倾斜荷载下基桩的改进有限元-有限层分析方法

提出地基加权刚度的概念,对现有有限元有限层法进行改进,用以分析计算倾斜荷载下基桩的受力变形特性,可考虑地基土成层与非均匀性等因素的影响,并能近似考虑地基土的非线性特征及桩身PΔ效应,工程应用结果表明,效果良好。     

考虑P-△效应的承重阻滑桩有限差分解

承重阻滑桩既需承受来自上部轴向与水平向的荷载作用,又要抵抗桩侧滑坡推力,具有承重与阻滑双重功能,其受力性状远比抗滑桩和平地上倾斜受荷桩复杂得多.综合考虑滑坡推力、地基系数、桩身侧摩阻力、桩身自重等影响因素,引入桩顶荷载对承重阻滑桩内力、位移的影响(P-△效应),推导得出不同特征桩段的微分方程,进而提出适用于承重阻滑桩内力及位移分析的有限差分解,并结合室内模型试验实测数据进行了分析比较,结果表明采用有限差分法分析承重阻滑桩内力及位移是可行的.     

考虑P-Δ效应的承重阻滑桩有限差分解

承重阻滑桩既需承受来自上部轴向与水平向的荷载作用,又要抵抗桩侧滑坡推力,具有承重与阻滑双重功能,其受力性状远比抗滑桩和平地上倾斜受荷桩复杂得多。综合考虑滑坡推力、地基系数、桩身侧摩阻力、桩身自重等影响因素,引入桩顶荷载对承重阻滑桩内力、位移的影响(P-?效应),推导得出不同特征桩段的微分方程,进而提出适用于承重阻滑桩内力及位移分析的有限差分解,并结合室内模型试验实测数据进行了分析比较,结果表明采用有限差分法分析承重阻滑桩内力及位移是可行的。     

膨胀土地基中单桩受扭非线性分析

膨胀土地基中桩-土相互作用较为复杂,膨胀土浸水对单桩扭矩承载特性的影响机理尚未明确。该文基于荷载传递法建立桩身位移控制方程,考虑膨胀土浸水隆起对桩侧摩阻力及桩端边界条件的影响,利用有限差分法求解出桩侧竖向摩阻力的分布。在此基础上,结合边界元法提出膨胀土地基浸水后单桩受扭的非线性分析方法,揭示了桩侧环向摩阻力的分布规律,并通过模型试验验证了该文方法的正确性。研究表明:膨胀土地基浸水膨胀引起的地表隆起会使单桩的扭矩承载力大幅度降低,常规的计算方法高估了基桩的极限扭矩和桩-土体系加载刚度,偏于不安全;浸水前单桩的桩身扭矩沿桩身近似线性减小,浸水后桩-土界面“滑移段”的扭矩接近于桩顶扭矩,“未滑移段”桩身扭矩近似线性减小;随着膨胀土膨胀率的增加,单桩的抗扭能力降低,且桩-土界面“滑移段”的长度也在增加。     

竖向力-温度荷载-扭矩加载路径下单桩承载变形研究

正常服役过程能量桩受复杂的力学行为，目前针对多向荷载作用下能量桩的承载变形特性研究相对较少。为探讨能量桩在竖向力、温度荷载和扭矩共同作用下的承载特性，依次施加桩顶竖向力、温度荷载和桩顶扭矩，通过考虑温度荷载对桩侧摩阻力及边界条件的影响，基于荷载传递法及边界元法构建了桩身位移控制方程，提出竖向力→温度荷载→扭矩加载路径下的能量桩承载变形特性的分析方法，通过与已有试验和ABAQUS有限元结果进行对比，均具有比较好的吻合度。研究表明，温度荷载会改变单桩的荷载传递特征，影响桩身轴力和桩侧摩阻力分布。竖向力→温度荷载→扭矩加载路径下，温度变化引起的附加荷载会导致单桩抗扭承载力降低。进一步的参数分析表明，增大竖向荷载会使桩侧极限环向摩阻力减小，导致能量桩单桩抗扭能力降低26.2%(75%P_u,P_u为竖向极限荷载)；随着长径比的增加，桩身承载力逐渐增大，可选取合适的长径比抵消温度荷载带来的影响；随着温度增量的增大，桩身变形量逐渐增大，其中桩身0.6L以上部分变形较大，因此作为能量桩使用的工程桩基需要对地基上部进行加固。     

Gibson地基中V-T联合受荷桩承载力分析

为探讨桩顶竖向力(V)和扭矩(T)共同作用时的桩身受力特性,于桩顶先作用V后施加T,视桩周土为Gibson地基,并考虑桩-土接触面上的位移非协调性,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立出桩身位移控制方程,引入力和位移边界条件后,推导出桩周土处于不同受力阶段时的桩身内力位移解析解,由此求得不同V-T组合作用下的桩身承载力,进而获得桩身承载力包络图。进一步的参数分析表明,对于V-T联合受荷桩:保持桩身长径比m0不变,桩身承载力随桩长L的增加而变大,而L不变时,桩身承载力随m0增加而增加;随桩土刚度比λ、桩侧土体剪切模量和极限摩阻力分布常数比值n的增大,桩身承载力逐渐减小;随桩顶扭矩的增加,桩顶所能承受的竖向力不断减小,且减幅先快后慢,最终趋于零。     

基于T-P模型的桩-桩水平振动相互作用研究

为精确揭示桩-土动力相互作用,弥补动力Winkler地基-Bernoulli-Euler梁模型(E-W模型)在桩-桩水平振动分析中的不足。考虑土体剪切效应和桩身剪切变形,建立Pasternak-Timoshenko模型(T-P模型)模拟桩-土动力相互作用,推导水平动力和竖向荷载共同作用下的主动桩水平振动解析解。在此基础上,根据桩-桩动力相互作用原理,建立被动桩水平振动控制方程,运用传递矩阵法考虑土体分层特性,利用初参数法计算桩-桩动力相互作用因子;与已有文献进行对比,验证计算结果的正确性。通过参数分析表明：土体剪切效应对水平动力相互作用因子有增强效果;在给定桩土参数的情况下,主动桩和被动桩存在“有效桩长”(Ld=10d～15d);当桩身长径比在L/d=5～10范围内时,不宜忽略桩身剪切变形对动力相互作用因子的影响;竖向荷载对水平-摇摆耦合作用因子的影响最为显著。     

非饱和地基中部分埋入桩的水平振动问题EI北大核心CSCD

本文研究非饱和土中部分埋入桩的水平振动问题,为模拟桥梁桩基的高承台桩的实际服役状态,考虑水平简谐荷载和竖向静载的组合作用,采用Timoshenko梁模型和三维连续介质建立了非饱和土⁃部分埋入桩的耦合振动理论模型,利用微分变换法和传递矩阵法求得了桩身水平动力响应解析解,将退化解与已有成果作比较,验证了本文解的合理性。基于建立的理论模型,探讨了竖向荷载、埋入比和饱和度对部分埋入桩水平动力特性的影响。研究结果表明:刚度因子随着竖向荷载的增大而迅速减小,但是阻尼因子略微减小;刚度因子和阻尼因子均随着埋入比的增加而减小;桩身水平位移、转角、弯矩和剪力幅值均随着埋入比的增大而增大,幅值位置逐渐向上移动;饱和度较低的对刚度因子的影响很小,但饱和度大于0.9时刚度因子随饱和度的增加而迅速增大,阻尼因子基本保持不变。     

考虑附加抗力影响的单桩水平受力分析方法

单桩基础受水平荷载作用时,桩身截面转动引起的竖向摩阻力形成土对桩的附加抗力矩,同时桩端土对桩也有一定的附加抗力效应。为了研究桩身和桩端附加抗力对单桩水平承载特性的影响,该文基于API规范推荐的砂土摩阻力模型,结合桩身径向土压力引起的极限摩阻力增强效应,推导出砂土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解;采用API规范推荐的黏性土摩阻力模型,推导出黏性土中桩身抗力矩的离散数值解和简化公式解。基于双曲线桩端竖向应力-位移模型,在考虑桩端桩-土界面脱开效应的基础上,得到了桩端抗力矩的离散数值解和简化公式解,桩端水平剪力的离散数值解;进而提出基于Winkler地基梁模型的有限元计算方法,并编制了程序。通过对比试验数据,初步验证了该文方法的正确性,进行了水平承载力的参数分析,结果表明:随着长径比的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比逐渐减小;而随着桩直径的增加,附加抗力在总水平承载力中的占比并未显著变化。     

按桩顶沉降量控制超长灌注桩竖向承载力研究

采用桩端阻三折线、桩侧阻双折线荷载传递模型,对基桩竖向承载力进行深入分析,提出了按桩顶沉降量控制大直径超长灌注桩基桩竖向承载力的设想,并导得了多层地基中桩周桩端土层处于各种不同状态下的竖向承载力解析解。该解答不仅能考虑桩周土的分层,还能考虑桩端土体的非线性及沉渣的影响。最后,采用本文方法对两根试桩的实测荷载-沉降曲线进行了比较分析,结果表明二者基本吻合,计算方法可供工程实践参考。     

竖向受荷长短桩基础的侧端阻力分析方法

运用幂函数有限项级数的表达式表示群桩中单桩的桩侧摩阻力分布函数,并基于弹性理论中的变形协调关系、桩体物理方程和力的平衡关系,推导了长短桩群桩基础中联系桩顶荷载和桩顶位移之间的刚度矩阵。利用该矩阵可以分析长短桩桩基础中桩侧摩阻力和桩端阻力的分布情况。对于不同桩长的群桩基础的侧阻力、端阻力与Poulos方法、Chow混合方法和有限元分析结果进行了比较,证明该方法是可行的,精度也满足要求。     

高层建筑复合桩基中单桩的承载性状分析

复合桩基是一种充分利用桩间土、桩土共同作用的桩基础型式。在其中,确定桩体的承载力是非常重要的。基于一个应用复合桩基的高层建筑的工程实例,通过有限元对其整体建筑进行了随楼层荷载增加的三维非线性数值模拟。分析结果表明处于不同位置的桩(即角桩、边桩、中桩)的承载能力是不同的,单桩承载力的确定应将桩体浅层5d―10d(d为桩体直径)长度内的摩阻力剔除。本工程实例应用并验证了这些规律。     

框-剪结构剪力墙可中断高度的分析研究

基于钢筋砼杆件截面的轴力-弯矩-曲率关系,建立了考虑杆件P-Δ效应和剪切变形且能分析结构极限状态的非线性有限元法。将剪力墙当作特别杆单元,对不同高度、配筋、轴压比和刚度特征值的中断剪力墙的框-剪结构进行了静力弹塑性分析。设定可中断剪力墙高度的条件。计算表明:上部剪力墙中断的相对高度值的决定因素为结构顶部的位移;相对高度值与配筋和轴压比无关;与结构高度关系较小;随着刚度特征值的增加,相对高度值随之增加,并给出了两者之间的表达式。     

刚性桩复合地基竖向承载特性分析

为研究刚性桩复合地基的承载机理,利用有限元程序,对刚性桩复合地基在竖向荷载下的轴力、沉降特性进行了计算分析,着重讨论了桩身轴力、基础沉降等随垫层厚度、垫层模量、桩长、土体模量及桩间距等因素变化的规律,并在此基础上对刚性桩复合地基设计参数的选取原则进行了讨论。     

管桩承载性状的数学描述

基于5根桩现场试验资料的分析,对表征管桩承载性状的桩顶荷载-桩顶沉降曲线、桩身压缩-桩顶荷载曲线进行了数学描述。结果表明:1)用Boltzmann数学模型拟合5根桩的桩顶荷载-桩顶沉降曲线,效果很好,相关系数都达到了0.996以上。2)从综合系数-桩顶荷载曲线图上可发现5根桩的曲线形状有3种类型。3根短桩的综合系数大,2根超长桩的综合系数小。这些反映出综合系数是一个变量而非常数,要由它来确定桩身压缩难度较大。3)用Boltzmann数学模型对桩身压缩-桩顶荷载关系曲线进行回归拟合,效果也很好,各单桩的相关系数都达到了0.996以上,5根桩的综合相关系数为0.9871。这样就可根据已有试桩资料的回归拟合曲线及其方程式来预测和计算该场地及其类似场地中钢管桩的桩身压缩。4)Boltzmann数学模型是适合描述钢管桩桩顶荷载-桩顶沉降、桩身压缩-桩顶荷载这两类曲线的,它为桩身压缩及其极限值的预测、为桩顶极限承载力的判定提供了新方法。5)极限荷载与长径比成大致的负线性关系。     

用能量法确定考虑冻胀力和冻土抗力作用时桩基的临界荷载

借鉴经典欧拉弹性稳定理论,建立了冻土地区自由桩稳定理论的能量方程,再用能量法求解出在冻胀力和冻土抗力作用下桩屈曲临界荷载计算的通用公式。在ANSYS中用离散弹簧单元模拟桩侧冻土的弹性抗力作用,以昆仑山多年冻土地区桩基试验场试验桩为例,进行有限元法求解。两种方法的计算结果吻合较好,最后通过参数分析得出冻土地区影响桩基稳定性的主要因素。     

倾斜转子-滑动轴承系统周期解稳定性研究

摘　要：针对倾斜转子-滑动轴承系统的周期解稳定性问题,考虑倾斜状态下滑动轴承径向载荷的变化,基于有限元法建立了系统的动力学方程。使用Newmark方法仿真得到了倾斜转子-轴承系统的动力学响应,并分析了倾斜角度变化对转子周期解失稳阈速和失稳区宽度的影响。仿真结果表明,转子倾斜角度增大会导致转子失稳阈速减小,失稳宽度增大,但对周期解失稳区域上边界影响不大。倾斜转子的升速实验验证了仿真结果。     

Proposed design chart of mechanical joints on steel-PHC composite piles

A fundamental study of a mechanical joint in a steel-PHC composite pile subjected to combined loads was done using three-point bending tests and 3D finite element analyses. The three-point bending tests were conducted to evaluate load-deformation response, strain distribution on the pile, ultimate bending moment and failure mode of the mechanical joint on steel-PHC composite piles. In addition, 3D finite element analysis for the mechanical joint was performed and then, the stress distributions and the maximum load resistances of each parts of the joint were estimated by comparing the calculated stresses to the yielding stresses of the joint materials. The 3D numerical methodology in the present study represents a realistic mechanism of mechanical joints. Through detailed numerical analysis, it is found that the behaviour of mechanical joint of composite piles shows safe side under working load. Based on these results, the design chart for steel-PHC piles has been proposed to be convenient for preliminary design stage which can be used to evaluate the safety of mechanical joints.     

消除负摩阻力扩体挤密桩的研制及力学特性分析

针对湿陷性黄土地区等不良土质地区的桩基负摩阻力问题,提出一种既可以消除负摩阻力,又能提高承载力的扩体挤密新型桩,对其结构构成和工作机理进行详细阐述。根据扩体挤密桩的结构特性,建立扩体装置扩张的菱形孔扩张模型,采用复变函数方法,求解了扩体装置扩张的弹塑性解及极限扩张角,推导出该新型桩的单桩极限承载力计算公式。结合算例采用有限元法和提出的理论计算方法对该新型桩的挤土效应和承载特性进行了分析。结果表明:扩体装置对土体应力的影响范围约为扩体装置扩开宽度的2倍~3倍;扩体装置扩张形成的塑性区范围大小在竖直方向上和水平方向上基本相等;各扩体装置承力时具有一定的顺序效应和时间效应,扩体装置的承力能力与周围土体的性质有关;数值模拟结果与理论计算结果基本一致,验证了理论分析方法的正确性;与普通直桩及套管桩相比,扩体挤密桩消除负摩阻力效果良好,提高承载力作用显著,受力机制科学合理,为湿陷性黄土地区桩基工程的设计提供一定的理论依据和参考。