桩基础测试、勘察、设计和施工(十二)——单桩的水平承载力

<正> 一、桩水平承载力的考虑方法桩在水平荷载作用下的工作机理不同于垂直荷载作用下的工作机理。在垂直荷载作用下,一般说来,桩受压,而桩的抗压强度较高,因此桩的作用是将桩顶垂直荷载传递给桩侧土和桩端土。一般说来,除端承桩以外,对于摩擦桩、端承摩擦桩和摩擦端承桩,其垂直承载力由土的破坏条件控制(见本讲座第一讲)。在水平荷载作用下,桩为受弯杆件,桩身产生水平变位和弯曲应力。外力的一部分由桩本身所承     

抽屉窑还原气氛的自动控制

国内间歇式抽屉窑的自动控制大部分采用开环控制的方式。在氧化阶段较易实现温度和气氛的自动控制。在还原阶段能实现温度的自动控制,但对气氛无法进行真正的自动控制。针对抽屉窑还原气氛自动控制的问题,我们对窑炉控制系统、执行机构、控制方式进行了设计和改造,实现了抽屉窑在还原阶段温度和气氛都能进行自动控制,在技术上达到了国内先进水平。     

堆石围堰变形特性试验研究

本文用结构模型试验方法,研究了堆石围堰在自重和水荷载作用下的变形特性,给出了自重、正常水荷载、漫坝水荷载(超载)和正常水荷载长期恒载作用情况下的水平位移和垂直位移分布规律。表明在各种正常荷载作用情况下,水平位移均小于垂直位移。水平位移与垂直位移的比值约为0.3。 文中还论述了堆石围堰结构模型试验中的模拟原则、相似常数、模型材料、量测技术等问题。     

基于SAP2000接口技术的通信塔设计

通信塔是指为各行业通信天线提供安装平台,以风荷载为其控制荷载的塔架钢结构。本文以Excel为平台,运用VBA编写程序,通过研究SAP2000接口技术在通信塔设计中的应用,实现了通信塔有限元模型的自动生成;同时,通过编写通信塔设计的前处理和后处理程序,进而实现了Excel与SAP2000的无缝连接。     

自动消防炮驱动系统的设计

针对车载式消防炮不能快速响应灭火请求的缺点,设计了一种自动消防炮的驱动方案。利用两台步进电机作为执行元件,采取水平回转与垂直俯仰运动相结合的方式实现消防喷头的转动及定位。采用步进电机驱动芯片THB6064H设计步进电机驱动电路,采用AVR单片机Atmega16完成消防炮的运动控制。     

住宅栏杆的荷载试验分析

参考日本BL企业标准,对某住宅栏杆产品进行了水平荷载、垂直荷载、下弦杆垂直荷载、立格(或横格)局部荷载、面板局部荷载和面板均布荷载等试验。介绍了其试验目的、方法和结果,可为制定更高要求的住宅栏杆荷载标准提供参考。     

斜向抗拔螺旋群桩基础承载性状试验研究

通过3桩等边三角形承台原型群桩基础的4次斜向抗拔、2次垂直抗拔和5次单桩垂直抗拔试验,绘制了相应的荷载位移关系曲线。依据地基变形特点和曲线变化特征,建议采用具有明确物理特征的H-(△x/△H)曲线判定螺旋群桩基础水平方向极限荷载,垂直方向抗拔极限荷载依据单位荷载的桩顶位移变化率、桩顶位移增量以及地基变形特征判定,并讨论了群桩基础在斜向荷载和垂直荷载上拔过程中的群桩效率。试验表明:抗拔群桩基础的群桩效率与外荷载的作用角度有关,斜向抗拔螺旋群桩基础的群桩效率小于垂直抗拔群桩基础的群桩效率,荷载水平分量加快了该种群桩基础的上拔破坏,斜向抗拔群桩的极限破坏荷载和极限位移要小于垂直抗拔螺旋群桩基础。     

大偏心核心筒超高层结构受力性态与设计关键技术

偏置核心筒结构和传统的居中核心筒结构受力有所不同，主要表现在竖向荷载作用下结构的水平变形较大、扭转效应明显、墙肢拉应力较大等方面。以高度250 m大偏心核心筒结构为例，对比了钢结构体系与混合结构体系下结构的受力性能与经济效益。采用数值分析方法，从结构和构件两个层次研究了核心筒不同偏置程度、不同结构高度下的结构受力性能，在整体结构层面总结了竖向荷载下结构水平变形、结构扭转指标等随偏置程度及结构高度等因素的变化规律，在构件层面总结了偏置程度对剪力墙受力性能的影响。研究结果表明，采用预伸长框架柱的方式可控制竖向荷载作用下结构水平变形，通过调整剪力墙厚度或设置支撑等方式可控制结构扭转，通过增设型钢或预应力的方式可达到有效控制墙肢拉应力的目的。     

超高层钢结构中桁架层下连次柱施工技术

对超高层巨型框架结构桁架层下连次柱的施工技术进行介绍。通过在次柱施工过程中采用专门设计的临时支撑系统,合理地安排施工顺序,控制加载程序和实施结构变形监测等一系列手段,保证了上部桁架结构在加载完成之前可自由变形,整个巨型结构体系能够按照设想的分工协作方式进行传力,从而实现了巨型框架结构体系中结构的水平荷载与竖向荷载主要由巨柱和桁架组成的巨型结构承担,次柱只承受本层竖向荷载或者上部传递的少量竖向荷载的目的。     

弯扭组合效应下某类曲梁的内力计算解析公式

给出了任意一对对称垂直荷载作用下,带直线段圆弧形水平曲梁的内力计算方法;给出了基本体系在荷载、多余约束力独立作用下的内力表达式以及力法方程中系数、自由项的解析公式。利用叠加原理可计算任意多组对称垂直荷载作用下,带直线段圆弧形水平曲梁的内力。     

考虑成桩效应时径向非均匀饱和土体的动力扭转阻抗研究

基于Biot动力固结理论,研究桩周径向非均匀饱和土体的扭转振动问题。首先,将径向非均匀土体分为内部环形扰动区域和外部半无限大未扰动区域,并进一步将内部扰动区域土体分为多个薄层同心圆环区域。然后,在平面应变条件下推导得到饱和土体受谐和扭转荷载作用的动力控制方程,并求得土体扭转振动位移形式解。进一步结合径向土层之间的边界条件和衔接条件,采用剪切刚度传递的方法,得到土体的扭转阻抗。最后,在低频范围内分析成桩施工导致的桩周土体参数变化对土体扭转阻抗的影响,并将该解与现有解进行对比。结果表明,(1)土体硬化程度越大,土体扭转阻抗的刚度和阻尼部分越大;(2)土体软化程度越大,土体扭转阻抗的刚度和阻尼部分越小;(3)在2倍桩径范围内,内部区域宽度越大,硬化土体扭转阻抗的刚度部分越大,软化土体扭转阻抗的刚度部分越小;(4)当激振频率较小时,内部区域土体材料阻尼对土体扭转阻抗的刚度部分基本没有影响。     

饱和黏弹性半空间中摩擦桩的竖向振动

为深入了解饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩的竖向振动特性,基于Boer多孔介质理论,考虑激振频率对摩擦桩桩底土体动刚度的影响,采用平面应变模型并结合桩土接触面的混合边值条件,推导求解得出了饱和黏弹性半空间地基中摩擦桩的竖向动力阻抗模型公式和桩顶速度时域响应解并验证了其合理性。进一步通过参数化对比分析探讨了桩基埋深比和土体渗透系数对所得竖向动力阻抗和桩顶速度时域响应的影响规律。解析推导得出的对应竖向动力阻抗模型公式和桩顶速度时域响应解,丰富了桩基动力学的理论,可为相关工程实践提供参考和理论支持。     

非饱和土半空间中单桩竖向振动特性研究

从三维轴对称的非饱和土波动方程出发,考虑土中基质吸力对剪切模量的影响,对端承桩在纵向简谐荷载作用下桩土耦合振动特性进行了研究。利用算子分解和分离变量法直接对耦合方程进行解耦,在求得非饱和土层振动模态形式和阻抗因子的基础上,结合桩土界面处的衔接条件以及桩端刚性支承形式,对桩的一维波动方程进行求解,得到了桩顶复刚度函数、土层阻抗因子的频域形式解答,并讨论了主要参数对桩基动力行为的影响。计算结果表明：随着饱和度的减小,桩顶动刚度因子和等效阻尼的振幅随之减小,但桩土体系的共振频率则基本不受其影响。在桩土模量比的分析中,应区别对待土和桩弹性模量引起的不同反应。模型揭示了土体动力响应从单相到饱和两相介质条件下的完整演化过程,为描述实际土体环境下桩基动力行为提供了较为完备的理论框架。     

埋置于饱和地基中的刚性圆柱基础的摇摆振动

基于Biot动力控制方程,用解析的方法研究了简谐激振作用下埋置于饱和地基中的刚性圆柱基础的摇摆振动问题。基底以下的土被视为饱和半空间,基础侧面的土视为由若干圆形极薄饱和层组成的独立层,假设土与基础完全黏着接触且接触面完全透水。运用Hankel积分变换对饱和土的动力控制方程进行求解,然后结合基础与地基的混合边值条件求解了相应的动力响应问题,并给出了饱和地基的等效动力刚度表达式。为验证本文结果的正确性,计算了基础位于地基表面时的动力柔度曲线,并与已知文献中的结果进行了相应对比。数值分析结果表明:基础在饱和地基中的动力响应与在弹性地基中有很大的不同,无量纲激振频率、基础埋置深度、渗透系数和泊松比对饱和地基的摇摆动力刚度有很大的影响。     

层状地基中大直径端承桩水平和摇摆耦合振动特性

在考虑土体切向振动对横向振动影响的基础上,建立土体振动模型。对土体水平阻抗修正后与经典解进行比较,证明文中解的正确性;然后,利用矩阵传递法得到大直径端承桩的水平阻抗、摇摆阻抗及其耦合阻抗。通过参数讨论发现长细比和桩土相对刚度是影响大直径桩基动力特性的主要因素,说明该模型能够更为准确地预测大直径桩的振动特性。     

嵌岩特性对嵌岩桩桩顶扭转振动阻抗的影响

考虑桩身截面和桩侧土性质的变化,建立了层状土中嵌岩桩的扭转振动计算模型和控制方程; 利用Laplace变换技术和阻抗递推技术,求得任意荷载作用下嵌岩桩桩顶扭转振动复阻抗,并通过与现有解对比验证了所得解析解的合理性。基于所得解析解,在桩基础动力设计关注的低频范围内讨论了嵌岩桩几何性质、桩底沉渣、岩体性质对桩顶扭转振动复阻抗的影响。结果表明:在扭转振动条件下,嵌岩桩存在一个临界嵌岩深度,临界嵌岩深度随着桩长径比的增大和嵌岩段岩体性质的提高而降低,这说明在工程设计时,并非嵌岩深度越深对整个桩土系统承载特性越有利; 临界嵌岩深度范围内,随着嵌岩深度的增加,桩顶扭转动刚度逐渐减小,动阻尼逐渐增大,超出此范围时,嵌岩深度对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 当嵌岩深度小于临界深度时,桩底沉渣的存在会使桩顶扭转动刚度降低,动阻尼增大; 当嵌岩深度超过临界深度时,桩底沉渣对桩顶扭转振动阻抗基本上没有影响; 桩径是影响桩顶扭转振动阻抗的主要因素。     

具有黏弹性衬砌的深埋圆形隧洞饱和土动力响应

 由于混凝土衬砌具有黏弹性性质,以往的弹性曲梁、弹性壳体等理论都难以描述其蠕变的全过程。将土体和混凝土衬砌分别视为饱和多孔黏弹性介质和具有分数阶导数本构的黏弹性体,在频率域内研究饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统耦合振动特性。根据Biot理论和黏弹性理论,通过位移势函数,分别得到简谐荷载作用下饱和土和衬砌的位移、应力和孔压解析通解,并通过衬砌内边界以及饱和土和衬砌接触面处的应力和位移协调条件,给出待定系数的具体表达式。考察饱和土和衬砌各物性和几何参数对系统动力特性的影响,研究表明：饱和黏弹性土和分数导数型黏弹性衬砌系统的动力特性与饱和黏弹性土和经典黏弹性衬砌系统的动力特性存在较大差异。另外,随着土骨架阻尼比的增加,响应幅值逐渐减小。     

饱和土中大直径缺陷桩水平振动响应研究

为了研究成层饱和土中存在缺陷的大直径灌注桩的水平振动响应问题,基于Boit理论和严格的平面应变假设建立缺陷桩-饱和土横向耦合振动简化模型。引入势函数并利用算子分解法、分离变量法得到桩周饱和土对桩的水平作用力,再利用桩土接触面耦合条件及刚度矩阵传递法得到桩顶复阻抗;最后,通过模型对比与退化对比验证本文解的合理性。研究结果表明:(1)扩径对提高桩顶复阻抗起到的作用相对较小,但是缩径的出现将明显降低桩顶复阻抗;(2)桩顶动刚度和动阻尼对桩身缺陷大小和长度的敏感度不同,动刚度较动阻尼更为敏感;(3)桩顶附近缩径缺陷会导致桩顶复阻抗显著降低,而桩中部和端部附近缩径缺陷对桩顶复阻抗的影响相对较小。     

层状横观各向同性饱和地基中桩基的纵向耦合振动

基于层状横观各向同性饱和土地基模式,研究了桩基在饱和土体中的纵向耦合振动问题。首先,根据饱和介质三维波动理论的Biot模型,利用Hankel变换,给出横观各向同性饱和土波动方程的轴对称通解;利用通解,建立了饱和土层的精确动力刚度矩阵,进而构建出盘面和竖向柱面荷载作用下,土体与结构动力相互作用的Green函数;其次,根据桩-土界面的位移协调及平衡条件,用边界单元法构建了层状饱和地基与桩相互作用的动力方程和计算公式,给出求解层状横观各向同性饱和地基与桩基纵向耦合振动的一般解法。算例表明:土介质的各向异性参数、饱和土孔隙率和桩-土模量比,对低频振动桩的动力刚度影响不大,但对高频振动影响显著。     

饱和黏弹性土中单桩的纵向振动

基于Biot两相介质模型,在频率域内研究了简谐荷载作用下饱和黏弹性土中桩纵向耦合振动特性。借助Novak平面应变模型推导了饱和黏弹性土层的控制方程。将桩等效为一维杆件模型,建立了桩的振动方程。根据桩土连续性条件,求得了桩顶的动力刚度和动力阻尼。与Novak解进行了对比,并考察了长径比、流固相互作用系数、土骨架的阻尼比、桩土模量比等参数对饱和土桩系统纵向振动的影响。结果表明:单相和饱和黏弹性土中桩的动力特性存在一定差异;随着长径比的增加,动刚度因子和等效阻尼的共振效应明显减弱;而随着模量比的增加,共振效应和基频都有所增大;流固相互作用系数和土骨架的阻尼比影响相对较小。