饱和黏土地基中能源桩热-力学特性试验研究

建立室内模型试验,针对多次温度循环下饱和黏土地基中能源桩热-力响应展开研究,分析了桩周温度场、桩土沉降、桩身附加热应力及侧摩阻力的变化.结果表明,升温时桩身温度沿深度逐渐减小,土体温度沿径向逐渐降低;降温所引起的桩顶沉降量大于升温的膨胀量,将换热液体从5℃加热至70℃并维持24 h,随后降温至5℃并维持5 h,如此循环3次,导致桩顶产生不可逆的累积沉降;距桩身越近桩周土产生的沉降越大,沉降速率随循环次数的增加呈减小趋势,3次循环后,距桩侧130 mm处土体表面沉降达到桩直径的1.42%;温度荷载所引起的桩身附加应力和侧摩阻力均随温度的升高和循环次数的增加而逐渐增大,工作荷载作用下桩身附加热应力最大值达到695.40 kPa,最大热应力所在位置随桩顶荷载的增加而逐渐上移;升温时桩体上部产生负的侧摩阻力,下部产生正的侧摩阻力,降温时恰好相反;工作荷载的作用导致桩身产生负摩阻力的区域逐渐变小,位移零点也逐渐上移.     

能量桩群桩基础沉降特性分析

基于荷载传递法,考虑桩-桩相互作用并引入Pyke准则模拟桩-土界面上的加卸载行为,确定桩-土相互作用模型参数,从而建立能量桩双桩基础的沉降特性分析方法,并推广到能量桩群桩。通过与文献中实验数据的对比分析,验证了所提方法的可靠性。结合算例,利用该方法对在纯力学荷载、纯温度荷载以及热力耦合作用下的能量桩群桩基础沉降特性进行分析。结果表明:力学荷载作用下,群桩位移比随着桩顶荷载水平的增大而减小;温度荷载作用下,群桩桩顶位移方向一致;热力耦合作用下,群桩的桩顶位移情况与具体的桩顶荷载水平和桩身温度增量有关。在桩顶荷载较小时升温,可能会出现单桩桩顶上抬而群桩桩顶下沉的情况。     

桩顶荷载下温度循环对PHC管桩的热力响应分析

能量桩将地源热泵与建筑桩基结合于一体,在承受上部建筑荷载的同时还受到附加温度荷载的作用,其桩身的热力响应特性比较复杂。结合某高校综合体育馆PHC管桩工程,分析了桩身温度、桩顶荷载-沉降特性、桩身应力及桩侧摩阻力等变化规律。研究结果表明:冷、热温度循环下桩身温度变化并不均匀,桩顶附近与桩身中下部的温度变化差异较大;桩身温度的变化将引起桩土接触面力学特性变化,改变桩体的沉降趋势,在温度升高时桩顶沉降量略微减小;温度荷载的作用将使桩身不同区域产生负摩阻力,且正负摩阻力的绝对值相差较大;中性点在桩身8m左右,靠近桩下端2/3桩长处。鉴于温度循环荷载会改变桩体的受力及沉降特征,能量桩的设计应充分考虑温度效应的影响。     

考虑间歇比的地热能源桩热-力性能试验研究

结合地热能源桩现场试验，在桩身内部埋设应变/温度传感器，监测进/出口水温、桩身温度和轴向应变.分析不同间歇比下桩身轴向附加温度应力与桩侧附加摩阻力的变化规律，比较间歇与连续模式下地热能源桩的传热性能与热-力学特性.试验结果表明，间歇比对地热能源桩的短期传热性能影响比长期传热性能影响大.当间歇比为1、2时，性能系数平均值分别为3.95、4.00，桩身每延米换热量平均值分别为101.2、107.3 W/m.间歇比对桩身温度影响较明显，间歇比为1的桩身平均温度增量比间歇比为2的高66%.桩身中部的轴向观测应变大于桩两端的，桩身轴向附加温度应力和桩侧附加摩阻力均随间歇比的增大而减小.在桩身温度恢复阶段，间歇比为1、2工况的桩身温度，轴向观测应变和轴向附加温度应力均有残余.     

竖向加载方式对桩侧向应力及侧阻性能的影响

为了研究竖向加载方式对桩侧阻性能的影响,采用数值模拟分析方法,分析了在桩顶下压、桩顶上拔和桩底上顶3种加载方式下由竖向荷载引起的附加的桩侧向应力.结果显示:在桩顶下压加载方式下附加的桩侧向应力为压应力,在桩顶上拔和桩底上顶两种加载方式下附加的桩侧向应力为拉应力;产生附加的桩侧向应力的主要部分位于桩顶下15～20m范围内及各土层分界面上下2.5m范围内;附加的桩侧向应力的最大值可达土自重产生的侧向应力的±80%以上,但沿桩长变化的梯度很大;桩周土类型、桩长和桩径对附加的桩侧向应力的数值及沿桩长的分布有不可忽略的影响.根据桩侧向应力与桩侧阻力之间的定性关系,讨论了竖向加载方式对桩侧阻力的影响.指出:通常不考虑土层的部位、不考虑桩长和桩径将桩顶下压加载方式下的桩侧阻力乘以一个折减系数作为桩顶上拔或桩底上顶加载方式下的桩侧阻力的做法是不适宜的.     

长短桩复合地基性状的有限元分析

通过对长短桩复合地基的有限元分析,探讨了长短桩的变形模量、桩长对桩身轴力和复合地基沉降的影响,分析表明：长桩的桩身应力表现出均匀向下传递荷载的特性,而短桩桩身应力在3 m范围内迅速减小;长短桩的变形模量对复合地基沉降的影响均不大;增加长桩或刚性短桩的桩长可以有效减小基础承台的沉降和提高桩顶荷载,而增加柔性短桩的桩长对控制沉降和提高桩身应力的作用不大.     

楔形单桩与群桩非线性荷载-沉降曲线计算方法

为研究楔形单桩和楔形群桩的非线性荷载-沉降关系,根据楔形桩桩侧与桩端受力特点,假设桩侧和桩端的应力-沉降分别满足双曲线与双折线模型,同时考虑桩-土位移协调关系及土体分层特性,提出了楔形单桩在均质土和分层土中的荷载-沉降曲线计算方法.在此基础上,利用有限差分原理求解楔形桩相互作用的控制微分方程,得出了考虑楔形群桩相互影响的计算方法.进而,考虑楔形群桩之间的相互影响,依据承台性状不同分别提出了刚性和柔性承台下楔形群桩的荷载-沉降计算方法.本文方法预测结果与已有模型试验及现场试验结果对比表明:本文提出的计算方法能较好地计算均匀及分层土中楔形单桩和群桩的沉降.     

柔性基础下复合地基有效桩长计算方法研究

采用Boussinesq和Geddes解的联合求解方法,得到了考虑复合地基中桩顶和桩间土顶荷载时复合地基中任意深度处附加应力的分布情况;并根据柔性桩、桩间土和复合地基沉降关系,得到了带垫层柔性桩复合地基有效桩长计算方法．试验和计算结果对比表明：由于考虑了桩间土顶压力、桩身刺入量变形等因素对复合地基有效桩长的影响,有效桩长计算结果同现场实际情况比较吻合．     

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。     

有无土工格栅-夯实水泥土楔形桩工作性状试验研究

对夯实水泥土楔形桩复合地基的平均沉降随荷栽的变化规律、平均桩一土应力比以及桩身荷载传递规律进行了试验研究。结果表明：在相同荷载作用下,有土工格栅复合地基与无土工格栅复合地基相比,平均沉降小,平均桩一土应力比大,桩身轴力大;在相同的荷载时,桩身轴力中桩最小,角桩最大。     

基于多段荷载传递法的桩基荷载-沉降解析解

目的推导出桩侧土桩基荷载-沉降解析解,为在理论上探讨桩的轴向静载与沉降之间的关系、计算桩的极限荷载、桩身轴力和桩侧剪力提供一种较为实用的方法.方法利用多组并联弹簧组来模拟桩侧土荷载传递曲线,建立桩侧土的多段线性荷载传递函数模型,模拟桩土间弹塑性本构关系,以荷载传递函数法为基础,并巧妙地利用双曲函数变换和传递函数.分析了砂土侧摩阻力的变化对桩基荷载-沉降曲线的影响,并与专业桩基计算软件结果进行对比.结果求得了桩侧土处于弹性、弹塑性和弹-塑-滑移状态下桩身内力与节点位移的解析表达式,并递推得到了桩顶荷载-沉降关系和桩顶刚度的解析解.结论多段荷载传递法求得的荷载-沉降曲线与专业桩基计算软件结果基本吻合,说明了该方法的有效性和解析解的正确性.     

复合地基中散体材料桩荷载-沉降关系的数值分析

针对散体材料桩与桩周土相互作用的特点,基于弹性理论及计算假定,利用应力函数法对复合地基中散体材料桩桩身的应力状态进行了分析,推导出了考虑桩间土荷载σs及桩、土自重影响的散体材料桩的荷载-沉降关系式;利用该方法对某工程实例进行了计算分析,结果表明,基于本文方法获得的散体材料桩的荷载-沉降关系与实测结果吻合较好.     

软土地基上循环荷载作用下加筋碎石垫层 工作特性分析

通过模型试验研究了循环荷载作用下土工格栅、土工格室及纯碎石垫层在软土地基上的承载特性;分析不同工况下沉降、桩身应变及桩土应力比随循环次数、峰值荷载的变化规律。研究结果表明:在动载条件下,加筋碎石垫层能有效地限制垫层的位移,显著减小复合地基的累计沉降;加筋后的碎石垫层强度和刚度均得到增强,能有效调节桩-土应力分布,改善碎石垫层的受力特性,大幅度提高桩-土应力比,有效减小桩身应变;同等条件下,土工格室碎石垫层对于减小桩顶沉降、提高桩-土应力比和降低桩身应变的性能略优于土工格栅碎石垫层,并随着循环峰值荷载增加,两者的作用效果更好。     

劲性搅拌桩复合地基承载特性数值分析

为研究劲性搅拌桩复合地基的承载特性,采用三维弹塑性有限元对其在竖向荷载作用下的响应规律进行分析,并与同等条件下的水泥土搅拌桩复合地基进行对比,重点分析荷载-沉降曲线、桩土应力比、桩身水泥土和混凝土应力发挥过程、桩身应力分布等内容。计算结果表明,劲性搅拌桩复合地基的承载能力优于水泥土搅拌桩复合地基,桩端土层越硬,承载力提高越明显。劲性搅拌桩复合地基的桩土应力比随着垫层厚度的增加而减小,但垫层超过30 cm后桩土应力比变化不大。由于水泥土的竖向变形沿径向非均匀分布,桩顶水泥土-混凝土界面附近的水泥土有受拉破坏的可能。     

柔性群桩—承台—土共同作用的数值分析

本文提出了一种群桩－承台－土共同作用的数值分析方法。分析了柔性群桩－承台－土复合地基的沉降和桩间土荷载分担比分别与桩长、桩土模量比、桩距和承台与土的相对刚度的关系，以水泥搅拌桩带台为例比较了弹性阶段的沉降计算值与实测值，两者接近。     

柔性群桩－承台－土共同作用的数值分析

本文提出了一种群桩－承台－土共同作用的数值分析方法。分析了柔性群桩－承台－土复合地基的沉降和桩间土荷载分担比分别与桩长、桩土模量比、桩距和承台与土的相对刚度的关系。以水泥搅拌桩四桩带台为例比较了弹性阶段的沉降计算值与实测值，两者接近。     

考虑软土超固结的静钻根植能源桩模型试验

为研究静钻根植能源桩在不同固结状态软土中的承载特性,基于能源桩模型试验系统,对比测试了模型桩在正常固结土和超固结土地基中的热力响应.结果表明,热量在桩周土层中的扩散程度随着与热交换管(热源)距离的增大而减小;土层的超固结状态影响土层中孔隙水压力的产生与消散,相比于正常固结土,超固结土层中孔压消散速率更慢;桩周软土在升温后的竖向变形首先表现为回弹,随后变成沉降,超固结土回弹明显,且随后的沉降量更小;桩身附加温度应力呈先增大后减小的趋势,超固结土下的桩身最大附加温度应力位置高于正常固结土,且升温产生的负摩阻力较小.静钻根植能源桩的承载特性与软土超固结状态密切相关,在工程设计中需要综合考虑以确保运行安全性.     

橡胶水泥土桩复合地基受力性能的有限元分析

目的 分析橡胶水泥土桩复合地基在上部荷载作用下的受力性能,为研究橡胶水泥土桩复合地基奠定基础.方法 通过ABAQUS有限元软件建立了桩土三维有限元模型,对不同橡胶粉掺入的橡胶水泥土桩进行计算分析,研究荷载-位移、桩身应力等各种影响其性能的曲线.结果 随着橡胶粉掺量的增加,荷载-沉降曲线拐点弱化.橡胶粉掺量增大,桩间土的竖向附加应力越大.由于橡胶粉掺入增加了桩间土的水平位移,使桩间土处于三向受压状态,促进了其承载能力的发挥,调整了桩土应力比.结论 合理的调配橡胶掺入比,可以在满足复合地基的沉降控制条件下,发挥桩土共同作用,改善复合地基的受力性能.     

横观各向同性饱和土中埋置弹性桩的扭转振动

通过解析方法研究了横观各向同性饱和土体中弹性桩的扭转振动响应问题. 土体和弹性桩体系被分解为横观各向同性饱和土及被视作土体加强体的虚拟桩部分,土体符合Biot三维饱和弹性介质理论,弹性桩被视为一维弹性长杆. 运用Hankel变换求解了横观各向同性饱和土体的动力控制方程,结合桩土间复合边界条件,得到关于桩身内力沿桩长分布的第二类Fredholm积分方程.利用数值的方法对方程进行求解,得出应力沿桩身的分布,并可进一步得到桩的位移沿深度的分布. 数值计算表明,土体的横观各向同性参数及荷载频率对弹性桩的振动影响显著.     

双层地基中群桩沉降特性的大弹簧技术方法

采用大弹簧技术分析了横观各向同性成层地基中的受轴向荷载的群桩沉降特性,基本解采用线弹性横观各向同性成层地基内部受环形竖向线荷载作用问题的解析解,避免了对非均质土作加权平均处理及对有限厚度作近似处理,且应力和位移均为精确解,研究表明:增加桩数对改善群桩的工作性态起着极为重要的作用,但同时群桩中的每根桩的平均轴向刚度却随着桩数的增加而减小.另外,增大桩距、减小桩土模量比或增大两层土的模量之比都会减弱群桩效应.