斜坡基桩的斜坡空间效应及其水平承载特性研究

为研究水平荷载作用下斜坡基桩的斜坡空间效应对其承载特性的影响,设计并完成了不同坡度及水平荷载作用角度下斜坡基桩室内模型试验,测得了桩顶荷载位移曲线及桩身弯矩分布。结果分析表明：水平荷载相同时,桩顶水平位移及桩身最大弯矩均随坡度增加呈非线性增大,随水平荷载作用角度增加而呈线性减小;基桩水平极限承载力却随坡度增加而减小,随水平荷载作用角度增加而增大。坡度每增加30°,桩顶水平位移约增大1.3~1.9倍,桩身最大弯矩增大约17%~30%;水平荷载作用角度每增加30°,桩顶水平变形减小约25%~30%,桩身最大弯矩减小约6%~11%。斜坡基桩的桩身最大弯矩位于地面以下3~6倍桩径范围内,坡度越大桩身最大弯矩位置越深。分析得到了基桩水平极限承载力拟合公式,可以为斜坡基桩设计提供参考。     

双层地基中倾斜偏心荷载下基桩非线性模型试验研究

引入初始地基比例系数、初始地基系数、水平位移特征值,导出一种新型双曲线型p-y曲线,并给出了参数经验选取参考值范围。在上层粘土下层砂土地基中进行了2组模型桩试验,含2根水平加载的钢桩和6根倾斜偏心荷载下的木桩。试验表明,水平荷载、竖向荷载和偏心弯矩荷载下柔性木质模型桩非线性特征显著。按双曲线型p-y曲线计算的模型桩地面处和桩顶水平位移与实测值吻合良好,验证了双曲线型p-y曲线。水平位移特征值增大时,桩身位移将减小,桩身最大剪力将增大,桩身最大弯矩将减小,桩侧最大土压力将增大。双层地基中,下层砂土位移特征值变化对试桩受力影响极小,从简化计算参数和应用角度出发,实际应用时可将下层砂土水平位移特征取值与上层粘土的相同。     

m法下的双曲线型p-y曲线

工程中基桩大多处于复杂的成层地基中,鲜有位于单一土层中,从宏观角度出发,引入初始地基比例系数,提出了基于m法的双曲线型p-y曲线。某现场7根试桩地基土非线性显著,实测和理论计算的地面处桩身水平位移水平荷载关系曲线均呈良好的二次抛物线关系,且理论与实测曲线吻合良好,验证了本文p-y曲线模型。地基土非线性对桩身最大弯矩、桩侧地基土压力影响显著,不容忽略。工程实际中采用m法计算基桩最大弯矩值偏小,建议乘以1.05~1.25的系数,以计入地基土非线性影响。     

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。     

复杂荷载下横坡段桥梁桩基承载特性试验研究

以相似理论为基础,考虑边坡坡度及墩柱高度的影响,设计并完成了复杂荷载作用下横坡段桥梁双桩基础室内模型试验。研究发现:柱顶竖向及水平向组合荷载可导致2~5倍桩径范围坡面出现"八"字形裂缝;复杂荷载作用下横坡段桥梁双桩基础的破坏模式主要是坡体横向侧移导致墩柱偏斜、基桩变形过大等。试验结果对比分析表明:柱顶水平位移约为桩顶水平位移的2倍,前、后桩桩身弯矩分布规律与双排门式抗滑桩差异显著,桩身上段均存在较大负弯矩,双桩桩顶边界条件设成弹性嵌固更为合理。桩、柱顶水平位移及前桩桩身最大弯矩均随边坡坡度θ的增加呈非线性增长,而随墩柱高度h的增加近似呈非线性增长。通过实测桩身弯矩的回归分析得到了前、后桩桩身弯矩关于横坡坡度θ、柱桩长度比h/l及坡顶竖向荷载p2的拟合公式,且相关指数R2均大于0.9。     

考虑土体非线性时被动桩内力和变形特性计算

将位移法和p-y曲线法相结合以计算被动桩桩身内力和变形.将桩周土体水平位移与桩周软土层厚度、土体性质、堆载工况等因素联系起来,基于位移法计算邻近堆载对基桩产生的影响,并对比选用典型p-y曲线模型描述桩侧土抗力与桩身水平位移之间的关系.综合考虑桩顶荷载及桩周堆载的影响,建立了引入P-Δ效应的被动单桩桩身挠曲微分方程,采用...     

高陡斜坡区基桩水平承载特性模型试验研究

凭经验建造的高陡斜坡区桥梁基桩因水平作用引起病害的情况越来越多。为此,以红顶特大桥为原型,设计一套加载装置和试验方案,考虑基桩位于边坡中的位置与受力形式2个因素,对基桩水平承载特性进行水平静载与轴–横向组合加载模型试验研究并分别得到桩顶位移,水平荷载与相对位置及竖向荷载的拟合关系。结果表明,水平循环荷载作用下,桩顶水平位移与桩身弯矩均随荷载及其循环作用次数的增大而增大;水平荷载作用下,基桩水平极限承载力与其所在位置距坡脚的水平距离呈反比,即基桩越靠近坡脚线,其水平极限承载力越大,同时桩顶水平位移、桩身弯矩则越小;水平与竖向同时加载对基桩水平极限承载力的影响,与预加竖向荷载是否达到基桩竖向变形稳定荷载临界值有关,竖向荷载小于该临界值时,可提高基桩水平极限承载力,竖向荷载大于该临界值时,会降低基桩水平极限承载力。     

成层地基中倾斜偏心荷载下基桩位移特性室内模型试验研究

为研究地面以上桩自由长度、桩身刚度、桩身微倾斜角度等因素对基桩位移特性的影响,以黏土模拟软弱土层,砂土模拟下卧持力层,自行设计自平衡装置施加倾斜偏心荷载,进行倾斜偏心荷载下两组6根木质柔性桩室内模型试验。试验结果表明,倾斜偏心荷载下基桩位移表现出明显的非线性,在受荷过程中,倾斜荷载、水平荷载、竖向荷载、地面处桩身水平位移、桩顶水平位移与桩顶转角均满足一定的规律。最后,提出了倾斜偏心荷载下基桩位移计算半经验公式,实测结果表明,理论计算结果与实测结果误差一般小于15%。     

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。     

不同桩头约束下微倾单桩纵横向受荷响应计算的三参数法

为研究桩头转动约束及桩身初始微倾斜对纵横向组合荷载作用下桩身侧向响应的影响,基于三参数形式的地基水平抗力系数,通过矩阵运算提出了桩身变形和内力的半解析解,并与模型试验结果及已有解计算结果进行对比以验证其可靠性。计算结果表明:桩头转动刚度增加时,桩顶位移和地表以下桩身最大弯矩减小,桩顶弯矩和地表以下桩身最大弯矩距离桩顶的距离增大。桩身初始倾角增加时,桩身最大位移和最大弯矩均线性增大,且随纵向荷载的增加其变化速率逐渐增大;纵向荷载增加时,桩身最大位移和最大弯矩均增大,且随纵向荷载和桩身初始倾角的增加其变化速率逐渐增大,而地表以下桩身最大弯矩距离地表的距离呈线性减小。     

大变形条件下单桩水平承载性状分析

针对大变形条件下承受水平荷载的单桩基础,采用沿深度线性增加并能较好的反映上部土体抵抗侧向变形能力的地基反力系数,及简化的土体弹塑性本构关系,推导出桩身变形和内力的计算公式,并用FORTRAN语言编制了计算程序。算例表明：桩的水平位移和弯矩随水平力和力矩的增加而非线性增大;桩身位移随距离地面的距离的增加而减小,距地面的距离超过10倍桩径时桩身响应极小,可忽略不计;桩顶约束是桩身响应沿桩身分布的重要影响因素;随着桩周土体力学性质的改善,桩的最大位移和最大弯矩均明显减小。计算值与现场实测值吻合度很高,且比已有解计算结果更优,所得解及程序是可靠的。     

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。     

复杂荷载及边界条件下基桩有限杆单元方法研究

基于传统有限杆单元法并假定桩身位移为三次幂函数,结合倾斜偏心荷载下单桩受力微分方程确定的桩身弯矩、剪力与桩身水平位移关系,导得了具有简洁统一形式、计入P-Δ效应的杆单元刚度矩阵,由此得出成层地基中倾斜偏心荷载、桩自重、水平分布荷载、竖向分布荷载和竖向分散集中荷载综合作用下考虑桩身倾斜影响基桩内力位移分析的改进有限杆单元法。利用本文改进有限杆单元Matlab分析程序,结合某具体实例,对不同边界条件下基桩内力及位移进行了计算分析。结果表明:改进有限杆单元方法用于复杂荷载及各种边界条件下基桩计算分析是有效的,且桩顶边界条件对桩身内力位移影响显著,而桩端边界条件对桩身内力位移影响较小。     

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。     

水平荷载作用下单桩的非线性动力响应分析

以p-y曲线模拟地基反力与土体位移的非线性关系,采用有限差分法和迭代法求解由Euler梁为模型推导出的桩身运动微分方程。通过Mathematica软件编制了计算程序,并将静力作用下的计算值同镇江大港的试桩数据进行了比较,桩顶位移和桩身最大内力的误差均控制在20%左右。动力计算时,以桩身振动稳定位移值与静力结果相符合为标准,验证了动力程序的正确性。基于该动力分析程序,分别讨论了桩长、桩径、水平荷载频率这些因素对桩身动力响应的影响。结果发现,桩长对桩基动力响应的影响很小,桩径和荷载频率对响应的影响显著。最后,依据分析结果,对实际工程的桩基设计提出了一些定性的指导性意见。     

组合荷载作用下斜坡上桩基础水平承载特性研究

斜坡上桩基础不仅要承担上部建筑物传递下来的竖向荷载,还要承担斜坡传递下来的土压力等水平荷载,构成了复杂的桩-土相互作用体系。为研究斜坡上桩基础在竖向和弯矩荷载作用下的水平承载特性,通过自行设计的组合荷载加载装置,开展了四种工况下斜坡上单桩室内模型试验。分析在组合荷载作用下桩顶沉降、水平位移、桩身弯矩、桩侧土压力以及地基比例系数m值变化规律。试验结果表明:在桩顶施加竖向荷载有利于提高单桩的水平承载力,减小桩身的水平位移、弯矩和桩前侧土压力;在桩顶施加弯矩荷载-不利于单桩的水平承载力,随着弯矩作用的增加,相同水平荷载作用下,桩身水平位移和桩前侧土压力明显增加,而水平荷载对桩顶的竖向沉降影响较小;地基比例系数不仅与桩周土体有关,还与施加的荷载类型和桩土交界处的水平位移有关,地基比例系数随桩土交界处水平位移的增加迅速减小,最后趋近于稳定。     

基于修正计算宽度的斜坡场地m值取值方法研究

地形坡度是地基抗力系数比例系数m值的主要影响因素之一,现有规范经验对斜坡场地m值取值研究极少。笔者进行3种坡度下的单桩水平载荷现场试验,通过m法对桩身变形、内力进行验算和等效调整以及数值模拟验证,研究了斜坡场地m值取值问题。试验研究及理论计算表明:①m法理论计算得到桩身中部的水平位移和弯矩明显小于斜坡场地现场试验实测值,位移零点和弯矩最大值位置均高于实测值;②将斜坡场地等效为土体强度降低后的水平场地,得到斜坡场地实际m值大于直接引用规范公式的计算值,且随坡度的增大二者差异越大;③桩身计算宽度是造成斜坡场地实际m值与规范公式计算值的差异来源,随着坡度的增大实际桩身计算宽度呈线性减小;④通过修正桩身计算宽度,提出基于规范公式的斜坡场地m值修正公式。     

沉桩对邻近既有桩内力变形的影响分析

基于布辛奈斯克位移解与p-y曲线法,求解沉桩引起的自由土体水平位移并建立了单桩水平位移控制方程,采用两阶段法研究了沉桩引起的既有桩响应,分析了既有桩桩顶约束条件、桩身刚度及土体强度对既有桩性状的影响。研究表明,沉桩初始阶段在邻近既有桩中产生较大的桩身弯矩,沉桩深度增大时,既有桩桩身弯矩减小。既有桩桩顶约束条件对桩身性状有明显影响。土体强度增大时,既有桩桩身弯矩与变形均增大。既有桩桩身刚度增大时,桩身位移减小,桩身弯矩增大。     

沉桩对邻近既有桩内力变形的影响分析北大核心

基于布辛奈斯克位移解与p-y曲线法,求解沉桩引起的自由土体水平位移并建立了单桩水平位移控制方程,采用两阶段法研究了沉桩引起的既有桩响应,分析了既有桩桩顶约束条件、桩身刚度及土体强度对既有桩性状的影响。研究表明,沉桩初始阶段在邻近既有桩中产生较大的桩身弯矩,沉桩深度增大时,既有桩桩身弯矩减小。既有桩桩顶约束条件对桩身性状有明显影响。土体强度增大时,既有桩桩身弯矩与变形均增大。既有桩桩身刚度增大时,桩身位移减小,桩身弯矩增大。     

砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验

大直径桩基在海洋工程中已越来越广泛应用。针对目前API规范p-y曲线对水平受荷大直径单桩的不适用性,通过离心模型试验研究了砂性土中大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性。验证了通过实测桩身弯矩推算桩身变形和桩周土反力的有效性,分别获得了干砂和饱和砂的大直径单桩水平静力p-y曲线。在修正p-y曲线初始刚度的基础上,采用双曲线型p-y曲线分析了水平受荷大直径单桩的内力和变形。揭示了水平单向循环荷载下大直径单桩的桩身变形及内力变化特性,试验结果显示桩身变形和最大弯矩近似与循环次数的对数线性相关。最后,由各循环次数下的桩身弯矩获得了大直径单桩水平循环p-y曲线,提出了循环应力比相关的p-y曲线循环弱化因子,以及相应的桩基变形累积和内力变化分析方法。