基于应变楔模型的砂土地基水平循环受荷桩简化分析方法

为反映水平循环荷载作用下桩侧土的弱化效应及桩身侧向位移发展规律,提出了基于应变楔模型的砂土地基水平循环受荷桩简化分析方法.首先,利用砂土刚度衰减经验公式计算桩侧土刚度的弱化程度,确定循环再加载过程中桩侧土体应力-应变关系;其次,将其引入到应变楔模型中计算桩基侧向位移响应,考虑循环荷载作用次数和荷载大小的影响;最后,通过试验对比分析,验证所提方法能有效计算桩基础在水平循环荷载作用期间侧向位移的发展趋势.结果表明:桩身侧向位移随荷载作用次数增大而增加,其发展模式与荷载幅值大小相关;循环荷载作用下桩基水平承载能力存在较大程度的弱化.     

基坑底部土体裙边加固模型试验与数值模拟研究

为研究基坑底部土体裙边加固对基坑变形和内力的影响,分别对未进行坑底加固和采用坑底裙边加固2种工况进行模型试验。在填土过程中预先浇筑加固土体,实现坑底土体加固。在基坑开挖过程中对地表沉降、冠梁侧向位移、桩身弯矩以及桩后土压力进行监测。用有限元软件Abaqus对模型试验进行拓展,将基坑变形的计算结果进行极差分析。研究表明,对坑底土体采用裙边加固,可以有效地减小支护结构的侧向位移;坑顶地表沉降虽有减小,但效果不明显;桩身弯矩略小于未进行坑底加固的工况;土体开挖,桩随着坑底下某一点发生转动,造成桩上半部分土压力减小,桩底处土压力增大;裙边加固尺寸中深度相较于宽度对基坑的变形影响更大;土体加固深度与宽度超过一定范围,控制基坑变形的效果有所提高但不明显,加固深度宜取0.3~0.4倍的开挖深度,宽度宜取0.35~0.45倍的开挖深度。     

竖向受荷PCC桩承载机制颗粒流数值模拟

采用颗粒流数值仿真技术,从细观力学角度对砂土中竖向受荷现浇混凝土薄壁管桩(简称PCC桩)与土相互作用过程中的传力机理、桩内外侧土体位移场分布特征及细观结构参数变化规律进行研究。结果表明:PCC桩侧阻力及端阻力在加载初期同步发挥,桩外侧摩阻力始终明显高于桩内侧,桩芯土体承载力发挥不充分,PCC桩承载力主要由桩外侧摩阻力控制;桩外侧摩阻力在桩身中部及靠近端部发挥较为充分,在0.65 L入土深度处外侧摩阻力明显弱化;桩内侧土体在桩身上段范围内位移矢量较小,桩端以上3 d1范围内土颗粒由于土塞效应的存在随桩身一起发生刺入变形,桩外侧土体在桩身中部位移影响范围达到2 d,整个桩外侧位移影响区呈弧形分布;桩周土体接触力链及孔隙率变化与PCC桩宏观力学表现保持一致。研究成果对于进一步明确PCC桩与土相互作用的内在机理具有意义。     

路堤荷载下现浇筒桩复合地基性状分析

为了提高软土地基的稳定性和减少路基沉降，进行了现浇筒桩复合地基工作性状研究.通过对现场测试数据的分析，得到了复合地基顶部桩土平均应力随填土时间的变化曲线，研究路基中心和桩顶沉降随填土时间变化规律，并讨论了孔隙水压力随时间消散曲线和侧向位移沿深度变化规律.研究结果表明，桩间土平均应力随填土时间增加先增大后减小，而桩顶平均应力持续增大.复合地基的沉降随深度增加而递减，沉降主要发生在小于4 m深度范围内.地基侧向位移沿深度变化较小，筒桩及土工格栅的联合加固效应明显，侧向位移有回缩现象.     

软土地基预制桩沉桩对桩周土体扰动研究

预制桩作为挤土桩或部分挤土桩,在沉桩过程中会挤压周围土体、扰动土体结构。就软土地基预制桩沉桩对周围土体的扰动,采用有限元CEL方法对软土地基预制桩沉桩的全过程进行模拟,得到沉桩过程中和沉桩完成后桩周土体位移规律,并分析了土体弹性模量和泊松比对桩周土体位移的影响。结果表明：沉桩过程中,靠近桩身的土体受桩体拖曳作用,径向位移先增加后减小;沉桩完成后,桩周土体水平位移分布沿径向呈对数形式衰减;随着弹性模量的增加,桩周土体竖向位移逐渐增加;随着泊松比的增加,桩周土体径向位移和竖向位移均增加。     

带受力盘塑料套管混凝土桩挤土效应试验研究

在上海软土地基中进行了带受力盘塑料套管混凝土桩沉桩压入试验,通过在试验桩桩周预先布置孔压、侧向位移、地表隆起和径向土压力监测点,探求带受力盘TC桩在沉桩过程中的桩土相互作用机理。试验结果表明:超孔压增量沿深度呈上小下大分布并在沉管拔出后迅速消散;挤土应力沿深度亦呈上小下大分布并沿径向减小,在沉管拔出短时间内骤减;土体在桩压入过程向外移动,拔管之后向内偏转;地表整体下沉,随径向距离增加下沉量变小。     

超软土真空预压透明土模型试验及土桩形成机理

吹填超软土真空预压加固地基过程中,塑料排水板周围易形成“土桩”,“土桩”的存在降低了其周围土体的固结效率,严重时甚至会导致地基处理失效；然而,对“土桩”形成机理的认识仍相对不足.为此,基于透明土材料和粒子图像测速法（PIV）,开展超软土真空预压透明土模型试验,非嵌入式地可视化测量真空预压过程中排水板周围土体位移场.结果表明:排水板周围的土体变形与排水速率存在联系,在排水高峰期和排水平稳期,排水板周围土体产生明显的水平位移,且产生水平位移的范围随抽真空时间的增长逐渐扩大.而在排水缓慢期,排水板周围的土体几乎仅有竖向位移；土颗粒在渗流力的作用下向着排水板方向移动并聚积在排水板周边,是造成“土桩”和“软弱带”现象的主要原因；浅层土体的颗粒较细、上覆土重较低,在渗流力作用下更容易发生向着排水板方向的位移,形成的“土桩”由浅至深半径逐渐减小,“土桩”的最大半径可达11 cm；“土桩”范围内的土体密度较“软弱带”土体的密度更高,在自重和“真空荷载”作用下的压缩量更小,在土体表面形成“桩头”.     

弹性地基梁法在被动桩问题反分析中的应用

由于堆载引起地基土侧向移动,可能对邻近桩基施加巨大的水平荷载,故在堆载或路堤建造前,必须对侧向土压力在桩中引起的弯矩进行准确计算,以判断是否需要采取防范措施.但没有可靠的相应土压力及桩身位移计算方法.本文应用弹性地基梁理论,编制出了能用于被动桩计算的程序,用于地面堆载下被动桩性状的计算.可以根据地面堆载情况和土层信息正演计算出被动桩临荷侧桩身土压力,桩身位移,弯矩等数据;也可以通过已量测的部分桩身位移反演计算得到土体的地基反力系数和临荷侧桩身土压力,进而计算出更加准确的被动性状结果.通过与有限元软件的计算结果对比,对程序的正确性和适用性进行了验证,并得到了一些有益的结论.     

基坑开挖对既有复合地基单桩的位移性状影响分析

在无载复合地基侧向开挖离心机试验基础上建立了数值模拟模型,基于Winkler地基模型,根据桩土的位移变形协调方程,采用两阶段法求解复合地基单桩的水平位移,并与数值模拟结果进行对比.在数值模拟基础上,改变复合地基的置换率,得到了不同置换率以及不同开挖深度下的单桩的水平位移,模拟并对比了在复合地基至支护结构不同距离情况下的土体最大水平位移,研究结果表明:①将复合地基视为均质土体,通过二阶段法求解复合地基单桩位移的方法可行;②当复合地基桩间距大于4倍单桩桩径时,复合地基对于单桩的水平位移影响较小.在设计支护结构时,当基坑深度小于5 m时,可以忽略复合地基与土体间的相互影响,深度大于5 m时,应充分考虑复合地基的影响;③当复合地基距离支护结构的距离在基坑开挖深度的0.8倍以内时,其对土体的侧向加固作用才有较好效果.     

基于极限分析下限方法的抗滑桩锚固深度检算

工程上一般采用通过控制滑动面以下锚固段桩周地层的强度来设计抗滑桩的锚固深度,即要求抗滑桩传递到滑动面以下地层的侧壁压应力不大于地层的侧向容许承载力。但其侧向容许承载力算式是基于传统Rankine土压力理论推导出的,仅适用于黏性土水平地面情况。为此,利用极限分析下限定理,考虑黏性土斜坡效应,建立了抗滑桩桩周土体侧向容许承载力的下限解法,通过数值计算以图表形式给出了综合主动和被动土压力系数数值,工程设计中直接以此进行抗滑桩桩周土体侧向容许承载力计算,进而利用弹性桩锚固深度公式确定抗滑桩的锚固深度。     

开挖诱发坑内既有基桩附加内力的模型试验

既有建筑下挖改造引起的基坑被动区土体侧移会对坑内基桩承载性产生重要影响. 通过室内模型试验研究坑内基桩在被动区土体侧移作用下的桩身受力特性,重点分析支护结构与坑内基桩距离、开挖深度、桩顶竖向荷载及承台约束高度对基桩弯矩和剪力的影响. 试验结果表明,在悬臂式支护开挖条件下,被动区土体位移模式呈倒三角形,基桩弯矩和剪力沿桩身分布具有多个异号峰值,桩身自上而下可分为开挖裸露段、被动受荷段和主动作用段. 基桩与支护水平间距越小、基坑下挖深度越大,基桩各部位弯矩和剪力越大,且竖向受荷和桩身侧向变形的耦合效应将使桩身弯矩变大. 桩顶约束高度的改变会对基桩弯矩和剪力产生影响,在其他条件相同时,约束高度越大,基桩弯矩和剪力越小. 研究结果可为地下增层工程的设计提供支撑.     

低应力流动砂土与圆桩相互作用机理试验研究

采用饱和悬浮砂模拟低有效应力状态下的液化土体,开展了圆管、横板和竖板的拖拽试验,研究了低有效应力条件下砂土侧向扩展时圆桩的受力机理.结果表明:桩身作用力由径向阻力及土体对桩身的黏滞剪切力组成,这两种力均随着砂土侧向位移的增加逐渐增大并最终保持稳定,其中径向阻力受桩-土相对运动速度影响较小,而黏滞剪切力具有明显的率相关性,即随着相对运动速度的增大而线性减小,表明流动砂土具有明显的剪切稀化流体特征.有效应力的大小对桩-土相互作用和砂土表观黏度具有重要影响,随着有效应力的增加,砂土表观黏度逐渐增大,径向阻力与黏滞剪切力也逐渐增加.     

用于透视土体内部变形的透明材料的研究

为了便于对观察对象或试验结果进行定量的分析,必须进行土的变形测量。传统的土的变形测量方法,只局限于测量土体的宏观变形及边界区域的测量,不能透视土体内部的变形过程。采用无定型硅粉、硅胶以及卤水等透明材料来模拟自然土体,然后采用光学技术来研究透明材料以解决上述问题,并为以后研究地基承载力的破坏模式以及桩土之间相互作用等做准备。     

既有竖向荷载对承台桩水平承载特性影响的PIV试验研究

为研究既有竖向荷载下承台桩的水平承载特性,进行了2组PIV模型试验,分析了不同竖向荷载对承台桩的水平位移量、桩身弯矩及桩周土体位移场的影响规律,研究了竖向荷载对承台桩下桩土作用的影响机理。试验结果表明：在同一水平荷载下,桩顶既有竖向荷载有利于减小桩身水平位移,削弱水平荷载引起的桩身弯矩;在水平加载过程中,桩土作用的主要区域为桩周土体的中上部区域,桩顶竖向荷载的施加会调动桩侧土体,形成更大的土体扰动区;竖向荷载引起的土体密实化效应会降低桩身的水平位移和弯矩,提高承台桩的水平承载力;同时这一密实现象也降低了桩侧土体的隆起量与塌陷面积。     

湿陷性黄土场地竖向承载灌注桩浸水试验研究

为研究自重湿陷性黄土场地中钻孔灌注桩的竖向承载性状,开展了3根试桩在天然、先加载后浸水和预浸水3种工况下的静载荷试验.试验结果表明,桩顶沉降随桩顶荷载的增加而增大,桩侧摩阻力随桩土相对位移的增加而增大,某些深度处桩侧摩阻力在达到峰值后甚至减小.桩顶荷载传至桩底后桩端反力随桩顶荷载的增加而增大,其变化速率逐渐增大.在本试验小试坑浸水及场地地层条件下,桩顶未施加荷载时桩侧未产生负摩阻力;桩顶维持4 000 kN荷载不变时桩周土体浸水湿陷,桩侧正摩阻力减小,桩顶沉降增大,但也未在桩侧产生负摩阻力.桩周土体浸水软化,其所能提供的最大侧摩阻力减小.     

基坑底部土体满堂加固模型试验与数值模拟研究

为探究基坑底部土体满堂加固对基坑变形和内力的影响,采用室内模型试验方法,研究了基坑底部土体满堂加固对基坑周围地表沉降、冠梁侧向位移、桩身弯矩以及桩后土压力变化的影响。运用ABAQUS有限元软件对模型试验进行数值模拟,将试验数据与数值计算结果进行对比,并分析了加固土体的水泥掺入比和加固深度对基坑变形的影响。结果表明：满堂加固对降低基坑底部隆起效果最为明显,对降低支护结构侧向位移较为明显,对减小地表沉降不明显;通过极差分析法得出,增加加固土体的弹性模量较增加加固深度对抑制支护桩侧向位移及坑底隆起更为有效;当水泥掺入比超过一定范围后,加固效果没有显著提升,建议在含水率为20%左右的软弱土层地区,水泥掺入比一般为5%~20%;土体的加固深度超过一定范围后,控制基坑变形的效果有所提高,但不明显,建议土体加固深度取0.4~0.45倍基坑深度。     

水平受荷大尺寸钢管桩离心数值试验研究

基于水平受荷钢管桩离心物理试验成果,以3维有限差分方法为技术手段开展离心数值试验,深入揭示桩-土相互作用关系。研究表明:水平受荷下钢管桩侧向变形显著受控于土层弹性模量。从桩顶变形、桩身挠度及弯矩分布等方面对比离心物理模型试验与离心数值试验成果,根据各级水平荷载条件下两者吻合程度确定参数优化方案;在此基础上提取水平受荷条件下钢管桩不同埋深截面区间的荷载-位移(p-y)关系,进而系统研究不同层位地基土所提供的水平抗力及其分布规律。物理试验和数值试验相结合可有效克服物理试验中监测数据有限、监测工具布设困难等缺点;该研究方法在获取水平受荷桩p-y曲线方面具有普遍适用性,可供实际工程中桩基水平承载力设计参考。     

湿陷性黄土中基坑支护的数值模拟分析

以河南省洛阳市某湿陷性黄土基坑工程为例,结合其所在区域的地质条件、周边环境等,采用了桩锚支护的基坑支护方案。针对该支护方案,应用有限差分程序FLAC3D建模分析了不同工况下支护结构和坑周土体的变形规律,得出了坑周土体的位移随着距坑距离的增大逐渐减小;支护桩的水平位移随着开挖深度的增加,桩顶处位移不断增大,而桩底部的位移越来越小;坑周地表沉降和水平位移及支护结构变形均满足设计要求。同时,研究了湿陷性黄土对桩土位移的影响,结果表明,该支护方案较为合理,桩锚支护结构对深基坑的变形起到了很好的控制作用。研究结果可为黄土地区湿陷性条件下的基坑支护技术及理论研究提供参考。     

温度影响下能量桩-土接触面剪切特性试验研究

能量桩工作过程中,桩体受温度变化影响会产生热变形,进而引起桩周土体的循环剪切作用,弱化地基承载力,给桩基的正常使用带来风险。由于传统直剪仪无法模拟能量桩工作过程中的温度变化,因此对桩-土接触面力学特性受温度影响的变化规律研究较少。对传统直剪仪进行改造,使其可以改变剪切试样温度;所用土体从重庆某施工现场取样,开展不同温度变化下桩-土接触面的室内土工直剪试验,分析单次温度变化和循环温度变化对桩-土接触面力学性能的影响,并对温度影响下桩-土接触面力学特性与土体力学特性的差异进行比较。结果表明,能量桩-土接触面的抗剪强度受温度影响较大;随着温度的升高,能量桩-土界面摩擦角和黏聚力先减小后增大;低法向应力下温度循环对桩-土接触面力学特性影响较大,而高法向应力下温度循环对桩-土接触面力学特性影响不显著;土体的抗剪强度、黏聚力和摩擦角随温度变化规律与桩-土界面类似。     

(第六届水利岩土学术讨论会推荐稿)水平受荷大尺寸钢管桩离心数值试验研究

大尺寸钢管桩是近海风电场建设中最常用的单桩基础之一。基于水平受荷钢管桩离心物理试验成果,以三维有限差分方法为技术手段开展离心数值试验,深入揭示桩-土相互作用关系。研究结果表明：水平受荷下钢管桩侧向变形显著受控于土层弹性模量,通过对计算参数的反演,在验证各级水平荷载条件下离心数值试验桩顶变形、桩身挠度及弯矩分布等与离心物理试验基本吻合的前提下,提取水平受荷条件下钢管桩不同埋深截面区间的荷载-位移（p-y）关系,对不同层位地基土所提供的水平抗力及其分布规律有了系统认识。物理试验和数值试验相结合的研究方法有效克服了物理试验中监测数据有限、监测工具布设困难等缺点;同时,本研究中基于数值试验获取水平受荷桩p-y曲线关系的方法具有普遍适用性,可供实际工程中桩基水平承载力设计参考。