基于变分原理的静压沉桩挤土效应理论解答研究

静压法施工工艺近年来得到广泛使用。但静压桩是一种挤土桩,挤土作用将对桩基础本身和周围环境产生一系列影响,引发很多工程问题。通过综合考虑桩长有限、地面自由、终孔孔壁形状、孔壁位移边界条件以及土体材料非线性,应用变分原理推导沉桩挤土位移、应变和应力场解答,并应用经典土压力理论、小孔扩张理论和Ansys计算结果对理论推导结果进行验证。研究结果对静压桩的施工、相应防护措施的选择和设计有较大的指导作用。     

考虑桩体几何特征的压桩挤土效应理论解答研究

现阶段基于能量原理的桩土作用理论解答研究仍存在较多不完全合理的假设或急需解决的难点,包括桩土接触面边界处理方法、分层沉积土层界面连续性条件和桩体几何形状等。特别是,桩体几何形状对桩土作用的剧烈程度、桩周土体的位移形式和桩孔边界的几何特征有很大的影响。重点对孔壁边界曲线的几何形状及其曲线方程的假定方法展开研究,并应用四次多项式模拟孔壁边界曲线。然后,以四次孔壁曲线方程的求解结果为基础,综合考虑桩长有限、地面自由、终孔孔壁形状、孔壁位移边界条件以及土体材料非线性,应用变分原理推导沉桩挤土位移、应变和应力场解答。研究方法可作为压桩挤土的进一步理论研究的基础,理论解答对压桩挤土的施工、相应防护措施的选择和设计有一定的指导作用。     

群桩压入挤土效应的解析计算及试验对比

采用孔扩张理论对静压桩挤土效应进行模拟计算,假定地基土符合修正剑桥模型,推导得出单桩压入过程中土体位移和孔隙水压力的解析表达式。以此为基础,通过叠加得到群桩压入过程中桩周土体挤土效应的理论解答。同时,在杭州地区进行了群桩静力压入的现场试验,发现桩周土体的水平位移随离排桩的距离呈指数衰减。解析计算值与试验结果较接近,证明了该模拟计算方法的有效性。     

利用挤密砂桩处理挤土效应引起的桩位偏移

挤土桩在沉桩过程中会产生明显的挤土效应 ,应用圆柱孔扩张理论可推导出桩周土体在打桩过程中产生的径向位移。挤土效应也可用来处理桩位的偏移 ,通过合理布置桩数和排数 ,使桩产生需要的反向位移。工程实例表明 ,理论计算与实测结果吻合程度较好     

非线性条件下砂土地基中水平受荷长桩的性状分析

提出了水平荷载作用下,考虑土体非线性性质的砂土地基中长桩性状的分析方法。依据前人的研究成果,认为任一深度处水平土反力模量与地面处桩的位移存在一个衰减的指数函数关系。假定水平土反力模量和极限土反力均沿深度线性增长,认为随着桩位移增大,桩前土体由弹性逐渐达到塑性屈服,对于2种状态,分别建立桩的基本微分方程。分别采用Gleser有限差分结合迭代法和Reese-Matlock法给出了2组四阶变系数非线性微分方程的近似解答。现场试验和数值算例证明,该法较传统的m法计算结果更接近实测值,较p-y法方便可行,既适用于小位移的情况,也适用于桩顶出现较大位移的情况,因此,在缺乏试验参数的情况下,可以代替p-y曲线法用于工程计算。     

基桩抗压刚度的计算方法

考虑变截面桩的弹性压缩变形、桩周土和桩端土特性,提出了桩长和桩端土阻力对桩端位移的影响 系数,利用变分原理推导出了基桩抗压刚度计算公式,计算值与工程实例测试值吻合较好。     

饱和黏土中沉桩挤土形成超静孔压分布理论解答研究

饱和黏土中沉桩挤土会形成较大的超静孔隙水压力,其时间及空间分布相关特性影响场地土体工程性质和土木及水利工程设计施工的技术经济的合理性。为得到沉桩挤土形成的超静孔压分布理论解答,首先根据三维挤土附加总应力解答分析成桩后挤土造成的超静孔隙水压力分布规律,结合附加总应力计算方法,采用Henkel公式推导三维挤土造成的超静孔隙水压力理论解答;然后,结合工程实例,应用三维固结计算级数解,对沉桩挤土的位移、应力、超静孔隙压力分布规律和成桩后孔压消散的完整过程进行较为系统地计算和验证,为桩基工程的设计和施工提供理论依据和计算方法。     

基于桩周土体位移的锚拉抗滑桩计算方法研究

传统锚拉抗滑桩计算模型不能科学的考虑锚索对于桩–土相互作用的影响,往往导致锚索拉力和桩身内力计算的不合理。将抗滑桩全桩视为弹性地基梁,分两阶段建立基于桩周土体位移的桩–土相互作用力学控制方程组。应用桩顶初参数法推导桩身力学响应数学解析表达式,并编制Matlab计算程序对桩身内力和位移进行计算。与一组模型实验数据进行对比表明:位移法计算模型及其解析解法具有可行性。将该模型应用于一个工程实例分析表明:计算模型可以考虑张拉阶段桩后岩土体的作用,可以考虑桩–土–锚索的相互作用。     

群桩沉降计算的试桩曲线法

尝试提出群桩沉降计算的试桩曲线Q-S法,将群桩在准永久组合下单桩平均荷载对应的沉降划分为线弹性部分和非线弹性部分,引入了群桩沉降比来反映完全弹性部分的相互作用,同时引入了弹性程度发挥系数来反映非线弹性部分沉降的相互作用.通过2个工程实例的计算分析讨论了群桩沉降比、在单桩平均荷载下对应沉降中线弹性部分和非线弹性部分所占的比例、以及弹性程度发挥系数等参量对于试桩曲线法的影响.文中结合弹性层状理论的传递矩阵和层状土单桩分析方法,利用矩阵位移法推导了层状土中群桩的弹性位移解刚度矩阵和求解公式.计算表明,层状土中群桩解答与简单处理为均匀土中的解答对群桩沉降比计算结果影响很大,差距近达40%.最后通过全国各地区11个桩基工程的实例分析,将试桩曲线法计算结果与实测值以及其他分析方法的计算结果进行了比较,表明由于试桩曲线法包含了桩基工程的实际特性,因而具有较强的地区适用性和相对较高的分析精度.     

复杂桩土系统荷载传递特性的正反演理论及其应用

本文根据静力学理论,提出了分层非均匀土质、变截面和非匀质桩身的复杂桩土系统在外荷载作用下,桩身位移满足的微分方程和边界条件,推导了线性弹性和弹塑条件下的微分方程解释解,并给出了工程实际应用的例子。     

湿陷性黄土地区夯扩桩的工作机理及工程实践

基于圆孔扩张理论建立了饱和黄土地区夯扩桩施工分析模型,并求解了弹塑性解析解。该模型能够真实反映饱和黄土地区夯扩桩工作机理,为夯扩桩的分析与设计提供了理论基础。结合实际工程进行了现场试验,测试了桩土摩阻力和桩端阻力分布变化规律,对夯扩桩、灌注桩和素土桩进行了比较分析。将理论计算结果和试验进行了对比,吻合比较好。通过分析及工程实践发现夯扩桩在湿陷性黄土地区有很好的应用前景,一些有益的结论可为这些地区类似工程作为参考。     

湿陷性黄土地区静压桩沉桩机理及试验研究

基于圆孔扩张理论建立了黄土地区静压桩沉桩计算模型,并求解了弹塑性解析解。该模型能够真实反映湿陷性黄土地区静压桩沉桩机理,为静压桩的分析与设计提供了理论基础。结合实际工程进行了现场试验,测试了桩土摩阻力,桩及桩周土位移在静压时的分布变化规律。将理论计算结果和试验进行了对比,吻合比较好。通过分析及工程实践发现静压桩在湿陷性黄土地区有很好的应用前景,一些有益的结论可为这些地区类似工程作为参考。     

压桩过程中静压桩挤土位移的动态模拟和 实测对比研究

 圆孔扩张法及应变路径法由于土体的大变形和桩土界面摩擦接触问题而难以模拟动态的压桩过程,数值模拟法能够考虑到土体的本构关系、大变形和桩土的相互作用等诸多因素的影响,因而在静压桩挤土效应方面得到了广泛的应用。采用合适的土体屈服准则及有限变形理论,通过在桩土界面设置接触以及在桩顶施加位移荷载建立了能够实现动态压桩过程的有限元模型。利用得到的有限元模型模拟了沉桩产生的水平及竖向挤土位移场,讨论了动态压桩过程对沉桩挤土位移场的影响,并和现场实测进行了对比。研究结果表明,挤土位移场动态模拟结果与实测值相一致,且能反映土性的变化情况;在动态压桩过程中,水平向的挤土位移随着压桩深度的增加而增大,竖向挤土位移随着压桩深度的增加浅层土体表现为隆起增加,而深层土体表现为下沉量增加。挤土位移的最大值与压桩深度存在滞后效应,因此在压桩过程中要给以足够的重视。     

Vertical dynamic interactions of poroelastic soils and embedded piles considering the effects of pile-soil radial deformations

The paper presents an analytical solution for the vertical dynamic interaction analysis of a poroelastic soil layer and an embedded pile with the consideration of pile-soil radial deformations. The soil is treated a three-dimensional porous continuum and described by the Boer’s poroelastic model, while the pile is treated as a two-dimensional rod with both radial and vertical deformations of which the equation of motion is derived by the Hamilton’s variational principle. Without the introduction of potential functions, first take the volumetric strain of soil skeleton and pore fluid pressure as intermediate variables to deal with the equations of motion for the soil and then use the separation of variables to solve the equations of motion for the soil and the pile. By imposing the boundary and continuity conditions of the pile-soil system, the dynamic impedance in frequency domain and the velocity response in time domain of the pile top are obtained. The present solution is then verified by comparing with the corresponding finite element model computation results and the existing solutions. The effects of the pile-soil parameters on the dynamic characteristic of the pile-soil system are also analyzed. Some significant conclusions are drawn, which can provide useful reference for related engineering practice.     

桩-土界面摩擦对静压桩挤土效应的影响分析

采用合适的土体屈服准则及有限变形理论，通过在桩-土界面设置接触以及在桩顶施加位移荷载建立了符合压桩实际的有限元模型。利用得到的有限元模型模拟了沉桩产生的挤土位移场，讨论了桩-土界面不同摩擦情况对沉桩产生位移场的影响。并对桩-土相互作用及水平向孔扩张的2种有限元模型进行了对比，结果表明，考虑桩-土相互作用及其摩擦情况是正确模拟静压桩挤土效应的关键。     

多层加筋垫层刚性桩网复合地基的承载特性

为研究多层加筋垫层刚性桩网复合地基的承载特性,将设置有多层土工格栅的加筋垫层视为大挠度薄板进行分析,运用层合板理论,模拟多层土工格栅与碎石垫层之间的相互作用,建立加筋垫层抗弯刚度矩阵的计算方法。考虑刚性桩网复合地基的三维应力和位移边界条件,根据静力平衡条件,建立加筋垫层应力函数和挠度微分控制方程,并利用伽辽金方法进行求解。在此基础上,利用Winkler地基梁理论和大挠度薄板理论对桩土应力比和格栅拉力进行计算。最后,运用实际工程对计算方法进行验证,并综合分析格栅总层数、铺设间隔和位置等因素对桩土应力比及格栅拉力的影响。研究结果表明:理论计算结果与实测结果较为吻合;随着格栅总层数的增大,桩土应力比增大而格栅拉力降低,铺设2～3层格栅效率最高;随着铺设格栅间隔和底层格栅距桩帽距离的增大,桩土应力比降低,而格栅拉力增大。     

路堤下复合地基桩、土应力比分析

由于路堤由填土等散体材料组成，路堤下复合地基桩与桩间土之间的沉降不一致，导致填土内部出现相对垂直位移，应力状态发生变化。计算路堤复合地基桩、土应力比的方法及计算参数均与刚性基础下的复合地基不同。通过对复合地基上部填土的力学分析，推导出一个求解桩顶平面处的桩、土应力比的公式。该公式表明桩顶处桩、土应力比的大小与复合地基置换率，桩顶处桩，土沉降差，填土厚度，填土弹性模量等关系密切。最后，利用一个工程实例证明该公式的正确性。     

超大直径泥水盾构施工对相邻单桩位移影响研究

上海长江西路越江工程规模为双线盾构法隧道,采用一台超大直径泥水平衡盾构机(外径15.43 m)进行掘进施工,该隧道在上海浦西需近距离往返2次穿越逸仙路高架及地铁 3 号线高架桩基。为了更好地指导后续盾构隧道施工,在浦东段进行了试验桩基的近距离穿越及相关监测。以此工程为背景,采用有限元数值分析,研究了穿越过程中相邻单桩的位移影响,并将有限元计算结果与实测数据进行了对比。研究表明:(1)桩与隧道间净距对桩土竖向位移比值变化规律没有太大影响,但桩的埋深对其有影响;(2)桩的埋深不同桩身横向位移发展模式不同;(3)较大的泥水压力会造成较大的桩基竖向位移和横向位移;(4)桩身最大横向位移随地层损失率增大而减小。本研究对相似工程的影响评估具有参考意义。     

扩底抗拔桩变形的解析计算方法

 将扩底桩扩大头简化为荷载传递弹簧,根据扩底桩平衡微分方程,推导得到计算扩底抗拔桩弹性变形的无量纲表达式。为了研究扩底抗拔桩的非线性变形性状,假定桩侧土体荷载传递曲线(t-z曲线)满足理想弹塑性关系,桩侧土体强度随深度成幂函数变化,推导计算扩底抗拔桩轴力和变形的弹塑性解析表达式。将计算结果与模型试验和现场试桩试验结果进行对比,结果表明解析分析方法能较好的预测扩底抗拔桩的变形,理论预测结果与实测结果比较吻合。该方法既能避免繁琐的数值计算又能合理预测扩底抗拔桩的变形,具有较好的工程应用前景。     

预应力混凝土管桩实测与数值模拟优化对比分析

预应力混凝土管桩由于具有施工速度快、施工安全等优势已在软弱土地区被广泛使用。本文结合具体工程,针对地基中桩土相互作用的原理,通过简化桩土单元体竖向相对位移分布模式,引入库仑-摩尔模型,利用FLAC-3D软件对预应力混凝土管桩在竖向荷载下的沉降变化进行模拟,将模拟计算结果与现场静载试验结果进行对比,并模拟不同桩长、不同桩径对桩基沉降的影响,得出桩的最优设计。本文分析方法和结论可为类似工程设计和施工提供依据,便于工程应用。