上海世博500kV地下变电站超深抗拔桩的设计与分析

上海世博500kV大容量全地下变电站地下建筑直径(外径)为130m,地下结构埋置深度34m,正常使用阶段采用桩端深度达82.3m的钻孔灌注桩作为抗拔基础。与浅埋的地下工程相比,该深埋地下结构抗拔桩设计面临的特殊问题是如何反映如此大体量深层地下开挖卸荷对抗拔桩承载特性的影响,主要表现在:深埋地下结构抗拔桩地面试桩开挖段侧摩阻力的扣除;开挖卸荷后桩周土体围压减小对桩基承载力削弱的影响;开挖卸荷基底隆起对桩产生的预拉力。介绍了上海世博500kV地下变电站工程超深抗拔桩的设计,采用现场试验与有限元方法针对上述深层开挖带来的特殊问题进行初步的研究与探讨。理论分析表明,深层开挖对抗拔桩承载性能产生了显著的影响,承载力发生较大削弱且产生较大的预拉力。该抗拔桩的设计采取了相应的对策。     

辽沈地区深基坑开挖条件下抗拔桩承载力分析

以辽沈地区的某工程为例,在现场试验的基础上,结合数值模拟计算软件对等截面抗拔桩的承载特性进行了分析,结果表明开挖将导致坑内土体产生卸荷回弹,从而带动抗拔桩回弹,桩身上下部分分别承受正、负摩阻力,并在桩身产生轴向拉力,同时,桩土界面法向应力降低,导致桩的极限抗拔承载力降低。     

抗拔桩在大面积深开挖过程中的受力特性分析

由大面积大深度基坑开挖引起的土体卸荷回弹会对坑底桩基产生不利影响,这一影响对抗拔桩尤为突出。针对上海世博地下变电站的抗拔桩设计,采用基于非线性有限元的数值方法对抗拔桩在大面积深开挖过程中的受力特性进行了研究。首先通过对抗拔桩地面单桩静载荷试验结果的反分析确定土层本构参数,然后对抗拔桩在开挖过程和正常使用状态下的受力特性进行了数值分析。分析结果表明,基坑开挖引起的桩身轴力对抗拔桩的负面影响较轴心受压桩更为明显,在抗拔桩设计中应充分考虑开挖引起的预拉力,且扩底抗拔桩受到的预拉力大于等截面桩。正常使用状态下桩身轴力是土体回弹隆起引起的轴力和桩顶上拔的引起的轴力的叠加,应以此对桩身的钢筋配置进行校核。     

深层开挖条件下自平衡试桩法上段桩承载力损失简化计算方法

针对在深层开挖条件下进行自平衡法试桩时,通过采取有效措施消除开挖段的侧摩阻力影响后,由于深层覆土开挖卸荷导致工程桩桩周土体围压减小,从而导致荷载箱上段桩抗拔承载力降低这一问题,通过借鉴目前在抗拔桩方面已有的相关分析方法、负摩阻力、基底附加应力以及相关土力学基础理论,提出了基于 Mindlin 解的简化分析方法以及负摩阻力-附加应力法两种简化分析方法,并以北京某地铁车站中间柱下桩为例,分别估算深层开挖土体卸荷引起的上段桩承载力的损失值。两种方法所得出的估算值存在较大差异,对其原因进行了初步分析。两种简化分析方法的合理性及准确性还有待于进一步完善和实践验证。     

深开挖卸载条件下坑底群桩受力特性的有限元分析

大面积的深基坑坑底往往设置密集的工程桩,深开挖导致的土体卸荷回弹作用会对这些工程桩产生强烈的影响。采用ABAQUS软件建立平面有限元分析模型,对深开挖过程中坑底群桩的受力特性进行研究,确定桩顶抬升量、桩土相对位移、桩身轴力和桩侧摩阻力的分布。最后在开挖结束时对各工程桩重新加载,根据Q-s曲线来判断其抗压承载力和抗拔承载力。结果表明,工程桩的承载力与其在基坑平面中的位置有关。     

应力释放效应对抗拔桩承载力影响分析及应用

抗拔桩受力时,桩身径向微量收缩,桩周土体侧向应力释放,桩侧摩阻力降低。文章将桩对土的卸载作用导致摩阻力降低值与不考虑该作用时摩阻力之比,定义为单桩抗拔承载力折减系数J_s。定义土体的回弹模量与压缩模量之比为土的压缩回弹比λ_j。利用极限平衡状态方程,针对刚性桩、钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩与钢管桩,分析了不同的土体压缩回弹比λ_j所反映的应力释放程度对承载力的影响。结合外径1.7 m,长81.3 m,壁厚25 mm的大直径超长抗拔钢管桩静载荷试验进行验证。结果表明压缩回弹比λ_j能很好反映土体应力释放对承载力的影响,是抗拔桩侧阻力低于抗压桩的主要原因,承载力计算值与实测值相符,其精度远高于现行规范方法,可供工程实践与科学研究参考。     

超深开挖对抗拔桩承载力影响的离心机试验研究

深基坑开挖会改变桩周土的应力状态,影响抗拔桩的承载力。通过离心机模型试验,研究了超深开挖对抗拔桩承载力的影响。采用考虑基底土超固结效应影响的有限元数值模拟分析方法,对离心机试验进行了计算分析,研究超深开挖对抗拔桩承载力影响的内在机理。研究结果表明：坑内土体卸荷,桩侧土体有效应力降低,抗拔桩承载力下降;受基底土超固结效应的影响,桩侧土静止土压力系数要大于正常固结状态,桩侧极限摩阻力与抗拔桩承载力大于正常固结状态;不考虑基坑开挖对桩周土应力水平的影响,以覆土条件下的承载力做为设计取值,偏于不安全;考虑基坑开挖对桩周土应力水平的影响,但不考虑基底土的超固结特性,抗拔桩承载力的取值偏于保守。     

桩侧注浆与扩底抗拔桩的极限载荷试验研究

相比于传统等截面抗拔桩,桩侧注浆抗拔桩和扩底抗拔桩能大幅提高抗拔承载力,具有较高的工程应用前景。笔者开展了有效桩长19 m的桩侧注浆抗拔桩和扩底抗拔桩的极限载荷对比试验,各3根试桩,均加载至极限破坏状态,同时开展桩身轴力与变形量测。从荷载位移曲线、桩身轴力分布规律、桩侧摩阻力发挥特性等方面对两种桩型进行了对比分析。试验表明,两种桩型相比于等截面抗拔桩的承载力提高机理不同:桩侧注浆使得有效桩长范围内各层土桩侧摩阻力普遍得到增强,实测桩侧摩阻力比勘察建议值提高33%~73%。扩底抗拔桩中等截面段侧摩阻力的发挥与勘察报告建议值相当,扩大头提供的抗拔承载力随加载值的增大而逐步发挥,在最大加载值时,扩大头承载力达到总加载的55%,超过等截面段桩侧摩阻力,扩大头的存在对于提高抗拔承载力作用明显。     

抗拔桩承载能力影响因素与群桩变形规律试验研究

利用自主研发的桩基室内抗拔测试装置,结合数值模拟技术对抗拔桩的承载破坏过程及影响因素、群桩的协同工作特征展开了深入研究。结果表明：抗拔桩的承载破坏经历4个阶段,承载初期,桩顶侧摩阻力最先发挥作用,桩顶土体发生塑性破坏;随上拔荷载不断增大,桩体产生相对位移,桩周土体由于桩身侧摩阻力产生塑性破坏;当桩身轴力自桩顶传递至桩底时,桩身底端产生抗拔“吸附力”,并伴随局部土体塑性破坏;随着桩周土体塑性区的拓展、连通,抗拔桩承载能力达到极限;桩身长径比、桩-土界面摩擦因数、桩侧土体压力与其承载极限呈正相关关系,其中桩身长径比对桩端“吸附力”具有重要影响;群桩抗拔过程中,角桩侧摩阻力发挥最充分,桩身位移量最小,极限承载力最大,中心桩桩身位移最大,极限承载力最低;距径比影响抗拔桩的群桩效应,当距径比从2增大至8时,桩身侧摩阻力提高30%,将距径比8作为群桩工程的推荐值,6～10作为群桩距径比的推荐范围。     

成层土中抗拔桩与抗压桩的模型试验研究

为研究成层土中单桩在抗拔与抗压条件下承载能力、桩身轴力以及侧摩阻力分布规律的不同,进行了长细比大于40的抗拔桩与抗压桩室内模型试验,通过桩身内设置电阻应变片,测得各级荷栽下桩身不同深度的应变.分析表明:抗拔桩桩顶上拔量明显大于抗压桩桩项沉降量,因此抗拔桩设计时应综合考虑桩顶上拔量来确定抗拔承载力;抗拔桩与抗压桩的桩身轴力分布具有相似的特性;试验所得桩抗拔总侧摩阻力折减系数λ=0.62;抗拔桩与抗压桩侧摩阻力都是从上部开始发挥并向下传递,随着荷载的增加,上部侧摩阻力变化很小,桩身下部侧摩阻力迅速增长;成层土中粘土的抗拔侧摩阻力折减系数大于砂土.     

基坑双排斜桩模型试验研究

伴随着地下空间开发的开发,基坑开挖深度逐步加大,当开挖深度较大时,单排桩满足不了位移要求时,发展出双排直桩、斜直交替桩等新型支护形式,然而支护效果仍不够理想。为进一步优化基坑工程中的双排支护桩,增大其抗侧刚度,将桩设置为斜桩形成基坑双排斜桩。为了验证双排斜桩的支护效果,基于室内模型试验对双排斜桩在开挖与堆载作用下的桩顶位移和桩身弯矩进行监测,并与单排桩、双排直立桩、小排距前排倾斜双排桩和常规排距前排倾斜双排桩进行对比。研究结果表明:(1)双排直立桩、小排距前排倾斜双排桩、常规排距前排倾斜双排桩和双排斜桩的侧向刚度均优于单排桩;(2)当桩顶排距较小时,前后排形成的空间刚架作用不强,小排距前排倾斜双排桩承载力弱于双排直立桩,当桩顶排距与双排直立桩相同时,前排倾斜双排桩的桩顶位移增长速度比双排直立桩缓慢,承载力提高;(3)双排斜桩在开挖和堆载过程中,位移增长最为缓慢,桩身弯矩较小,相比单排桩、双排直立桩和前排倾斜双排桩有一定优势;(4)对5种工况的桩型布置进行排序,双排斜桩＞常规排距前排倾斜双排桩＞双排直立桩＞小排距前排倾斜双排桩＞单排桩。     

武汉天河国际机场T3航站楼桩基础设计与验证

武汉天河国际机场T3航站楼由主楼、指廊、登机桥及T2-T3连廊等建筑组成。各建筑区域的结构特点、地下情况、基础形式、基底标高不尽相同,且T3航站楼中部地下室有城铁地铁隧道下穿,形成共建区域,基础设计复杂,施工难度大。通过多桩型的试验桩工程及试验桩结果的对比分析,并结合各建筑区域的荷载分布和地下情况,整个T3航站楼分区采取不同桩型、桩径和桩长的桩基础设计方案。新型挤扩桩承载力高,沉降变形小,经济性好。经过多区域试验桩反复验证和研究,确定了在对单桩承载力需求较高的主楼范围采用新型挤扩桩,其他区域采用常规桩型;分析了工程桩设计与施工的重难点;通过分析工程桩检测成果数据,验证了桩基础设计的合理性。     

后张部分粘结预应力抗拔灌注桩的受力机理研究

随着地下空间的开发和利用,地下建筑结构埋深不断增加。当地下水位较高时,地下结构就会受到较大的浮力,因此需要在结构底板下设置抗拔桩。为了研究后张部分粘结预应力抗拔灌注桩的受力机理,首先通过试验测试了预应力钢绞线和水泥净浆的粘结强度。然后,运用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟,得出了粘结强度参数。在此基础上对后张部分粘结预应力抗拔桩进行数值分析,研究其受力机理,为工程应用提供理论依据。研究表明,后张部分粘结预应力抗拔灌注桩侧摩阻力由桩顶至桩底逐渐增加,持力点主要在桩底部,而预应力的施加不仅可以避免裂缝的产生,还可以抵抗“泊松效应”而产生的“颈缩现象”的影响,对提高桩体的抗拔性能十分有利。     

临近荷载对砂土地层支护结构影响的试验研究

地面荷载的大小与分布形式对地下工程支护结构的安全建设影响显著。以北京地铁6号线轨排井工程为例,通过物理模拟研究竖向荷载、力-桩距和嵌固深度比等因素对支护桩体变形与内力的影响,并将物理模拟结果与现场实测结果进行对比分析。结果表明:地表竖向应力对支护桩体的受力变形有较大影响,桩顶水平位移随竖向应力的增大呈现出初始增长、快速增长和缓慢增长3个阶段;获得了砂土地层桩顶水平位移的经验公式,与实际工程对比表明了其工程适用性。     

浅析小直径抗滑桩＋锚索支护体系设计思路

抗滑桩是防治滑坡的一种常用工程结构物,在我国,抗滑桩的设计已有一定的历史,但在具体设计过程中,受多年一些技术文件及工程经验的影响,其断面以2m×3m最为常见,嵌固段以1／3—1／2桩长为宜,但近年来,随着桩锚体系的发展,不断地探索抗滑桩的断面及嵌固段深度的设置,已成为了业内人士讨论的话题。现通过工程实例,详细介绍了小直径抗滑桩＋锚索支护体系的适用范围、设计思路及布置原则,可供有关方参考。     

旁孔透射波法确定桩底深度方法对比研究

针对既有工程桩检测难题而提出的旁孔透射波法被认为最有应用前景的方法之一。现有关于旁孔透射波法的研究以桩顶裸露自由桩为对象尚难以考察其对既有工程桩的测试效果。现有旁孔透射波法确定桩底深度的3种方法,交点法、平移法、校正法,是否存在理论误差未知,加之在实际桩底深度确定方法的选择上没有具体原则,导致在结果可靠性评估上存在不确定性。笔者采用基于射线理论的桩-土简化理论模型分析了以上3种桩底深度确定方法的理论基础和分析误差,并通过旁孔透射波法现场试验对结果正确性进行了验证。通过有限元参数分析探讨了不同桩底深度确定方法的误差随激振点距地高度、测孔-桩侧距、桩土波速比的影响,得到了3种旁孔透射波法桩底深度确定方法的适用性及适用条件。研究结果对具体条件下选择合适的旁孔透射波法桩底深度确定方法有重要意义。     

高填方夯实地基桩侧负摩阻力受力性状试验研究

对原为沟壑的场地,经回填全风化泥质粉砂岩形成高填方地基。对高填方地基采用3000kN·m能级强夯预处理后,打设钻孔灌注桩,通过在桩身钢筋笼主筋上安装应力计,在桩身截面和桩周土层分别埋设沉降杆、分层沉降仪,测试桩身轴力、桩身及桩周土层沉降变化情况,得到高填方夯实地基未处理填土层桩侧负摩阻力变化规律。试验结果表明,未处理填土层桩侧摩阻力沿深度呈现“负-正”变化的现象,随着固结时间的增加,端承桩负摩阻力区段大于摩擦桩。端承桩桩侧土层提供的最大负摩阻力约是摩擦桩的1.18~2.56倍,桩周土层密实度对桩侧最大负摩阻力有影响。采用一阶负指数函数拟合得到桩身下拉荷载预测模型,随着固结时间的增加,作用于桩身的下拉荷载趋于定值,作用于端承桩的下拉荷载比摩擦桩高41.2%~55.4%,从控制负摩阻力角度推导出高填方夯实地基摩擦桩桩长设计计算方法。桩身中性点位置均随固结时间增加而逐渐下移,端承桩中性点深度较摩擦桩平均大0.7m。     

支盘桩的抗拔机理及工程应用

在对支盘桩抗拔机理理论分析的基础上,设计了一个室内模型试验装置来研究支盘桩的抗拔承载和变形性能,并与等直径桩进行比较。对等直径桩、单盘支盘桩、双盘支盘桩分别进行了上拔加载试验,证明支盘桩的抗拔承载力远高于等直径桩;同时由于支盘桩在抗拔时和抗压时的承载机理不同,如果设计不合理,设多盘时的抗拔承载力反而会低于单盘支盘桩的抗拔承载力。     

风化岩基大直径灌注桩后注浆承载性能试验研究

基于6根全风化和强风化花岗片麻岩地基中大直径泥浆护壁钻孔灌注桩单桩竖向抗压静载荷试验及桩身力学测试,对其中3根试桩进行桩侧后注浆,对比分析了其承载性状、变形特性及影响因素,并将所得试验数据与勘察报告推荐值和现行规范推荐值对比。结果表明:大直径嵌岩泥浆护壁钻孔灌注桩长径比25～34与嵌岩深度5D～8D,Q-s曲线呈缓变型;经后注浆处理与未经桩侧后注浆处理的试桩相比,单桩极限抗压承载力提高1.40%～15.3%,最大沉降量降低35.1%～65.6%,回弹率提高13.1%～82.4%,控制桩顶沉降效果显著。在该试验条件下,6根试桩的承载力和变形特性受长径比和嵌岩深度影响较大。经桩侧后注浆处理的试桩,嵌岩段摩阻比和桩侧摩阻力分担比受长径比和嵌岩深度影响更小;6根试桩的桩端阻力分担比受嵌岩深度影响显著;未经桩侧后注浆处理的试桩,桩侧摩阻力分担比受嵌岩深度影响更大。