桩径对桩土相互作用p-y曲线影响的研究

利用三维有限元方法建立桩土相互作用模型,针对0.02 m到2.134 m不同直径的桩与砂土相互作用时的p-y曲线进行计算,分析桩径对桩侧土层水平极限抗力与极限位移的影响.结果表明,土层极限抗力随桩径增加而逐渐增大,且与API规范、Reese方法建议的土层水平极限抗力吻合.桩径变化时土层的极限位移与Reese建议的值不完全一致;当桩径d≥0.4 m时,土层的极限位移大约为桩径的3/80,这与Reese建议的结果一致;当桩径d<0.4 m时,土层的极限位移明显大于Reese建议的3/80倍桩径,此时只有当桩侧位移足够大时,桩侧土体才能发生破坏.进一步的反分析与模型试验结果验证了上述结论的正确性.此研究成果为今后应用小直径桩进行桩土相互作用研究提供了依据.     

海上大直径单桩基础p-y曲线修正

海上风力发电作为一种具有前景的可再生能源,目前的增长十分迅速。超大直径钢管桩是目前海上风机结构的最常用基础型式,API规范建议的p-y曲线法是目前评价钢管桩水平承载能力的主要方法,但其对大直径桩基的适用性有待探讨。本文通过开展系列三轴CU试验标定了等向硬化模型中的各个参数,并通过与实测土体应力-应变曲线的对比验证了建立的等向硬化模型的可靠性。基于该模型采用三维有限元方法分析了黏土中大直径桩基的水平受荷特性,结果发现规范方法低估了大直径刚性桩p-y曲线的初始刚度和土体极限抗力,因此考虑土体强度不均匀性、桩土间粗糙度及桩径效应的影响,对极限土抗力pult和桩体变形参数yc进行了修正,提出了大直径刚性桩修正p-y曲线计算方法。基于现有离心模型试验验证了所提方法的合理性,为海上风机大直径单桩水平承载力计算提供了参考。     

被动桩侧向土压力的三维数值模拟

运用岩土数值计算程序FLAC~(3D)对土体沿深度发生均匀侧移、桩基两端可简化为铰接情况下的被动单桩的侧向土压力进行了研究,其中土体采用摩尔-库伦本构关系,桩基采用线弹性本构关系,桩土之间建立接触面。研究表明:桩侧土压力随着土体侧向位移增大而增大,当达到极限状态时在浅层土体内桩侧极限土压力随深度增加而增大,达到一定深度后,桩侧极限土压力随深度增加基本保持不变;桩周粗糙度是影响桩侧极限土压力大小的重要因素;桩土相对刚度对桩基位移、剪力、弯矩和桩侧极限土压力分布有较大影响。另外,分析了桩侧土压力-桩土相对位移关系曲线(p-δ曲线)的形状以及达到极限土压力所需的桩土相对位移,并将计算结果与前人研究结果比较,得出两者具有较好的一致性且本文结果有所改进。     

碎石土斜坡水平受荷桩m取值研究

西南地区大量输电线路在崇山峻岭中走线,塔位多位于碎石土及破碎(或极破碎)基岩斜坡场地,该类场地中水平受荷桩m取值问题仍是工程界的一大难题。基于此,开展了4种坡度下水平受荷桩模型试验,分析不同斜坡坡度条件下碎石土场地桩身位移随水平荷载的变化、桩侧土体水平抗力沿深度的变化特点,从而确定了m与泥面位移的幂函数衰减关系式;进一步参考坡度对桩侧土体抗力变化规律的影响,给出了m计算关系式中各计算参数的确定方法。经现场载荷试验证明该方法具有较强的适用性,对提高斜坡场地结构水平抗力计算的精度具有一定的工程意义。     

水库边坡抗滑桩内力分布规律影响因素分析

为研究抗滑桩桩前土体抗力对抗滑桩体内力分布影响规律,采用ABAQUS数值模拟研究了两种工况下抗滑桩的内力影响因素以及抗滑桩的加固效果。结果表明：考虑桩前土体抗力和不考虑桩前土体抗力两种工况对桩的内力分布影响较大,其中不考虑桩前土体抗力所得到的桩顶位移比考虑桩前土体抗力得到的桩顶位移显著减小;当桩前土体强度参数相同时,抗滑桩位移随坡度增大而增大;保持土体坡度不变,土体抗力随土体强度参数增大而增大;当桩前土体超过40°时,抗滑桩设计与计算中可不考虑土体抗力,当桩前土体坡度小于40°时,土体抗力明显,可对抗滑桩进行优化设计。     

海上大直径钢管桩水平向桩土界面参数试桩分析

为了研究海上大直径钢管桩水平向承载机理与桩土作用关系,基于海上大直径钢管桩水平向静载试验成果数据,运用 API 规范建议的 p － y 曲线方法,结合有限差分解法,对海上大直径钢管桩水平承载特性及桩土界面参数分析计算方法进行研究。结果表明,地基上部土层的性状是影响基桩水平承载性能的主要因素; 采用土体参数范围值计算的基桩水平承载性能基本可以反映土体的真实性状。按照 API 规范给出的 p － y 曲线模式计算得到的桩身挠度和弯矩与试桩测试数据存在一定的拟合关系,拟合优度在 0. 891 ～ 0. 932 之间,其中黏性土的拟合优度整体上大于无黏土,浅层黏性土的拟合优度大于深层黏性土。在 0 ～ 20 mm 水平位移下,桩侧土体处于线弹性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均大于测试值,说明此时 p － y 曲线法低估了土体性能; 在大于 20 mm 的水平位移下,桩侧土体处于非线性状态,桩身挠度与弯矩的计算值均小于测试值,表明此时 p － y 曲线法高估了土体性能。研究成果可为进一步深入分析海上大直径钢管桩水平向承载性状和桩土的相互作用机理提供参考。     

抗滑桩桩前滑体抗力分布规律及工程应用研究

抗滑桩设计荷载包括滑坡推力和抗滑桩桩前抗力,桩前抗力在水平方向上被认为是均匀分布的，为研究桩前滑体抗力的分布规律，在分析抗滑桩与桩间土体相互作用的基础上，利用FLAC-3D有限差分软件，进行计算。计算结果表明，桩前抗力在水平方向上呈现中间大两边小的趋势，分布规律与桩间距、滑坡推力、桩截面尺寸、土体参数等因素有关。按目前规范推荐的方法，抗滑桩的结构设计是偏不安全的。     

加装稳定翼的海上风电大直径单桩基础数值仿真

针对海上风电机组大直径单桩基础水平位移不易控制等问题,提出了一种加装稳定翼的单桩结构型式.通过在近地表(泥面)一定范围内的桩身设置一组翼板,充分利用浅层桩前土的抗力,增强了基桩水平承载性能.借助数值仿真计算结果,采用指数拟合法、四阶多项式拟合法对水平荷载与基桩水平位移关系进行拟合,进而求解单桩水平极限承载力.结果表明,四阶多项式拟合法精度更高;加装稳定翼的单桩水平位移及桩身最大弯矩明显降低,单桩水平极限承载力显著增强,稳定翼安装位置会对基桩水平承载力的提高效果产生影响.该结构形式可推广到其他海上风电基础结构小直径钢管桩的桩型改良中,有利于减小相应的材料成本及施工成本.     

基于土拱效应的桩网结构路基稳定性可靠度分析

基于路基土拱效应的应力集中现象,并考虑荷载及土体参数的变异性,建立了桩网结构路基稳定性的可靠度计算模型,给出了可靠度分析的计算方法及流程。以某一典型高速公路桩网结构路基进行稳定性分析为例,分别利用安全系数法和可靠度方法设计了该桩网结构路基加固桩长度,并基于荷载及土体参数变异性,对可靠度指标进行了敏感性分析,结果表明:荷载及土体参数的变异性对桩网结构路基的稳定性影响显著,利用可靠度方法来计算桩网结构路基加固桩长度的设计更为安全和合理;需要特别注意第二层土的极限侧阻力及路基面附加荷载变异性的影响,而路基填料内摩擦角及加固桩极限端阻力可当作常量来处理。     

考虑桩前土体抗力的抗滑桩内力计算

为得到切合实际的抗滑桩内力计算公式,考虑桩前土抗力的作用,基于对不同岩性滑坡推力的分布形式的总结,将二次函数作为滑坡推力的分布函数,推导出考虑桩前土体抗力的抗滑桩内力计算公式。结果表明:推导的考虑桩前土体抗力的抗滑桩内力计算方法,可根据工程实际选择滑坡推力的分布形式,使计算结果更加符合实际情况。通过实例验算对比分析,相比于传统滑坡推力分布形式,考虑桩前土体抗力后推导的公式能有效提高抗滑桩内力计算精度。     

粘性土中PCC桩水平极限承载力的简化计算方法

基于统一极限抗力分布模式,利用有限元数值模拟分析了粘土中不同桩长、不同桩径的现浇混凝土大直径管桩(以下简称PCC桩)的水平承载特性,结合PCC桩水平承载特性的弹塑性解答对3个重要参数Ng、α0和n值进行反分析,得到了适用于PCC桩水平极限承载力计算的参数。利用PCC桩身最大弯矩点位置与塑性滑移线深度相近的特点,提出了粘土中PCC桩水平极限承载力的简化计算方法。通过与有限元计算结果进行对比,表明该方法准确可靠,对水平荷载作用下PCC桩的设计计算及分析具有一定的指导意义。     

多层土中桩的极限侧摩阻力值反演分析研究

为研究由桩的荷载-沉降(Q-s)曲线确定单桩侧摩阻力,通过静载荷试验和数学分析的方法,研究在已知静载试验结果的情况下,用线性最小二乘法反演桩周各土层的极限侧摩阻力,并利用有限元法对桩基沉降、极限摩阻力和桩端阻力进行分析。结果表明,由线性最小二乘法计算所得多层土中桩的极限侧摩阻力值为单桩极限承载力值的53%～66%,比有限元法偏大约23%,单桩极限侧摩阻力值为单桩极限承载力值的40.3%;2种方法的计算结果与静载试验的Q-s曲线呈现的变化规律一致,说明线性最小二乘法可满足多层土中桩的极限侧摩阻力值反演预测的要求。     

侧向荷载作用下砂土与粘土中桩的受力性状研究

采用p-y曲线法对砂土与粘土中侧向受荷桩进行非线性分析。对于砂土与粘土采用不同的p-y曲线模型,并用m值和统一极限抗力作为模型参数。通过有限差分法与迭代方式进行计算,迭代过程中将土体变形分为弹性区与塑性区,建立全新的计算模型。利用Fortran语言编程,分别对粘土与砂土中侧向受荷桩的受力性状进行分析计算。将计算结果与实例进行对比分析,证明该模型适用于砂土与粘土中桩基的计算。     

软土承载桩地基土水平抗力比例系数取值研究

水平承载桩位移内力计算时,m法中的地基土水平抗力比例系数m随地基土的种类及其性质、桩基位移等多种因素而变化,现行规范对m值的建议取值具有较大的主观性和不确定性。为了给软土地区工程建设提供参考,以上海典型软弱土层为研究对象,通过平面m法计算水平受荷单桩的位移、内力,并与Plaxis有限元模型模拟结果行对比分析,确定m的合理取值,并建立了m值与土体压缩模量和桩身位移的相关关系式。研究结果表明:当桩基受水平荷载时,在地基土性质相同的情况下,m取值与桩基的水平位移有关,桩身水平位移越小m取值越大,桩身水平位移越大m取值越小;m值与土体压缩特性密切相关,表现为桩基位移相同时,土体压缩模量越大m取值越大,土体压缩模量越小m取值越小。     

基于强度折减法的桩基础试验与数值计算研究

为研究桩基础在竖向荷载作用下的极限承载力,引入强度折减法来分析桩基础的极限荷载,给出将P-s曲线的突变尖点作为桩基破坏标志,依托ANSYS软件的Smart智能分网建立桩土体的有限元模型,通过桩基础室内模型试验与数值仿真结果对比,研究了基底为黏土的桩基极限承载力、桩侧摩阻力、桩端反力与桩顶位移的变化趋势,结果表明：强度折减法计算的极限荷载与静载荷试验方法判定的极限荷载基本一致,表明强度折减理论极限分析的可行性,也表明了试验结果的可靠性。将强度折减法运用到工程实例中,得到极限荷载值固定后,可降低工程桩验证数目,产生了良好的经济效益。     

基于改进p-y曲线法的单桩水平受荷计算

在Winkler地基梁模型的基础上,基于改进p-y曲线法提出了一种在复杂水平荷载作用下求解部分埋置水平受荷单桩在软黏土中弯矩和位移的计算方法。该方法考虑了土体的塑性、土抗力与水平位移之间的非线性,且采用差分法进行求解并编写相应的Matlab程序,便于给出精确的理论解答。通过构制不同的地层结构,对比桩身位移、弯矩的变化,获得了最佳的地层结构,结果表明地表表层土强化处理很重要。最后将计算结果与现场试验数据进行对比,吻合程度较好。说明所提方法可在达到工程精度要求的基础上,减小所需土体参数的获取难度,降低工程成本。     

海上风电场复合桩基础体型优化及承载力特性研究

基于弹性地基反力法,推导出复合桩基础水平承载力理论计算公式,并以承载力和结构强度满足设计要求为约束条件,根据SQP优化理论对基础进行体型优化。采用三维有限元分析的方法,系统地研究了复合桩基础水平承载力特性,分析了基础桩侧土体抗力的分布形式。研究结果可为复合桩基础的结构设计以及实际运行过程中安全性和稳定性的控制提供了参考依据。     

离岸深水全直桩码头水平承载力简化计算

全直桩码头是一种适用于离岸深水海域的新型高桩码头结构型式,其破坏模式与传统高桩码头结构存在较大差异。通过有限元法研究了水平荷载作用下离岸深水全直桩码头结构破坏模式、桩侧土压力及桩身弯矩分布,并验算了规范中m法、P-Y曲线法和NL法的适用性。研究结果表明,水平荷载作用下,基桩的塑性破坏是结构失稳的控制因素,且结构失稳时桩身最大弯矩达极限弯矩值,在此基础上,结合简化计算方法计算了结构水平极限承载力。通过对比可知,基于m法的简化方法在小位移时与有限元法吻合较好,基于P-Y曲线法和NL法的简化方法在各种位移条件下与有限元法均吻合较好,且通过桩身极限弯矩与设计荷载作用下桩身最大弯矩之比计算结构安全系数的简化方法是合理的。     

双层土体结构对超长桩承载性状的影响

利用三维有限元方法,研究了双层地基土中超长桩的承载性状.利用线弹性模型模拟桩身混凝土的应力应变关系.邓肯-张非线性弹性模型模拟地基土,河海大学薄单元模型模拟桩.土间的非连续变形.计算结果表明,对上硬下软地基土结构,当硬土层厚度不大于桩身人土深度时,随硬土层厚度的增大,桩顶极限荷载、桩侧极限阻力均呈非线性增大;对上软下硬地基土结构,当软土层厚度不大于桩身入土深度时,随软土层厚度的增大,桩顶极限荷载、桩侧极限阻力均呈非线性减小;桩身轴力和桩侧阻力沿深度的分布随地基土结构而异.桩侧摩阻力在硬、软土层分界处有急剧变化现象;超长桩的失稳由桩侧土体的破坏引起.     

海上风机基础大直径加翼单桩常重力模型试验数值仿真

海上风机大直径单桩基础承受风、浪、流等水平荷载作用,提高其水平承载性能非常重要.针对一种通过在近地表桩体上设置稳定翼板以充分调动浅层土抗力的海上风机大直径加翼单桩基础,进行了常重力模型试验的数值仿真.数值仿真采用ABAQUS有限元软件结合Mohr Coulomb模型,按钢管桩不同外径、壁厚、埋入深度,加载高度和加载方向,共进行9组试验.数值仿真结果与模型试验结果进行对比,均得出翼板长度或宽度的增加将引起所调动的浅层桩前土的土抗力范围增加,承载力提高,水平位移降低;翼板埋深增加,所调动的浅层土范围减少,承载力降低;这验证了数值仿真的合理性.进而借助数值仿真结果对桩、土受力特征进行了观察和分析,从数值仿真角度进一步验证了设置稳定翼能够显著提高浅层土抗力,提高单桩水平承载性能.