竖向受荷PCC桩宏细观工作性状研究

 采用可视化模型试验及离散元数值仿真方法,对竖向受荷现浇混凝土大直径薄壁管桩(简称PCC桩)桩土传力特性、位移场发展规律及破坏性状进行深入研究。研究结果表明：PCC桩荷载–沉降曲线呈缓变型,桩外侧摩阻力高于内侧摩阻力,内侧摩阻力发展滞后于外侧摩阻力,桩外侧摩阻力在桩身上段发挥较充分,内侧摩阻力在桩身下段发挥较充分,桩内侧摩阻力及端阻力控制PCC桩后期承载力;桩外侧土体以斜向下的剪切变形为主,其影响范围约为2D;内侧以竖向压缩变形为主,加载初期与桩同步变形,加载后期桩内侧下部土体与桩之间相对位移明显大于桩内侧上部土体;桩端土体可分为圆锥形竖向压缩区及侧向变形区,其在深度方向的影响范围达到4D,桩端土变形模式在平面上呈扇形;接触力链的分布与侧阻力沿桩长分布特征基本保持一致,而桩端土孔隙率的变化则从细观角度反映侧阻先于端阻发挥。研究成果对于进一步明确PCC桩与土相互作用的内在机制具有意义。     

竖向受荷螺杆桩承载变形特性模型试验

采用基于数字图像相关技术的室内模型试验方法,对竖向荷载作用下螺杆桩的承载特性、桩周土体变形渐进发展规律开展研究。研究结果表明:螺杆桩Q-S曲线呈缓降型,螺杆桩整体承载力较等直径单桩提高近30%。螺杆桩桩周土体变形可以分为3个区域,即直杆段竖向变形区、螺纹段剪压变形区以及桩端孔穴扩张变形区。直杆段位移影响范围与等直径单桩基本一致;螺纹段位移影响范围约为2D,而等直径单桩约为D;桩端土体水平位移分布宽度明显大于等直径单桩,竖向位移沿深度方向渐进衰减。     

长短桩组合桩基宏细观工作性状研究

利用基于数字图像的变形测量系统,结合室内模型试验,研究了长短桩组合桩基的荷载沉降特性、土体变形渐进发展规律;建立了长短桩组合桩基的颗粒流数值分析模型,对桩周土体细观结构变化情况进行了分析。研究结果表明:承台下土体在加载初期即有相当量的荷载分担,长桩的侧摩阻力在加载后期基本保持不变,而短桩的侧摩阻力仍有一定的增长,长桩和短桩的承载力有一定程度的削弱,尤以短桩削弱较多;长短桩组合桩基中土体竖向位移的影响区域扩展到长桩桩端附近,基础剪切滑动面位于承台边缘及桩端以下局部范围土体中;短桩桩端土体竖向应力较早达到极限,而长桩桩端土体竖向应力在加载后期超过短桩,长桩和短桩桩端土体竖向应力与孔隙率变化规律具有良好的一致性。研究结果为长短桩组合桩基础设计及其工程应用提供理论依据。     

砂土地基中螺杆桩竖向承载特性的模型试验研究

通过砂箱模型试验,采用应变片测试技术和PhotoInfor数字图像软件技术试验方法,比较分析螺杆桩和直杆桩在竖向荷载作用下轴力的变化和桩周土体的位移场,研究螺杆桩的竖向承载特性。研究结果表明:螺杆桩和等直径直杆桩的Q-s曲线均呈缓降型;在相同条件下,螺杆桩的极限承载力和桩侧阻力相比于直杆桩有较大的提高;极限状态下螺杆桩桩侧破坏面呈连续的拱形,而直杆桩桩侧破坏面可以近似看作平面;螺杆桩的侧阻主要表现为螺牙间土体与外侧土体的剪切力,而直杆桩的侧阻主要表现为桩体与土体的摩擦力。     

超长大直径钻孔灌注桩抗拔与抗压对比试验研究

通过五根直径相同、桩长相近、位于同一场地的超长大直径钻孔灌注桩在拔力与压力作用下的对比试验,分析抗拔桩与抗压桩在变形性状和荷载传递机理的相同性和差异性。试验结果表明,对于超长大直径钻孔灌注桩,桩侧摩阻力总是上部土体首先发挥,而后逐渐传递给下部土体,桩侧摩阻力均存在强化效应和退化效应,桩沉降(上拔)以桩身压缩(伸长)为主;抗拔桩桩顶Q-s曲线呈陡降型,抗压桩桩顶Qs-曲线呈缓变型,桩承受竖向上拔力所表现出来的刚度明显小于承受竖向压力所表现出来的刚度。     

竖向荷载作用下挤扩支盘桩桩周土体位移场变化规律研究

挤扩支盘桩桩周土体位移变化将直接影响其竖向承载力特性,然而常规试验手段下很难获取其桩周土体的变形特性。因此,采用基于透明土材料和粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)技术的桩基透明土模型试验系统,对轴向荷载作用下支盘桩和等截面桩桩周土体变形进行非介入式测量,得到桩周土体完整的变形位移场。试验结果表明,与等截面桩相比,支盘桩通过增大桩周土体变形位移场的范围,减小了土体变形位移场的强度,从而提高了桩基承载能力;支盘与桩端土体位移场均具有放射状的特征,表明支盘与桩端承载机制一致,支盘承担部分桩顶荷载,改变了荷载传递规律;支盘处土体位移场特征表明,支盘下界面土体位移变形对桩侧摩阻力的发挥产生了消极影响;试验还发现支盘位置、间距对桩周土体位移场的影响较大,支盘间距取值宜大于三倍支盘直径。     

基于桩侧广义剪切模型的大直径超长灌注桩承载变形计算方法

大直径超长灌注桩桩身变形较大,桩侧与土体易出现明显的界面滑移,传统剪切位移法难以适合其承载变形计算。基于大直径超长灌注桩桩–土剪切作用性状及桩侧摩阻力发挥特点,采用剪切位移和剪切滑移两阶段法描述其桩侧摩阻力发挥过程,形成桩侧广义剪切模型;在此基础上,采用传递矩阵增量方式建立大直径超长灌注桩承载变形计算方法,并给出计算参数的取值。该方法考虑了桩侧摩阻力发挥的非线性、桩端承载的非线性及桩身材料的非线性,并考虑了桩–土滑移后桩侧摩阻力软化特性及桩端后注浆对桩端承载性状的影响。工程实例计算结果与现场试桩实测值较为吻合,表明基于桩侧广义剪切模型建立的大直径超长灌注桩承载变形计算方法具有合理性与可行性。     

基于数字图像技术的桩周土体位移场测量

以数字图像相关(DIC)技术为基础,开发出适合岩土实验模型变形量测分析的新技术,并将该技术应用于垂直荷载下桩周土体位移场及其破坏模式的研究。试验中,直接用数码相机在试验各阶段拍摄照片,对照片序列进行图像相关分析,即可得出桩基模型试验的变形场分布。试验结果表明:利用编制的DIC程序分析桩周土体位移场是可行的;垂直荷载下单桩桩周土体位移场可分为桩侧土体变形区及桩端土体竖向变形区两个部分。随着离开桩轴线距离的增大,桩侧土体位移急剧减少,其影响范围为(4～5)b(b为桩的边长);桩端土体受扩张压力的作用,沿径向向外扩张,呈孔穴扩张现象。从桩周土体的位移场的发展过程来看,单桩呈"梨形"破坏,与Meyerhof所提出的桩周土破坏模式相似。     

珊瑚礁钙质土中桩基工程承载性状研究

 博士学位论文摘要　在钙质土这种特殊岩土介质中的桩基工程具有特殊的承载性状。本文全面综合了钙质土中桩基工程现有的研究成果, 通过室内模型桩试验、理论分析、数值计算等方法对钙质土中的桩基承载性状进行了系统的研究。(1) 简要分析了钙质砂砾特殊物理力学性质, 提出了一种考虑内摩擦角随围压增大而减小的钙质砂非线性剪胀K2G 模型;(2) 详细分析了钙质砂中桩侧摩阻力性状及其影响因素, 通过桩土界面摩擦特性研究, 从桩土共同作用角度出发, 指出了桩侧土的压缩性是影响挤入桩桩侧阻力的重要因素, 因颗粒破碎而产生较大压缩性是钙质土低桩侧阻力的重要成因, 并在此基础上, 探讨了考虑桩侧土压缩性的挤入桩桩侧阻力理论计算方法;(3) 详细分析了钙质砂中桩端阻力性状及其影响因素, 指出桩端土的颗粒破碎而产生较大变形是造成低桩端阻力的主要原因。同时结合球形孔穴扩张桩端破坏模式, 提出了一个考虑变形参数的桩端阻力计算理论模型, 并在此基础上建立了一个简单计算模型;(4) 针对珊瑚礁软硬互层地基问题, 提出了拟三层弹性连续体系中桩端持力层应力分析模型, 建立了该类地层桩端阻力理论计算模型的解析解, 并由此解决了桩端礁灰岩层的冲剪阻力计算问题和临界厚度的确定方法;(5) 在考虑钙质砂桩基承载性状特征前提下, 运用荷载传递函数法, 成功地导出了变剪切刚度系数的单桩荷载——沉降非线性计算模型的解析解, 并进行了试验验证;(6) 分析了珊瑚礁区典型特征波浪对大、小直径桩的波浪力, 通过模型试验, 分析了钙质砂中桩基水平承载性能, 并进行了与一般石英砂的对比分析。     

大直径薄壁筒桩承载力计算新方法

基于ICP方法,提出考虑土芯贡献的大直径薄壁筒桩竖向承载力计算新方法,即不考虑桩内侧摩阻力;桩端阻力按闭口桩端阻的1/2计算,单位桩端反力取桩端上下2倍桩径范围内土体CPT锥尖阻力的平均值;破坏面内摩擦角取直剪试验峰值内摩擦角的1.2倍;用简化公式计算打桩后土体的径向有效应力。该方法综合考虑我国浙江地区软土的特点,比ICP方法简单、实用、参数更易确定,通过工程实例验证,并与计算桩侧摩阻力的α法、R1,R2,R3法及V&F法比较,结果表明,新方法的计算结果最接近实测值。     

后注浆超长灌注桩竖向承载特性载荷试验研究

现场载荷试验是确定单桩竖向承载力常用方法之一,基于现场试桩静载试验和桩身轴力测试试验,分析了后注浆超长灌注桩的竖向极限承载力性状、桩身轴力传递特性及桩侧阻力,桩端阻力发挥特性。研究结果表明:在竖向荷载作用下,桩身轴力随着深度的增加而增量减小,且随荷载的增加而逐渐增大;超长灌注桩表现出摩擦桩特性,荷载-沉降曲线没有明显破坏点,其竖向荷载主要靠侧摩阻力进行传递;桩侧阻力和桩端阻力非同步发挥并且相互影响。根据实测数据对计算单桩承载力的侧摩阻力和桩端阻力的系数进行修正,修正后为类似桩基础工程设计提供技术参考。     

基于沉降控制的组合后压浆灌注桩承载力计算研究

以沉降控制标准为原则来确定后压浆灌注桩的承载力有着重要的实际意义。基于石首长江公路大桥工程开展的6根大直径钻孔灌注桩现场静载试验,通过对比分析桩端桩侧组合压浆桩压浆前后的试验结果,研究了组合后压浆对深厚细砂层钻孔灌注桩承载变形性状的影响,在此基础上通过统计得出了在不同桩顶沉降条件下桩端阻力增强系数、桩侧阻力增强系数的取值范围,并给出了一种基于沉降控制标准的组合后压浆桩承载力设计方法,最后通过工程实例验证了该设计方法的合理性。结果表明,组合后压浆条件下的深厚细砂层钻孔灌注桩承载变形性能显著提升,且承载力提高幅度随着桩顶沉降的增加逐渐增大;组合后压浆桩加载至极限状态时,其极限承载力至少提高66%,且能有效地控制桩基沉降量;同时组合压浆后能有效地改善桩端支承性能与桩侧受力特性,显著提高桩端阻力和桩侧摩阻力,并对桩基的荷载传递特性产生明显影响。此外,设计计算方法能较好地给出组合后压浆桩荷载沉降关系的范围,可保守地将计算结果的下限作为工程设计使用。     

基于桩-土界面脱开效应及摩阻力增强效应影响的水平荷载作用下桩受力机理研究

为研究桩侧摩阻力和桩端阻力对水平受荷桩承载性能的影响,在考虑桩侧变法向土抗力作用的基础上分别提出桩-土界面的摩阻力增强效应模型与脱开效应模型。以此为基础,分别推导得出桩竖向侧摩阻力作用下单位长度桩身抗力矩的数值解与简化公式;在双曲线型的桩端阻力-位移模型及摩阻力增强效应基础上,进一步推导得到基底水平阻力与基底抗力矩的数值解和简化公式。并将单位长度桩身抗力矩、基底抗力矩以及基底水平阻力分别代入四弹簧Winkler地基梁模型,采用传递矩阵法得到桩身响应解。通过多组算例对比分析,不但验证了所建议的理论公式正确性,也证明了简化公式的适用性。参数影响分析结果表明：桩顶水平变形降低幅度随着柔性系数的增加、长径比的减小而提高;同时,随着柔性系数的减小,基底抗力矩和水平阻力对基桩水平承载特性的影响逐渐减弱,当为柔性桩时可忽略不计。     

软土地基螺旋桩竖向抗拔极限承载力计算方法

 根据抗拔螺旋桩基础竖向抗拔承载性状,使用极限平衡理论和Meyerhof深基础承载力理论,提出抗拔螺旋桩基础首层叶片界限埋深和叶片控制间距,给出多层叶片螺旋桩基础竖向抗拔破坏模式,得到竖向抗拔螺旋桩基础的首层叶片界限埋深和极限承载力计算公式。通过对14次工程桩试验分析和极限承载力计算,竖向抗拔极限承载力计算值与实测值误差一般在10%以内,说明所建立的螺旋桩基础抗拔破坏模式比较接近于实际情况,极限承载力计算方法可用于估算螺旋桩基础的承载力。     

下伏空洞岩石地基极限承载力计算方法研究

针对岩溶区下伏空洞嵌岩桩桩端岩石地基极限承载力问题,进行了下伏空洞桩端岩石地基的破坏模式分析。基于Hoek-Brown强度准则剪应力形式,理论推导出不同顶板厚度下下伏空洞岩石地基及完整岩石地基极限承载力计算方法。当顶板厚度为1~3倍桩径时,采用极限分析上限原理推导了冲切破坏模式下泛函形式的下伏空洞岩石地基极限承载力表达式。运用变分原理得到冲切破坏线方程,进一步利用偏导求得了下伏空洞岩石地基极限承载力计算公式。当顶板厚度大于5倍桩径时,采用特征线法推导出塑性破坏模式下完整岩石地基极限承载力计算公式。当顶板厚度为4倍桩径时,利用完整岩石地基极限承载力与承载比理论,采用S型生长曲线拟合出冲切剪压复合破坏模式下的极限承载力值。通过与1~5倍厚径比条件下的下伏空洞岩石地基极限承载力室内模型试验结果对比,计算值与实验所得数据吻合良好。     

武汉绿地中心大厦大直径嵌岩桩现场试验研究

武汉绿地中心大厦高636 m,基底平均压力达1500 k Pa,开展了桩径为1200 mm,有效桩长25.9~33.6 m,以较硬岩(微风化砂岩)和软岩(中—微风化泥岩)为桩端持力层共4组嵌岩桩承载力静载荷试验,并对桩身轴力与变形进行了量测。试验表明:4根试桩Q–s曲线皆为缓变型,极限承载力不小于45000 k N,对应工程桩桩顶标高沉降为9.7~10.8 mm,桩端沉降为2.4~2.8 mm,桩顶沉降的90%为桩身压缩量。软岩嵌岩桩与较硬岩嵌岩桩的侧摩阻力分布曲线及承载特性存在显著差异。四根试桩的端阻比介于45.3%~58.7%。软岩嵌岩桩的实测桩端阻力大于基岩单轴抗压强度,采用桩基规范方法计算将低估其实际承载力。本工程4根试桩均表现出较好的承载与变形控制能力,静载试验结果为本工程嵌岩桩设计提供了依据,同时为武汉地区大承载力嵌岩桩实践与理论研究提供了有益参考。     

桥梁群桩基础非线性静力计算模型及拟静力试验研究

 线弹性地基反力法(m法)仅适用于正常使用时桥梁桩基础变位较小的情况,但在强震作用下基础的变位较大。为了研究桩基础在地基土及桩身进入非线性状态下的水平承载能力及变形特性,通过群桩基础缩尺比例模型,采用拟静力试验研究桩基础的破坏机制、承载能力、变形性能以及滞回特性。提出水平荷载作用下群桩基础的非线性静力计算模型,在该模型中采用分布PMM塑性铰模拟变轴力作用下桩身的弹塑性,采用美国API规范给出的p-y曲线、t-z曲线以及q-z曲线模拟地基土的非线性(其中,p为桩侧土水平抗力,y为水平位移,t为桩周土竖向摩阻力,q为桩端土竖向抗力,z为桩土竖向相对位移)。研究结果表明：(1) 本文提出的分析模型与模型试验结果吻合较好;(2) 可采用Clough退化双线性模型模拟桩基础的滞回特性;(3) 桩身受力薄弱部位在桩顶以下0～4倍桩径范围内。研究结果可为应用能力谱法评价桩基础的抗震性能提供参考。     

自引孔静压管桩竖向极限承载力的神经网络预测

因自引孔静压管桩特殊施工工艺的影响,通过理论方法确定的单桩竖向极限承载力值与实际试验值存在一定差距。为了能较简便而准确地预测单桩极限承载力,以神经网络理论为基础,以现场静载荷试验实测资料为依据,通过神经网络方法对单桩竖向承载力进行预测,具有重要的理论与工程实用价值。     

竖向受荷螺杆桩工作性状试验研究

螺杆桩工作性状受众多因素影响,其中叶片间距和螺纹段长度是两个关键影响因素。为了研究竖向受压螺杆桩承载力及桩周土体变形渐进发展规律,进行了基于数字图像相关变形测量技术的模型试验,并利用现场实测结果初步检验了模型试验的可靠性。研究揭示了叶片间距和螺纹段长度对螺杆桩极限承载力的影响规律,建立了归一化的叶片距径比因素和螺纹段长度比因素经验表达形式,给出了本次试验条件下合理的叶片距径比和螺纹段长度比取值。研究总结了不同沉降阶段直杆段、螺纹段和桩端截面周围土体位移场分布规律,提出了不同桩型参数螺杆桩桩周土体破坏模式。研究结果为螺杆桩设计参数优化和承载力计算理论建立提供了试验依据。