基于总应力法的静压桩极限承载力时效性研究

考虑天然饱和黏土的应力历史和初始应力各向异性,推导得出了静压沉桩过程和再固结过程中静压桩周土体应力状态的变化规律。在此基础上,根据静压桩承载时桩侧土体应力状态与单剪试验及三轴试验中土体应力状态之间的相关性,基于总应力法推导了天然饱和黏土地层中静压桩时变承载力的解析解,提出了桩侧和桩端承载系数的理论计算方法。采用离心模型试验对本文解答进行验证,研究了沉桩结束后静压桩承载力随再固结时间的变化规律,分析了土体原位力学特性与静压桩承载系数之间的关系。研究结果表明,沉桩结束后静压桩承载力的增长主要是由于桩侧承载力的增长,而且静压桩承载力在沉桩结束后较短时间内增加的幅度较大,随后增长幅度变缓并趋于稳定;土体超固结比和静止侧压力系数越大,沉桩结束后承载力增长速率越快,但桩侧和桩端承载系数均随土体超固结比和静止侧压力系数的增大而减小。     

基于CPTU测试的K_0固结黏土中静压桩时变承载力研究

基于空间滑动面(SMP)准则改进的K_0固结各向异性修正剑桥模型,考虑K_0固结饱和黏土初始应力各向异性、应力历史及应力诱发各向异性对土体三维力学特性的影响,推导了静压沉桩柱孔扩张问题的弹塑性解析解。在此基础上,根据桩侧土体应力状态与单剪试验中试样应力状态的相似性,结合桩周土轴对称固结理论提出采用孔压静力触探仪(CPTU)锥尖阻力、锥肩孔隙水压力及相应孔压消散数据预测静压桩时变承载力的理论方法。通过离心机模型试验实测结果和理论预测值的对比,验证了理论方法的有效性,研究了静压桩承载力随时间的变化规律。研究结果表明,本文理论预测方法避免了土体基本参数测定等繁琐过程,且可以较为合理地预测静压桩时变承载力;静压桩沉桩结束后其承载力在短时间内迅速增加,之后承载力增加幅度变缓且逐渐趋于稳定值;静压桩桩径越大,沉桩结束后承载力增加的速度越慢,承载力达到稳定值的时间越长。     

考虑土体三维强度特性的静压桩周超孔压解析及演变

 将饱和黏性土中静压沉桩过程近视看作柱孔不排水扩张问题,在充分考虑土体三维强度特性的条件下采用SMP准则改进的修正剑桥模型,推导得出柱孔扩张引起超孔压的基本解答。在此基础上,考虑桩周土竖向和径向固结,建立空间轴对称固结方程的定解条件,采用分离变量法求得桩周超静孔隙水压力消散的级数解答。分析桩周土体超静孔隙水压力随时间和空间的演变规律,揭示应力历史、径向和竖向固结系数以及剪切模量等因素对初始超孔压的产生和随后的固结速率的影响规律,并通过实例验证本文解答的合理性和适用性。通过与现场实测对比,本文解答较好地反映了静压桩周土体超静孔隙水压力的演变规律。此外,桩周土体的超静孔隙水压力随距桩侧径向距离增大呈对数衰减。剪切模量和竖向固结系数对桩周土体固结速率影响较小,而土体超固结比和径向固结系数对固结速率影响较为显著,表明超孔压消散主要发生在径向。研究成果对静压桩承载力的确定具有一定的指导意义。     

基于球孔扩张理论的静压桩承载力时效性研究

通过研究软土地基中静压桩的承载性状发现,静压桩的单桩承载力随时间的提高主要来源于桩侧摩阻力的增长,而桩端阻力变化对承载力的时间效应影响较小。静压桩承载力随时间增长的关系,可以用对数曲线描述。根据静压桩的贯入机制,将沉桩过程模拟为半无限土体中一系列球孔的连续扩张,土体假定为Mohr-Coulomb材料。基于球孔扩张理论,计算出不同时期桩侧极限摩阻力和桩端阻力,从而进一步求得不同休止期的静压桩极限承载力。与现场试验资料对比分析表明,计算值与实测值的变化规律一致,且误差较小,能够满足工程需要。     

基于球孔扩张理论和时效性的静压桩承载力计算

通过研究软土地基中静压桩的承载性状发现,静压桩的单桩承载力随时间的提高主要来源于桩侧摩阻力的增长,而桩端阻力变化对承载力的时间效应影响较小。静压桩承载力随时间增长的关系可以用对数曲线描述。根据静压桩的贯入机制,将沉桩过程模拟为半无限土体中一系列球孔的连续扩张,土体假定为Mohr-Coulomb材料。基于球孔扩张理论,计算出不同时期桩侧极限摩阻力和桩端阻力,从而进一步求得不同休止期的静压桩极限承载力。与现场试验资料对比分析表明,计算值与实测值的变化规律一致,且误差较小,能够满足工程需要。     

考虑时效性的静压桩荷载–沉降关系预测方法

考虑天然饱和黏土地层的原位力学特性,采用圆孔扩张模型考虑沉桩效应,结合太沙基一维径向固结理论推导了桩周土再固结过程中土体强度和剪切模量的解析解。在此基础上,根据桩基加载过程中桩侧土体的剪切变形特性,采用指数函数型荷载传递曲线分别建立了静压桩的桩侧和桩端荷载传递模型,提出了考虑时效性的静压桩荷载–沉降关系理论预测方法。通过现场试验对本文解答进行验证,研究了沉桩结束后静压桩荷载–沉降特性随时间的变化规律,分析了静压桩沉桩后不同历时的荷载传递特性。研究结果表明,沉桩结束后静压桩承载特性的变化主要是由于桩侧承载特性的提高;特定休止期后的静载试验结果与静压桩真实承载特性存在一定差异。因此,实际工程中应根据桩周土体力学特性的改变结合静载试验合理确定静压桩的承载特性。     

临近斜坡静压沉桩过程中边坡动态稳定性研究

基于Bishop圆弧滑动法,根据坡顶静压沉桩过程中桩端阻力、桩身摩阻力对边坡的反作用及沉桩过程中桩周土体强度的变化,并考虑桩体通过边坡潜在滑动面后的抗剪力,提出了静压沉桩过程中边坡动态稳定性的计算方法。结果表明:静压沉桩过程中边坡稳定安全系数随桩入土深度的增加而逐渐减小,当桩端到达边坡潜在滑动面时其安全系数最小,随后由于桩的抗剪力,边坡稳定安全系数显著增大,且逐步趋于稳定。压桩过程中产生的桩端和桩身对边坡的作用力是造成边坡稳定性降低的重要因素;土体超固结比和有效内摩擦角越大,沉桩过程中边坡稳定安全系数越大;桩径越大、桩间距越小,边坡稳定安全系数变化幅度越大。     

天然饱和黏土中新、旧桩荷载–沉降关系研究EI北大核心CSCD

天然饱和黏土中静压桩沉桩结束后其桩周土体逐渐固结,由于旧桩周围土体已完全固结,其桩周土体的力学特性与新桩有显著差异,承载特性亦有较大区别。针对新、旧桩单桩的荷载–沉降特性,在考虑土体初始各向异性、沉桩效应的基础上,基于柱孔不排水扩张后桩周土体应力与孔压基本解答,研究新、旧桩周土体力学特性的差异。在此基础上,根据新、旧桩周土体的力学特性和桩侧土体在加载过程中的力学特性,提出分别适用于新桩与旧桩的荷载传递模型,并通过与现场试验结果对比进行验证。研究结果表明,该荷载传递模型能较好地预测新、旧桩的荷载–沉降关系,对新、旧桩混合桩基承载机制的深化认识及其优化设计理论的完善都具有重要意义。     

不同直径单桩静压贯入力学特性模型试验研究

为探讨不同桩径静力压入单桩的贯入力学特性,设计了不同桩径的模型桩,基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG)传感技术,开展了黏性土中静压贯入两种不同直径单桩的模型试验研究。结果表明:试桩的压桩力基本呈线性增加趋势,桩径越大,压桩力越大;桩径不同会影响单桩的荷载传递性能,由于桩径越大挤土效应越明显,沿深度方向的桩身轴力传递性能优于小桩径桩;桩身单位侧摩阻力随深度增大而增大,桩径越大,对土体的侧向挤压力越大,桩身单位侧摩阻力越大;同一深度,两种不同直径单桩桩身单位侧摩阻力都出现"侧阻退化"现象,"侧阻退化"现象随着贯入深度的增加越明显,且桩径越大,桩身单位侧摩阻力退化越显著;均质黏性土地层静压沉桩阻力主要为桩端阻力,沉桩结束时,试桩桩端阻力占沉桩阻力的比例分别为59.5%和66.2%,不同的桩身直径既影响桩端阻力,又影响桩侧阻力。确定静压贯入沉桩阻力时,考虑基于黏性土的侧阻退化后实际值更为合理。     

天然饱和黏土中新、旧桩荷载–沉降关系研究

天然饱和黏土中静压桩沉桩结束后其桩周土体逐渐固结,由于旧桩周围土体已完全固结,其桩周土体的力学特性与新桩有显著差异,承载特性亦有较大区别。针对新、旧桩单桩的荷载–沉降特性,在考虑土体初始各向异性、沉桩效应的基础上,基于柱孔不排水扩张后桩周土体应力与孔压基本解答,研究新、旧桩周土体力学特性的差异。在此基础上,根据新、旧桩周土体的力学特性和桩侧土体在加载过程中的力学特性,提出分别适用于新桩与旧桩的荷载传递模型,并通过与现场试验结果对比进行验证。研究结果表明,该荷载传递模型能较好地预测新、旧桩的荷载–沉降关系,对新、旧桩混合桩基承载机制的深化认识及其优化设计理论的完善都具有重要意义。     

考虑天然黏土应力各向异性的静压沉桩效应研究

 基于K0固结各向异性修正剑桥模型(K0-MCC),考虑天然饱和黏土的初始应力各向异性及应力诱发各向异性特征,推导天然饱和黏土地基中静压沉桩扩孔问题的理论解,提出沉桩阻力的理论计算方法。在此基础上,通过静压沉桩离心机模型试验,对理论解进行验证,研究静压沉桩过程中桩周土压力、孔压及沉桩阻力的变化规律。结果表明,由于提出的理论解合理考虑了天然黏土地基的固有特性,因而可以较好地反映天然饱和黏土中的静压沉桩效应。研究成果为静压桩施工及承载力确定提供了理论依据,具有一定的理论和工程意义。     

Analytical model for evaluating XCC pile shaft capacity in soft soil by incorporating penetration effects

The derivation of a new analytical model for predicting the soil displacement of X-section cast-in-place concrete (XCC) piles installed vertically into soft clay as well as for predicting limit shaft resistance during loading phases is presented in this paper. The analytical model is formulated by assuming that the XCC pile penetration process is an X-shaped cylindrical cavity expansion process. Based on the theoretical framework of the Strain Path Method (SPM), the strain, displacement and stress induced by X-shaped cavity expansion can be obtained. The proposed analytical model is validated by comparing the degenerate solution of this study with that of conventional circular (cylindrical) cavity expansion theory. Analytical model-based design methods are then proposed for evaluating soil displacement and XCC pile shaft capacity. Theoretical predictions are compared with field test measurements to verify the suitability of the proposed design method. The proposed new analytical model reveals the fundamental penetration mechanics of XCC piles and gives improved design methods for determining XCC pile shaft capacities.     

长期往复荷载作用下近海饱和软黏土强度和刚度的弱化特性

长期往复荷载作用下,饱和软黏土强度和刚度的衰减是近海桩基础设计必须考虑的,利用带弯曲元的循环三轴仪对原状饱和软黏土进行了一系列等向固结和非等向固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速。试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高土体的强度和刚度衰减显著;在相同动应力比作用下较小的有效固结应力和偏压固结减缓了土体刚度的弱化。已有的相对偏应力水平参数不能反映不同固结条件下近海饱和软黏土强度和刚度循环弱化特性,为此引入了动偏应力水平参数,考虑了有效固结应力、固结静偏应力、动偏应力的相互影响,利用动偏应力水平对饱和软黏土的强度和刚度循环弱化特性进行描述。     

深厚软土地区大直径钻孔桩荷载传递试验研究

通过深厚软土地区的某个超高层建筑大直径钻孔桩静载试验,实测每级荷载作用下的桩身应力、桩顶沉降量及桩端沉降量等参数,分析了软土中持力层为卵石的超长桩的承载性状和荷载传递机理,结果表明:桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥是个异步过程;桩侧摩阻力会出现不同程度的弱化现象;靠近桩端的桩侧摩阻力不仅有弱化现象,还有强化现象;桩端注浆效果越好的桩,单位体积承载力越大。为了充分发挥桩身下部土层的桩侧摩阻力和桩端阻力,并减少桩侧阻力弱化现象,桩基设计时可适当提高桩身砼设计强度,增大桩身刚度,减少桩身压缩量,或者在持力层条件合适下采用桩底高压注浆技术。     

基于桩土界面的静压桩沉桩效应与承载特性室内试验研究

饱和黏性土地基中桩土界面的受力特性会对静压桩沉桩效应及长期承载力的发挥产生重要影响。通过黏性土地基中桩身表面嵌入式安装硅压阻式传感器的静压桩模型试验,分别对开口和闭口静压桩沉桩和加载过程的桩土界面超静孔隙水压力和有效径向应力进行研究。结果表明：在沉桩过程中,桩土界面超静孔隙水压力及有效径向应力随入土深度逐渐增加,沉桩结束时增量幅值随着h/D(h为传感器距桩端距离,D为桩径)增大而减小,同一h/D位置处闭口桩的增量幅值大于开口桩的;同一入土深度处,桩身不同h/D位置处桩土界面有效径向应力存在退化现象,且随着h/D和入土深度的增加退化越明显。在加载过程中,h/D=1和h/D=5位置处桩土界面超静孔隙水压力相比沉桩结束时减小,且随着h/D增大,减小幅度也增大;同一h/D位置处,桩土界面有效径向应力增量幅值随着桩顶施加荷载值增加而增大。沉桩过程和加载过程桩土界面超静孔隙水压力和有效径向应力均随着h/D的增加而减小,不同h/D位置处桩土间的有效径向应力变化是沉桩和加载过程桩土界面受力机理不同的重要原因。     

Performance analysis of a jacked-in single pile and pile group in saturated clay ground

When a pile is installed into saturated clay ground, the “setup” effect may occur due to ground consolidation, which changes pile performance. Although this phenomenon has been observed both in the field and laboratory, its numerical simulation is still challenging. In this work, pile installation effects on the behaviors of jacked-in piles were investigated through three simulation techniques by a three-dimensional finite element analysis program, PLAXIS 3D. A constitutive model called the soft soil creep model was used to describe the soil behavior based on soil parameters obtained from laboratory tests. The behaviors of single piles were first investigated with or without the consolidation process after pile installation to evaluate the pile setup effect. Then, a pile group comprising 4 piles was analyzed using the consolidation process to verify the applicability of the three simulation techniques. The calculated results were compared with the corresponding experimental results. The calculated results using three techniques generally agreed well with the experimental results in terms of initial stiffness and pile shaft resistance. Both the measured and calculated results indicate that ground consolidation caused by pile installation significantly increases the pile bearing capacity and especially, the pile shaft resistance. Therefore, the pile setup effect can be reasonably simulated by the three proposed techniques.     

基于Mindlin公式考虑桩径影响的应力计算方法

根据Mindlin解所得的Geddes应力公式将桩端阻力、桩侧阻力简化为集中力。对于长径比较小的短桩,按其计算结果导致近桩端平面以下的应力集中,此时计算竖向应力系数与实际考虑桩径影响的结果相差甚远。按Geddes应力公式计算时小桩距群桩带来的问题较小;用于计算单桩、单排桩、疏桩沉降将使计算深度范围内的应力大大超过土的强度,使土进入塑性状态,导致计算失真。推荐的应力计算方法考虑了桩径的影响,用于计算单桩、单排桩、疏桩沉降取得了良好的效果。