复合地基的模型试验研究;分析正弦波与"M"波荷载作用下X形桩桩–筏复合地基的累计沉降、动位移幅值、动刚度、振动速度等的变化规律,初步揭示X形桩桩–筏复合地基动力响应机理。试验结果表明,桩筏复合地基的沉降s与荷载循环次数N的关系曲线可近似用对数函数描述;动位移幅值和动刚度与荷载形式和振幅有关。振动速度随深度增加而逐渐衰减,碎石垫层在振动速度向地基土传播过程中起到了良好的减震作用。研究成果为X形桩–筏复合地基的应用提供了参考依据。     

基于不同贯入速率砂土地基中静压敞口混凝土管桩试验研究

贯入速率对静压敞口混凝土管桩沉贯及承载力特性具有重要影响。通过砂土地基中静压敞口混凝土管桩室内模型试验,分别对不同贯入速率下模型桩土塞特性、压桩力及极限承载力变化进行研究。结果表明,模型桩贯入速率由2. 0 mm/min增大至3. 0、4. 0 mm/min时,土塞高度分别降低了12. 8%、27. 2%,土塞率降低幅值分别为12. 9%、27. 2%。不同贯入速率沉桩结束后,模型桩土塞增长率分别为35. 4%、23. 6%及19. 8%;相比于4. 0 mm/min贯入速率,贯入速率2. 0 mm/min及3. 0 mm/min下模型桩最终压桩力增长幅度分别为92. 6%及25. 1%,极限承载力增长幅值分别为77. 8%及4. 5%,这主要是由于贯入过程中土塞特性差异导致的内壁摩阻力不同所引起的。研究成果可为砂土地基中敞口混凝土管桩沉桩性状及极限承载力研究提供理论依据。     

弱挤土效应桩的设计与试验

提出了在普通钢筋混凝土预制桩侧带竖向侧槽,在侧槽内灌黄砂的方法,使桩具有自排水功能,减少在饱和软粘土中进行钢筋混凝土预制桩施工中的挤土效应,即弱挤土桩的设计原理及方法。室内模型桩试验表明,弱挤土桩降低超孔隙水压力效果明显,其作用等效于砂井、砂袋井或塑料排水板,且该种桩施工工艺完全能够满足要求。