受水平循环荷载影响的斜桩p-y曲线构建及应用

p-y曲线法是分析水平受荷桩基承载变形特性的主要方法,利用p-y曲线法的关键在于构建合理的p-y曲线。在砂土地基中开展了2组共10根水平受荷斜桩模型试验,其中2根斜桩仅分级施加了水平静力荷载,其余8根斜桩先施加了不同幅值的单向水平循环荷载,然后再分级施加水平静力荷载。试验测试了10根斜桩的砂面处桩身横向位移及桩身应变,根据桩身应变计算得到了桩身弯矩,在此基础上根据Euler-Bernoulli梁理论得到了桩侧土抗力及相应的桩身水平位移,构建了承受水平单向循环荷载后再承受水平静力荷载时斜桩的双曲线型p-y曲线,并给出了斜桩初始地基反力模量及桩侧极限土抗力的确定方法。用上述构建的双曲线型p-y曲线计算了本文模型试验及文献中模型试验斜桩的响应,发现利用所构建的p-y曲线得到的计算结果与实测结果整体上吻合较好,说明本文构建的双曲线型p-y曲线是合理可行的。最后利用p-y曲线计算了承受单向水平循环荷载后再承受水平静力荷载斜桩的桩身位移及桩身内力,计算结果表明:(1)相对于斜桩桩顶自由,桩顶固支能有效地减小斜桩的桩身横向位移、桩身弯矩及剪力;(2)在单向水平循环荷载作用下,正斜桩桩顶横向位移、 桩身最大弯矩及剪力均小于负斜桩;(3)无论是正斜桩还是负斜桩,桩顶横向位移、桩身剪力随着抗弯刚度增加而减小,而桩身最大弯矩随着抗弯刚度增加而增加。     

海洋高桩基础水平单调及循环加载现场试验

开展了海洋软黏土中 2 根大直径高桩基础的现场水平单调和循环加载试验,实测获得了桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力和孔隙水压力,揭示了水平单调和循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。利用实测桩身水平位移推算了桩周土反力,在此基础上提出了相应的双曲线型 p – y 曲线,通过引进 Poulos 循环弱化模型建立了水平循环荷载作用下的桩基双曲线型 p – y 曲线分析模型,水平单调及循环荷载作用下桩顶荷载 – 位移关系、桩身变形和桩身弯矩及桩侧土压力等计算结果与实测值均吻合良好。通过现场试验发现规范 p – y 曲线法计算结果偏保守的主要原因是所采用的 p – y 曲线的刚度偏小;不同时段的循环荷载对桩基循环累积变形有叠加效应。 建议设计中应考虑桩基全寿命服役期内所承受的所有循环荷载的影响, 对于重要工程应开展相应的现场水平加载试验,实测桩身水平位移或桩身弯矩,进而利用所推算的桩周土反力来分析桩基受力变形及承载力。     

水平受荷大直径单桩基础位移及内力研究

目前,海上风机多以大直径单桩基础作为主要基础形式。文中通过模型试验对水平循环荷载下大直径单桩基础风机进行研究,分析了桩基形式、加载次数和循环荷载比对风机累积位移和桩身弯矩的影响,建立了塔顶位移变化关系式,确定了最大弯矩值的相对位置,并作出了桩周土抗力的变化曲线,对类似项目的研究有一定的参考价值。     

软黏土中劲性复合桩水平承载特性p-y曲线研究

劲性复合桩(SC桩)是一种将高强度混凝土桩与水泥土桩相结合的新型桩基。为研究软黏土中SC桩水平承载力理论计算方法,将水泥土视为硬黏土,基于现有软黏土和硬黏土中桩基的p-y曲线形式,考虑水平荷载作用下桩周水泥土和软黏土的土抗力分担比例,推导了p-y曲线中两个重要参数p_u和y₅₀的修正因子,进而建立了软黏土中SC桩水平承载特性p-y曲线计算方法。通过与3个现场试验的实测结果的对比分析,验证所建立的p-y曲线法的准确性与可靠性,继而开展SC桩水平受荷性能影响因素分析。结果表明:所建立的理论计算方法可以有效预测SC桩的水平承载特性,且当桩身变形较大时应考虑混凝土芯桩的非线性影响。水泥土桩桩径(D)对SC桩水平承载性能影响显著,当水泥土桩与混凝土芯桩的桩径比(D/d)从1.0增至3.0时,120 kN水平荷载下的桩头位移从25.8 mm减至5.1 mm,且桩身最大弯矩值减小51.0%;桩身水平承载性能受水泥土桩桩长(L)的影响较大,但当长径比(L/d)超过10后,桩身内力位移趋于稳定值;适当地增加水泥土桩强度与混凝土芯桩弹性模量也可提高SC桩的水平承载性能。     

砂土中水平受荷斜桩的p-y曲线及其应用

为获得水平受荷斜桩的p-y曲线,在中密干砂中开展4根斜桩及1根直桩的模型试验,对试验结果拟合得到模型桩桩侧土反力及桩身横向位移之间的p-y曲线。通过三轴试验得到砂土的(35)?-?曲线。将模型桩的p-y曲线及砂土的(35)?-?曲线无量纲化并建立二者之间的关系,在此基础上建立砂土中水平受荷斜桩的p-y曲线,并给出相关参数的确定方法。分析表明,基于p-y曲线的计算结果与模型试验及文献中的离心模型试验结果吻合较好,这说明所建立的p-y曲线是合理的,能反应斜桩与桩侧土之间复杂的挤压、剪切相互作用。最后,应用p-y曲线对影响水平受荷斜桩性状的因素进行分析。结果表明,与桩顶自由时相比,斜桩桩顶固支可以有效减小桩身位移和桩身最大弯矩。斜桩桩顶竖向荷载的存在减小了负斜桩的横向位移和最大弯矩,而增大了正斜桩和直桩的横向位移和最大弯矩。桩身刚度较小时,增大桩身刚度可以有效减小斜桩桩顶横向位移和桩身最大弯矩。     

高桩基础水平静载和撞击模型试验研究

开展了水平静力和撞击荷载作用下高桩基础的 1<>g 大比例模型试验研究,测试获得了桩顶水平静动力作用力、桩身水平静力变形、桩身水平振动响应、桩身静动力弯矩及桩侧静动力土压力等。发现由实测桩身静力弯矩推算的桩周土反力规律与实测静态桩周土压力规律较为一致;水平撞击荷载作用下,动态桩周土反力与撞击力时程曲线密切相关。结合弹性地基梁线弹性动力模型及静动力 <> p – <> y 曲线模型的分析揭示了桩土静动力相互作用机理及其对桩基内力和变形的影响规律。综合比较了上述分析模型的理论计算结果及试验实测结果,推荐采用复合刚度动力 <> p – <> y 曲线模型分析水平撞击荷载作用下的高桩基础,其分析结果与实测桩身振动响应和内力均吻合良好。最后采用该模型对现场防撞桩进行了防撞分析。     

砂土地基小直径单桩的浅层土p–y曲线

小直径桩在桩基础的抗震设计、加固中已得到越来越多的应用。针对美国石油协会(API)规范的p–y曲线法和中国规范的m法对小直径单桩的适用性问题,通过拟静力试验研究了砂土地基小直径单桩的浅层土(深度小于1 m)p–y曲线。对实测桩身弯矩采用分段函数的拟合方法来推算土反力和桩身变形,获得了小直径单桩在饱和中砂中的浅层土静力p–y曲线,并基于试验结果提出了三线性本构。进一步地,通过数值模拟分析比较了所提出的浅层土三线性p–y曲线、API规范的p–y曲线、中国规范的m法对预测小直径桩基受力和变形的有效性。结果显示API规范的p–y曲线可能稍低估桩基的水平承载力,并获得更深的桩身最大弯矩位置,而提出的浅层土三线性p–y曲线可更好地预测桩基的整体水平力和位移关系、桩身弯矩及变形。另外,传统的m法仍然适用,当桩身变形较小时(土面桩身变形不超过6 mm),m值宜取推荐范围内的较大值,而当桩身变形较大时,m值宜取推荐范围内的最小值。     

斜坡基桩p-y曲线及水平承载计算方法研究

斜坡基桩p-y曲线及其计算方法值得深入研究。在Matlock黏土p-y曲线及双曲线型砂土p-y曲线基础上,建立黏、砂性土坡p-y曲线,相应地推导基桩挠曲微分方程及桩身内力与位移分析的有限差分法解,并将其与Matlock试验及室内模型试验进行对比验证。对比分析表明:由理论方法计算得到的桩身水平位移及弯矩值与实测结果均吻合较好,最大计算误差均控制在20%以内。且桩顶水平荷载和斜坡坡度越大,计算误差越大。桩身最大弯矩约出现在地面以下3~6倍桩径范围内,桩身最大弯矩及第一弯矩零点埋深均随坡度或桩顶水平荷载增加而增大。为提高斜坡基桩桩身抗弯承载力,地面以下6倍桩径范围内应增加桩身配筋,且应通长配筋。     

考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩p–y曲线

为揭示砂土中上拔荷载对水平受荷斜桩性状的影响规律,开展了9根斜/直桩模型试验,实测获得了上拔与水平荷载共同作用下的桩顶荷载位移曲线及桩身应变,计算得到了桩侧土抗力p及相应的桩身横向位移y,建构了考虑上拔荷载影响的水平受荷斜桩双曲线型p–y曲线,给出了地基土初始反力模量及极限土抗力的确定方法。该p–y曲线能反映水平与上拔荷载共同作用下斜桩与桩侧土之间复杂的挤压、剪切相互作用。基于文中建立的p–y曲线,编写程序分析了斜桩的承载变形性状及内力分布规律,研究了桩顶上拔荷载大小、桩顶约束条件对水平受荷斜桩承载性状和内力分布的影响,结果表明:①不论桩顶自由还是固支,上拔荷载增大时,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均减小,而负斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均增大;②相同的水平及上拔荷载作用下,正斜桩桩身横向位移、弯矩及剪力均小于负斜桩;③相同的上拔荷载作用下,水平受荷斜桩在桩顶固支条件下桩身横向位移、弯矩及剪力较小,而桩顶自由条件下则较大。     

软粘土海床中单桩基础水平循环承载与变形特性试验研究

通过开展室内软粘土海床地基中单桩基础水平静载和水平循环荷载模型试验,研究了单桩基础的水平承载与变形特性。主要有以下结论:(1)水平静载作用下,单桩基础极限承载力约为100 N,桩身最大弯矩大约位于z=4D位置处;(2)水平循环荷载作用下,单桩基础桩身弯矩和位移随着循环加载次数增加,桩身最大弯矩位于z=3~4D位置处,并提出了水平循环荷载下桩身位移计算模型。同时,基于试验结果,本文建议用于表征土体在循环荷载作用下的弱化效应系数A取值为0.52较为合理。     

重庆码头大直径深嵌岩短桩水平承载力试验研究

在码头建设过程中,由于山区场地条件的限制,大直径深嵌岩短桩在工程中得到了使用,但是在水平荷载作用下,相应的原位试验研究还比较缺乏。通过采用对顶法对重庆码头大直径深嵌岩短桩的水平承载特性进行测试,分析包括桩顶的荷载-位移曲线、水平位移分布规律以及桩身弯矩及剪力的分布情况。研究结果表明:大直径深嵌岩短桩水平荷载与位移关系基本呈直线分布,增加桩长对改善其水平受力性能较为有利;从桩土的侧向变形来看,变形主要发生在上部填土处,表层处土体的密实度及桩径大小对侧向变形影响较大;从桩身的内力分布来看,桩身弯矩在距离地表6 m处最大,最大剪力主要分布在地表附近。     

海上四桩导管架基础水平受荷离心模型试验

导管架基础广泛应用于海上风力发电和油气开发,水平向风、浪、流、地震等作用是导管架基础发生失效破坏的主要原因。通过离心模型试验针对饱和砂土地基中四桩导管架基础,研究其在沿边长方向和沿对角线方向水平静力作用下各基桩的内力分配、桩周土反力差异和变形特性。导管架基础沿对角线加载时基桩最易被拔出,其下压基桩的桩顶剪力、桩顶负弯矩和桩身最大正弯矩均较上拔基桩大,但二者的桩身水平位移相差不大。对于本文桩间距为5.8倍桩径的导管架基础,由于群桩效应及桩身上拔力降低了桩周土有效应力,沿边长加载时上拔桩在泥面下2.5倍桩径深度范围内的桩周土反力约为下压桩的60%,而沿对角线加载时上拔桩在该深度范围内的桩周土反力仅为下压桩的40%。沿对角线加载时下压桩与上拔桩在桩顶剪力、桩顶最大负弯矩、桩顶轴力及桩身最大正弯矩等参数之间的差别也明显大于沿边长加载情况。与单桩水平加载离心模型试验结果对比发现,同一深度处单桩的桩周土反力介于导管架基础上拔桩与下压桩的桩周土反力之间。     

地基变形引起的高桩排架负摩擦力、内力和变形的研究

研究了将桩身杆单元与以非线性位移-反力表示的桩土单元叠加构成复合单元(桩单元)的桩结构计算方法,利用桩土侧向压力-位移、摩擦力-位移曲线,将地基滑移和沉降视为初始位移,编制了考虑地基位移、沉降引起的码头高桩排架负摩擦力、内力和变形的有限元计算程序。通过对某多级围堤接岸结构的高桩码头排架的数值分析,得出在筑堤引起的负摩擦力和土体水平滑动作用下,上部结构没有产生过大作用力,但桩基承受了很大的轴向压力和较大的弯矩,需采取一些减小负摩擦力的措施。     

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。     

In-situ horizontal cyclic loading tests on composite foundation composed of soilbags and piles

The authors have been developing a new composite foundation composed of piles and soilbags. The foundation is characterized by the laying of soilbags between the pile heads and the footing on which a superstructure stands. The expected effect of the foundation is to cut off the fixed connection between the piles and the footing in order to reduce the bending moment of the piles and the response acceleration of the structure. In this study, in-situ horizontal cyclic loading tests were conducted on the proposed composite foundation with two piles to investigate the seismic response characteristics of the foundation at real scale. It was found from the tests that the horizontal force reached its peak due to the uplift of the footing during horizontal loading, and that larger hysteresis damping was obtained than that of spread foundations due to the hysteresis effect in the shear deformation of the soilbags. As for the sectional force of the piles and the vertical stress inside the soilbags, it was found that the axial force and bending moment of the piles concentrated on the pile on the front side in the loading direction, and that the vertical stresses inside the soilbags concentrated just above the pile head on the front side in the loading direction. Although residual horizontal displacement and settlement occurred due to the cyclic load, little damage to the soilbags was observed.     

软黏土中导管架基础水平循环加载离心模型试验

为研究海上风机四腿导管架基础在风、浪等水平循环荷载作用下的受力及变形特性,开展了近海饱和软黏土地基四腿导管架基础水平循环加载离心模型试验。实测获得了水平循环荷载下导管架顶部的位移、基桩顶部的水平位移以及桩身弯矩,并利用实测桩身弯矩推导出桩身变形与桩周土反力。试验结果表明:水平循环荷载作用下导管架顶部的荷载–位移曲线表现出明显的非线性;后排桩的水平位移约为前排桩的80%,且均小于导管架顶部的水平位移,导管架发生了一定角度的倾斜;桩身最大弯矩值出现在泥面下约6D深度处。在此基础上,采用双曲正切型p–y曲线方法拟合试验结果并与API规范作对比,发现API规范p–y曲线的初始刚度和极限土反力均偏小。试验进一步揭示了泥面下5D深度范围内需考虑桩周土反力的弱化现象,且前排桩周土反力的弱化程度明显大于后排桩,在工程设计时应分开考虑下基桩桩周土的强度弱化情况。     

波浪和地震作用下高桩承台-土-结构动力响应

利用有限元软件ANSYS模拟高桩承台-土-上部结构在波浪和地震共同作用下的内力和变形,采用Morison方程计算波浪力,并对结构水平方向输入E1-Centro波进行模拟,根据时程曲线分别选取初始状态和正负加速度最大状态对结构进行研究,研究了桩基础在波浪和地震共同作用下的位移、弯矩、剪力以及轴力的变化,并与地震单独作用下...     

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。