海洋高桩基础水平大变位性状模型试验研究

利用浙江大学自行研制的大型地基与边坡工程模型试验系统开展了单桩基础水平大变位的大比例模型试验,获得了桩身屈服前后不同深度的桩身位移和桩身弯矩。通过建立桩身位移、弯矩及桩周土反力三者之间相互推导的有效途径,研究了桩周土p–y曲线沿深度的分布特性,发现传统Reese法和API法p–y曲线具有偏大的初始刚度及偏小的极限土抗力。在拟合桩周土反力试验值的基础上,提出了计算桩基水平大变位的双曲线型p–y曲线模型。     

砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验

大直径桩基在海洋工程中已越来越广泛应用。针对目前API规范p-y曲线对水平受荷大直径单桩的不适用性,通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性,分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p-y曲线。在修正p-y曲线初始刚度的基础上,采用双曲线型p-y曲线分析了水平受荷大直径单桩的内力和变形。揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性,试验结果显示桩身变形和最大弯矩近似与循环次数的对数线性相关。最后,由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p-y曲线,提出了循环应力比相关的p-y曲线循环弱化因子,以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。     

海洋高桩基础水平单调及循环加载现场试验

开展了海洋软黏土中 2 根大直径高桩基础的现场水平单调和循环加载试验,实测获得了桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力和孔隙水压力,揭示了水平单调和循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。利用实测桩身水平位移推算了桩周土反力,在此基础上提出了相应的双曲线型 p – y 曲线,通过引进 Poulos 循环弱化模型建立了水平循环荷载作用下的桩基双曲线型 p – y 曲线分析模型,水平单调及循环荷载作用下桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力等计算结果与实测值均吻合良好。通过现场试验发现规范 p – y 曲线法计算结果偏保守的主要原因是所采用的 p – y 曲线的刚度偏小;不同时段的循环荷载对桩基循环累积变形有叠加效应。 建议设计中应考虑桩基全寿命服役期内所承受的所有循环荷载的影响, 对于重要工程应开展相应的现场水平加载试验,实测桩身水平位移或桩身弯矩,进而利用所推算的桩周土反力来分析桩基受力变形及承载力。     

软黏土中导管架基础水平循环加载离心模型试验

为研究海上风机四腿导管架基础在风、浪等水平循环荷载作用下的受力及变形特性,开展了近海饱和软黏土地基四腿导管架基础水平循环加载离心模型试验。实测获得了水平循环荷载下导管架顶部的位移、基桩顶部的水平位移以及桩身弯矩,并利用实测桩身弯矩推导出桩身变形与桩周土反力。试验结果表明:水平循环荷载作用下导管架顶部的荷载–位移曲线表现出明显的非线性;后排桩的水平位移约为前排桩的80%,且均小于导管架顶部的水平位移,导管架发生了一定角度的倾斜;桩身最大弯矩值出现在泥面下约6D深度处。在此基础上,采用双曲正切型p–y曲线方法拟合试验结果并与API规范作对比,发现API规范p–y曲线的初始刚度和极限土反力均偏小。试验进一步揭示了泥面下5D深度范围内需考虑桩周土反力的弱化现象,且前排桩周土反力的弱化程度明显大于后排桩,在工程设计时应分开考虑下基桩桩周土的强度弱化情况。     

黄河三角洲粉土中水平受力桩p-y曲线试验研究

p-y曲线法在国内外的桩基设计中广泛使用,但对于黄河三角洲新近沉积粉土的p-y曲线尚缺乏研究。通过室内模型试验,根据桩身弯矩、桩身水平位移与桩周土抗力三者之间的关系,得出黄河三角洲饱和粉土地基单桩p-y曲线,并与美国石油学会API推荐的p-y曲线以及现有的两种粉土p-y曲线进行比较。对比发现:API推荐的p-y曲线有偏大的初始土抗力及偏小的极限土抗力,而现有的两种粉土p-y曲线有偏大的极限土抗力。最后给出了在黄河三角洲粉土地区桩基设计的建议。     

高桩基础水平静载和撞击模型试验研究

开展了水平静力和撞击荷载作用下高桩基础的 1<>g 大比例模型试验研究,测试获得了桩顶水平静动力作用力、桩身水平静力变形、桩身水平振动响应、桩身静动力弯矩及桩侧静动力土压力等。发现由实测桩身静力弯矩推算的桩周土反力规律与实测静态桩周土压力规律较为一致;水平撞击荷载作用下,动态桩周土反力与撞击力时程曲线密切相关。结合弹性地基梁线弹性动力模型及静动力 <> p – <> y 曲线模型的分析揭示了桩土静动力相互作用机理及其对桩基内力和变形的影响规律。综合比较了上述分析模型的理论计算结果及试验实测结果,推荐采用复合刚度动力 <> p – <> y 曲线模型分析水平撞击荷载作用下的高桩基础,其分析结果与实测桩身振动响应和内力均吻合良好。最后采用该模型对现场防撞桩进行了防撞分析。     

大直径单桩水平受荷机制数值研究

大直径单桩基础是目前使用最广泛的海上风机基础形式。目前,水平受荷桩的分析与设计普遍采用基于Winkler地基模型的p—y曲线法,即将土体简化为一系列分布弹簧,将桩基简化为梁单元。但是,现有规范中给出的p—y曲线是基于试桩桩径主要不超过1.2 m、长径比大于20的现场水平荷载试验结果得到,并不适用于大直径刚性短桩。基于三维有限元模型,对大直径单桩的水平受荷机制展开研究。研究表明,API远远高估了大直径单桩基础的初始刚度,而低估了土体极限抗力。大直径大桩基础的破坏模式分为浅层的楔形破坏和深层的面内转动。     

砂土地基中V-H-M组合荷载下单桩分析方法研究

海上风力发电机的大直径桩通常会受到多向荷载共同作用。在实践设计中,基础的竖向和水平承载性能是独立分开设计的,但大量研究证明竖向荷载对桩基水平承载性能具有重要的影响。将竖向荷载对大直径单桩水平承载性能的影响划分为3部分:(1)竖向荷载对桩周p–y曲线影响;(2)P–(35)效应;(3)桩侧摩阻力引起的反向弯矩。然后,以楔形体模型为基础考虑竖向荷载对桩侧土抗力极限值pu的影响推导了修正p–y曲线计算公式,在传统水平受荷桩的弹性地基梁方程中引入P–(35)效应和桩侧摩阻力引起反向弯矩,建立了均质砂土中承受水平力、竖向力及弯矩三向组合荷载下的单桩的分析方法。并将该方法应用于既有案例,验证了该理论方法的可行性。     

考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩p–y曲线

为揭示砂土中上拔荷载对水平受荷斜桩性状的影响规律,开展了9根斜/直桩模型试验,实测获得了上拔与水平荷载共同作用下的桩顶荷载位移曲线及桩身应变,计算得到了桩侧土抗力p及相应的桩身横向位移y,建构了考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩双曲线型p–y曲线,给出了地基土初始反力模量及极限土抗力的确定方法。该p–y曲线能反映水平与上拔荷载共同作用下斜桩与桩侧土之间复杂的挤压、剪切相互作用。基于文中建立的p–y曲线,编写程序分析了斜桩的承载变形性状及内力分布规律,研究了桩顶上拔荷载大小、桩顶约束条件对水平受荷斜桩承载性状和内力分布的影响,结果表明:①不论桩顶自由还是固支,上拔荷载增大时,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均减小,而负斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均增大;②相同的水平及上拔荷载作用下,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均小于负斜桩;③相同的上拔荷载作用下,水平受荷斜桩在桩顶固支条件下桩身横向位移、弯矩及剪力较小,而桩顶自由条件下则较大。     

软黏土中劲性复合桩水平承载特性p–y曲线研究

劲性复合桩(SC桩)是一种将高强度混凝土桩与水泥土桩相结合的新型桩基。为研究软黏土中SC桩水平承载力理论计算方法,将水泥土视为硬黏土,基于现有软黏土和硬黏土中桩基的p–y曲线形式,考虑水平荷载作用下桩周水泥土和软黏土的土抗力分担比例,推导了p–y曲线中两个重要参数p_u和y_(50)的修正因子,进而建立了软黏土中SC桩水平承载特性p–y曲线计算方法。通过与3个现场试验的实测结果的对比分析,验证所建立的p–y曲线法的准确性与可靠性,继而开展SC桩水平受荷性能影响因素分析。结果表明:所建立的理论计算方法可以有效预测SC桩的水平承载特性,且当桩身变形较大时应考虑混凝土芯桩的非线性影响。水泥土桩桩径(D)对SC桩水平承载性能影响显著,当水泥土桩与混凝土芯桩的桩径比(D/d)从1.0增至3.0时,120 kN水平荷载下的桩头位移从25.8 mm减至5.1 mm,且桩身最大弯矩值减小51.0%;桩身水平承载性能受水泥土桩桩长(L)的影响较大,但当长径比(L/d)超过10后,桩身内力位移趋于稳定值;适当地增加水泥土桩强度与混凝土芯桩弹性模量也可提高SC桩的水平承载性能。     

砂土中微型桩p-y曲线研究

本文通过砂土中微型桩侧向受荷室内足尺模型试验,获得了微型桩在侧向受荷时不同深度处桩身位移、弯矩和桩周土反力,研究了微型桩的变形和受力特性。在试验基础上,利用三维有限元方法建立了微型桩-土互相作用模型,针对桩径从0.1 m到0.2 m的微型桩p-y曲线进行分析,并与常用的Reese法和API法的进行比较,发现常用的Reese法和API规范的p-y曲线的初始刚度偏大及桩周土极限抗力偏小。最后,在试验及三维有限元模型的基础上研究了微型桩-土p-y曲线沿深度变化的分布特性,提出了适用于砂土中微型桩的双曲线型p-y曲线。     

基于极限抗力分析的微型桩群加固土质边坡设计方法

微型桩是一种常用边坡快速加固手段,多大面积成群布置。基于梁柱理论和弹塑性地基系数法中的P–y曲线法建立了微型桩加固边坡的水平抗力分析模型,提出了确定微型桩截面极限弯矩以及最大抗剪力的迭代分析方法;采用有限差分法推导了轴向和横向复合外力作用下微型桩内力和变位的计算公式;以最大限度发挥微型桩群横向抗力为目标,重点研究了微型桩群中微型桩横向间距和纵向间距的确定方法。在此基础上,形成了采用微型桩群加固土质边坡的设计方法,内容主要包括微型桩群布设位置的选取、微型桩选型、桩长选取、微型桩群断面设计、微型桩群平面设计以及顶梁设计等。将该方法应用于某公路路堤边坡病害加固工程设计中,监测资料表明,坡体位移在微型桩群的作用下逐渐趋于收敛,坡体病害得到了根治,从而验证了设计方法的有效性。     

Design method for stabilization of earth slopes with micropiles

As one of the measures for slope fast reinforcement, micropiles are always designed as a group. In this paper, an analytic model for the ultimate resistance of micropile is proposed, based on a beam–column equation and an existing p–y curve method. As such, an iterative process to find the bending moment and shear capacity of the micropile section has been developed. The formulation for calculating the inner force and deflection of the micropile using the finite difference method is derived. Special attention is given to determine the spacing of micropiles with the aim of achieving the ultimate shear capacity of the micropile group. Thus, a new design method for micropiles for earth slope stabilization is proposed that includes details about choosing a location for the micropiles within the existing slope, selecting micropile cross section, estimating the length of the micropile, evaluating the shear capacity of the micropiles group, calculating the spacing required to provide force to stabilize the slope and the design of the concrete cap beam. The application of the method to an embankment landslide in Qinghai province, China, is described, and monitoring data indicated that slope movement had effectively ceased as a result of the slope stabilization measure, which verified the effectiveness of the design method.     

方钢管混凝土压弯构件截面非线性分析

构件截面非线性分析是进行结构抗震性能分析的重要基础,针对方钢管混凝土构件中钢管的三向受力特点,提出了一种适于计算方钢管混凝土压弯构件弯矩-曲率骨架曲线的钢材本构模型,模型中考虑了钢材的环向拉力作用;并应用提出的钢材模型和已有的混凝土模型编制了纤维模型数值计算程序;分析了含钢率、轴压比、混凝土强度和钢材强度对方钢管混凝土压弯构件截面弯矩-曲率曲线的影响。通过对构件屈服弯矩、极限弯矩的分析,提出了一种方钢管混凝土压弯构件的三线性骨架曲线,该曲线可用于工程中方钢管混凝土框架结构的动力学分析。     

微型桩–加筋土挡墙的模型试验和数值模拟分析

微型桩–加筋土挡墙是一种适用于山区陡坡地带公路工程的新型路基支挡结构,为了初步检验其工作机制和效果,通过模型试验,并结合有限元模拟,对微型桩加固前后的斜坡加筋土挡墙在多级附加荷载下的静力响应进行对比研究。结果表明:数值计算手段能够较好地再现模型试验结果;在2~10 kPa附加荷载下,实测微型桩–加筋土挡墙的沉降比加固前减小11%~40%,面板侧向位移减小50%~66%,且附加荷载越大,减小的比例越大;同时,基底压力和侧向土压力也比加固前明显降低;倾斜桩对挡土墙变形的限制发挥着更为重要的作用,实测2~10 kPa附加荷载导致的倾斜桩身弯矩比竖直桩高出25.9%~40.3%,因而有必要采用较高强度的微型桩作为倾斜方向的加固构件。研究结论初步验证了微型桩–加筋土挡墙的有效性,可为其在实际工程中的应用提供指导。     

Effect of Slope on P-Y Curves Due to Surcharge Load

An extensive program of laboratory model tests was undertaken to study the effect of slope on p-y curves due to surcharge load in dry sand. The paper concerns the method developed in a series of laboratory model tests to experimentally determine p-y curves. Bending moment curves are differentiated by using curve fitting method of cubic polynomial function. The study includes effect of slope angle and relative density on bending moment, lateral soil resistance, lateral deflection and non-dimensional p-y curves. The non-dimensional p-y curves for piles on sloping ground under surcharge load are developed modifying API RP 2A (2000) method by including a Reduction Factor (R) using the experimental results.     

框架微型桩结构抗滑特性的模型试验研究

 基于模型试验结果,对框架微型桩结构的抗滑特性进行研究。研究结果表明,滑坡推力作用下,框架微型桩结构中微型桩顶水平位移与荷载之间为双曲函数关系,且框架梁在荷载作用下发生倾斜,后排微型桩产生较为明显的被拔出趋势。对土压力以及桩身弯矩的监测结果表明,均布荷载作用下,作用在框架微型桩结构上的滑坡推力的分布近似为梯形,滑面及桩顶部土压力较大,桩底部土压力较小,后排微型桩受到的滑坡推力比前排桩大,推力最大值之比约为1∶0.6,滑面以下桩后土抗力的分布近似为倒三角形。将微型桩布置更为密集的微型桩框架结构具有更大的极限抗力;但是,在相同位移容许值的条件下,试验中2种结构的抗滑承载力差别不大。框架梁可以有效限制微型桩顶位移并减小桩身弯矩,但也会在微型桩顶部产生较大的弯矩,故实际工程中可以采取增大截面尺寸、增大框架梁埋深或增设套管等措施提高微型桩截面的抗弯刚度,从而提高框架微型桩结构的整体抗滑性能。     

黄土滑坡微型桩破坏模式研究

通过大型物理模拟试验和有限差分(FLAC3D)模拟,研究了黄土滑坡微型桩群桩破坏模式。现场试验及数值模拟结果表明,微型桩易发生破坏的区域为滑面上下各4倍桩径范围内,且其破坏形式以弯剪破坏为主;微型桩上滑坡推力的分布形式近似为三角形,推力在滑面处达到最大值;滑坡推力沿荷载传递方向依次递减;微型桩群桩的弯矩分布形式有别于传统抗滑桩,弯矩最大值出现在滑面附近。其成果为微型桩的研究与应用提供了理论基础。