顶管桩施工对桩周土体扰动的现场试验研究

作为一种将钻孔灌注桩和压力平衡式顶管技术结合的新型成桩方法,顶管桩可解决存在既有建筑时围护结构打设和穿高水头承压水层成桩困难等问题。通过低净空环境下顶管桩施工现场试验,对桩周土体扰动进行研究,总结地表沉降、桩周土体水平位移、桩周土体竖向位移和深层土体扰动分布及变化规律。     

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。     

多节钻扩混凝土桩扩径体间距对桩周土体位移影响试验研究

多节钻扩混凝土桩是一种新型的变截面桩,深入研究竖向荷载作用下多节钻扩混凝土桩桩周土体位移分布对准确掌握多节钻扩混凝土桩的承载特性具有重要意义。通过室内原状土小比例半截面桩模型试验,采用数码相机实时记录桩周土体在荷载作用下的变化规律,结合数字图像处理技术,获得桩周土体的位移规律和发展情况。试验结果表明：在破坏过程中双扩径体桩与单扩径体桩的桩周土体位移发展情况存在相同点,扩径体间距对双扩径体桩最终的破坏形式有较大的影响;荷载作用下,桩周土体的竖向位移较水平位移更加明显,并随着与桩体的距离和埋深的增加而逐渐减小;竖向位移和水平位移都随着扩径体间距的增大而呈现出逐渐减小的趋势。     

砂土中静压桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟

采用室内模型试验及颗粒流数值模拟研究了密实砂中静压桩沉桩过程,对桩周土体宏细观力学响应进行了分析研究。通过模型试验对浅层土体、桩身周围、桩端处土体的不同位移模式进行了比较分析,揭示了桩周不同位置土体的变位规律,并将孔隙变化场与宏观位移场进行相互印证,发现桩端土体位移模式与压密区基本呈圆孔扩张。对桩体贯入过程中的动端阻力、动侧摩阻力的发展规律以及临界深度等问题作了揭示。以室内模型试验为基础,建立了静压桩沉桩颗粒流模型,将数值结果与试验结果对比分析,通过分析土体细观变化模式揭示沉桩过程中宏观响应的内在机理。研究成果对于进一步明确沉桩挤土效应内在机理和沉桩阻力的发展规律都具有意义。     

静压桩在砂土沉桩过程中桩周土应力-位移场变化规律的颗粒流数值模拟

利用颗粒流理论及PFC2D程序,模拟静压桩的打入过程,分析了打入过程中土体颗粒的结构排列、桩周土体的位移和应力的变化,并绘出应力场和位移场的等值线图,根据应力-位移场将土体的运动分成三个区域。     

基于数字图像技术的桩周土体位移场测量

以数字图像相关(DIC)技术为基础,开发出适合岩土实验模型变形量测分析的新技术,并将该技术应用于垂直荷载下桩周土体位移场及其破坏模式的研究。试验中,直接用数码相机在试验各阶段拍摄照片,对照片序列进行图像相关分析,即可得出桩基模型试验的变形场分布。试验结果表明:利用编制的DIC程序分析桩周土体位移场是可行的;垂直荷载下单桩桩周土体位移场可分为桩侧土体变形区及桩端土体竖向变形区两个部分。随着离开桩轴线距离的增大,桩侧土体位移急剧减少,其影响范围为(4～5)b(b为桩的边长);桩端土体受扩张压力的作用,沿径向向外扩张,呈孔穴扩张现象。从桩周土体的位移场的发展过程来看,单桩呈"梨形"破坏,与Meyerhof所提出的桩周土破坏模式相似。     

砂土中静压桩挤土效应的数值模拟

在ABAQUS数值模拟软件的基础上,对施工完成后静压桩在砂土中的挤土效应进行了有限元计算与分析。得出了桩在贯入后,桩周土体位移以及应力的状况,发现静压桩在沉桩完成时,桩周土体的位移场以及应力场均会发生一定的变化:距桩轴线3D范围内的表层土体有较大的隆起现象,深层土体会产生一定的水平和竖向位移;距离桩轴线D处的径向和竖向土体应力最大值均出现在桩尖处,越靠近桩尖,水平和竖直应力越大。     

基于图像技术的桩周土位移场测量初步研究

基于数字图像技术对沉桩过程桩周土体位移场进行了测量。在模型桩贯入过程中,采用高像素的数字相机连续摄取桩及桩周土体变形的灰度图像,并实时地存储在计算机中进行相关运算,求出全场土体位移矢量。试验结果表明,本文所提出的全场位移方法所测量位移的精度要高于其它测量方法,测量结果与弹性理论解也十分接近。本法操作简便,对环境要求不高,可以实施全场测量,可以应用于研究土体变形机理的试验研究。     

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。     

基于桩周土体位移的双排抗滑桩计算模型

 假设桩周土体位移沿滑坡体深度均匀分布,抗滑桩为弹性地基梁。基于单桩在桩周土体水平位移作用下的挠度解析解,通过引入桩顶连梁静力平衡条件和变形协调条件,建立桩周土体水平位移作用下的双排抗滑桩理论计算模型。在模型中,针对双排抗滑桩间普遍存在的“遮蔽效应”,通过定义后排抗滑桩与前排抗滑桩桩周土体位移比进行量化考虑,并将理论模型解析过程通过Matlab编程实现,建立简化的FLAC3D有限差分程序,对理论模型计算结果进行验证。结果表明,基于桩周土体位移的双排抗滑桩理论计算模型与FLAC3D有限差分数值模型计算得到的内力基本吻合。探讨理论模型适用的桩排距范围,发现桩排距较小时,模型内力计算结果精度较高,随着桩排距的增大,理论模型与数值模型计算得到的内力误差变大。     

密排支护桩挤土位移简化计算方法

预制密排基坑支护桩沉桩时,对基坑外的建（构）筑物和基坑内的桩基础产生了不利影响,有必要研究其挤土产生的位移。基于单桩挤土位移场的解析解,推导出密排桩挤土位移计算公式,计算不同桩数时沉桩地表位移、对比不同桩数时不同深度处沉桩位移、分析不同直径桩沉桩位移变化规律。得出：随着桩径的增大,挤土水平位移和竖向位移均逐渐增大;在径向距桩距离一定时,随着桩数的增多,沉桩产生的挤土水平和竖向位移均增大;密排支护桩两侧5～8倍桩径范围是挤土位移急剧变化区,在其两侧的挤土影响范围约为1.5～2倍桩长。     

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。     

Influence of soil reinforcement on the uplift bearing capacity of a pre-stressed high-strength concrete pile embedded in clayey soil

This paper presents a field study on the uplift bearing capacity of a pre-stressed high-strength concrete (PHC) pile embedded in clayey soil, and on the soil around the PHC pile that was treated with cement paste. The PHC pile was inserted into a pile hole filled with cemented soil by its own weight (by gravity), and the soil compaction effect of a conventionally driven pile induced by the installation process was avoided. The test results showed that: the pile head displacement needed to fully mobilize the uplift bearing capacity of the test piles was about 0.1 D (pile diameter); the ultimate skin friction of the PHC pile–cemented soil interface was much larger than that of the cemented soil–soil interface; the PHC pile and the cemented soil around the pile behaved as an integral pile in the load transfer process; and the measured ultimate bearing capacity of the test piles was 0.91–0.94 times the American Petroleum Institute (API)’s proposed values for piles under compression and 0.79–0.80 times the values calculated with the effective stress method for piles under compression.     

利用挤密砂桩处理因挤土效应引起的桩位偏移

针对挤土桩在打桩过程中产生的明显挤土效应，以圆柱孔扩张理论为基础来分析打桩过程产生的桩周土位移，提出了采用砂桩进行纠偏的可行性。     

盾构开挖下邻近既有桩基的竖向响应分析

当桩顶作用有不可忽略的上覆外荷载时,通过桩身向周围土体传递的荷载必然会较大地改变桩周土体的应力状态,因此邻近隧道开挖引起的地层位移将会与自由场差别明显,为探究既有桩基在邻近盾构隧道开挖及桩基上覆荷载同时作用下的响应规律,结合两阶段法,通过引入Boxlucas1指数函数模型来描述桩土间的非线性作用,进而提出了在盾构开挖影响下,一种计算邻近既有桩基竖向响应的简化分析法,分析中考虑了当前研究中大都忽略的上覆外荷载作用,并分析了不同外荷载作用下的桩基响应规律。研究表明:当桩顶无荷载作用时,桩身轴力先增大后减小,最大轴力出现在隧道中心深度附近;当逐渐增加桩顶外荷载时,桩基下部的摩阻力先于上部到达极限,桩基轴力呈现出"先缓慢减小、再急剧减小、最后再缓慢减小"的"三段式"递减规律。     

桩土变形调节装置的研制与应用

桩土的支承刚度通常存在数量级上的差异,因此实现桩土共同作用的关键是保证桩土的变形协调,对于摩擦桩可通过"塑性支承桩"的概念来实现,对于端承桩则需通过专门的变形调节装置来实现。对该装置进行了研究,研制成功的变形调节装置具有根据荷载自动调节自身变形的特点,并且支承刚度和变形调节范围均可事先人为设定。工程实践表明,研制的变形调节装置成功实现了端承桩的桩土共同作用,取得了显著的经济效益,该研究是正确、合理的,其工程实践也是成功的。     

支盘桩承载力特性及变形破坏模式研究

为了深入揭示支盘桩与土相互作用的内在机理,利用基于数字图像相关技术的模型试验及三维数值模拟方法对单桩、单支盘桩及双支盘桩的承载特性、桩周土体位移场分布特征进行研究。研究结果表明:单桩及单支盘桩荷载-沉降曲线呈现陡降型,而双支盘桩呈缓降型,且随着支盘数量增加,支盘桩承载力近似线性增长;单支盘桩在极限荷载阶段支盘下及桩端土体位移较大,而双支盘桩桩周土体位移较大部位主要集中在支盘周围土体;单支盘桩基础破坏面由支盘下土体的剪切滑动破坏面及桩端刺入破坏面构成,而双支盘桩基础破坏面由双支盘构成的连续滑动面组成,桩端刺入破坏特征不明显。研究结果为支盘桩承载力及破坏模式的合理确定提供了重要依据。     

三维波动土中考虑桩身变截面与桩周土相互作用的大直径桩的动力特性

 采用Voigt体来模拟桩身变截面与土的相互作用,得到了三维波动土中考虑变截面与土相互作用的大直径桩–土作用模型。对桩身变截面处的应力平衡和应变连续条件进行拉普拉斯变换,得到修正的阻抗函数递推法。桩周土采用考虑径向和纵向波动的三维轴对称模型,桩身采用黏弹性Rayleigh-Love杆来考虑大直径桩的横向惯性效应。结合修正的阻抗函数递推法,通过求解桩土动力平衡方程得到了桩顶的速度频响的解析解和瞬态激振下速度时域响应的半解析解。通过参数分析,将所得解与忽略桩身变截面与土相互作用的解进行对比,并分析有关参数与变截面与土相互作用的耦合作用。     

单桩桩土作用及其理论计算方法研究

通过探讨单桩桩土间的相互作用,结合国内外的理论研究成果,简要介绍了弹性理论法、剪切位移法、荷载传递法、数值分析法几种求解桩基础的理论计算方法,从而为其进一步的分析研究提供了理论基础。