基于桩-土非线性动力分析改进的Winkler模型

一种数值模型用来研究地震作用下桩基础反应,在Winkler模型基础上,考虑了桩的柔性与能量耗散及辐射。模型用来研究桩-土-结构共同作用分析,包括桩土非线性效应,考虑桩土体系非线性及其在强震作用下会产生大的变形,桩采用材料与几何非线性的梁-柱元相同,而土体假想为沿桩长段均匀的非线性弹簧-阻尼器,进而采用修正的Ramberg-Osgood模型。利用剪切模量与阻尼一个关系导得土的阻尼。为了模拟土中辐射阻尼效应,桩与土采用粘性阻尼器连接。模型同文献中的振动台测试对比表明,该模型与测试结果较吻合,进而为强震作用下桩土分析提供一种数值分析方法。     

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。     

水平循环荷载下高桩基础受力性状模型试验研究

近海高耸结构基础承受风,浪,波流等水平循环荷载作用,受力变形性状十分复杂.在饱和粉土地基中完成了单桩和群桩的水平循环加载试验,揭示了单桩和群桩响应随循环加载的变化规律.试验结果表明循环加载使桩周土体产生累积塑性变形,桩-土体系水平刚度随循环次数增加不断下降;先期循环加载对后期加载的刚度有着明显影响;群桩中各基桩分担的水平荷载比例随循环加载发生重分配,前排桩的作用得到更多发挥;荷载循环效应对群桩的影响大于单桩.基于p-y曲线法引入循环效应系数以考虑荷载循环的影响,并将该方法与其它文献方法和试验结果作了对比验证.     

Mehrlagig mit Geogittern bewehrte Erdkörper über pfahlartigen Gründungselementen – Numerische Simulation des Verformungsverhaltens unter statischer und zyklischer Einwirkung

Numerical simulation of the deformation behaviour of multi‐layered geogrid‐reinforced embankments on pile foundations under static and cyclic loading. Embankments for traffic constructions above soft soil are often founded on piles and geogrids are inserted at the bottom of the embankment. In the framework of present design procedures the cyclic (dynamic) traffic loads are considered in a very simplified manner. They are replaced by a static load with a magnification factor. The established model perception for static loading is a redistribution of stress due to arches in the embankment and tensile stress in the geogrids. However it has to be expected that the load bearing and deformation behaviour of such soil structures will change during the life time of the structure (millions of cycles). The cycles cause an accumulation of deformations and changes of stresses in the soil. This may cause a large destruction of the arches and may lead to unexpected settlements. Numerical strategies and constitutive models for the investigation of the behaviour of soils under high‐cyclic loading using finite element method were recently developed. This paper presents the results of such calculations of multi‐layered geogrid‐reinforced embankments on soft soil for the 2D case. The results show that, depending on the position of the geogrids in the embankment, their contribution is unequally to the bearing behaviour and that the stress arches will actually be destroyed under cyclic loading.     

A case study on the soil–pile–structure interaction of a long span arched structure

Different concepts for modelling of soil-foundation in complete dynamic interaction analysis for a 110-m height 70-m span arched structure on 180 piles were investigated in this paper. The modelling approaches consisted of a sophisticated procedure to account for soil compliance and foundation flexibility by defining frequency-dependent springs and dashpots; namely, flexible-impedance base model. The results of this model were compared with those of the conventional modelling procedures; namely, fixed base model and flexible base model by defining frequency-independent springs. In the flexible-impedance base model, the substructure approach was employed through finite element modelling. To account for the kinematic interaction, the numerical model of the soil, foundation and piles were developed using a verified finite element model in ABAQUS. The free field time history and design spectrum were modified to obtain the foundation input motion. The impedance of pile groups with different length was obtained by the finite element model to assess the inertial interaction. The comparison of the results of the employed models showed that rocking and torsional responses were greatly affected by soil–structure interaction, indicating redistribution of seismic demands. It was also proven that the internal demands of the conventional model considering frequency-independent Winkler springs might be higher than those of the model including pile–soil–structure interaction effects.     

极限荷载下桩筏基础共同作用性状的室内模型试验研究

利用自制模型槽,通过设计系列单桩带台与群桩的桩筏基础模型试验,研究了极限荷载下桩–筏板–地基土的应力与变形性状。试验结果表明,常规桩距桩筏基础极限荷载下表现出实体深基础性状;而大桩距桩筏基础,基桩先于板下土体达到承载力极限状态,后续荷载基本由板下土体分担,验证了塑性支承桩理论。加载过程中,桩–土的荷载分担比不断变化,6d及以上桩距时,桩达到极限荷载后即趋于稳定。利用桩的极限承载力的桩筏基础设计,应考虑极限荷载与工作荷载下桩–土荷载分担比的不同性状差别。桩间距越大,桩对土体的侧向位移的"遮帘作用"逐渐弱化,板下土体的位移特征趋于天然地基的特征,桩端平面以下土体应力受板下土体分担荷载的影响越明显,6倍桩距可视为常规桩基与复合桩基的分界点。     

Load‐sharing ratio of prebored and precast pile in top‐down method construction process

The load‐sharing ratio of the prebored and precast pile in top‐down method foundation was investigated by using a numerical analysis and field case study. The emphasis was on quantifying the apparent load‐sharing ratio of the prebored and precast pile during the top‐down method construction process. A series of three‐dimensional finite element analysis were conducted, with special attention given to the pile load‐sharing ratio under various conditions, such as soil condition, pile geometry, pile length, and structure load. In addition, the load‐sharing ratio of a single pile was also investigated based on the location of the pile in the raft (footing). The analysis model was validated by comparing the analysis model with the field data of an actual construction site using the prebored and precast pile and the top‐down method. On the basis of the series of analysis results and the field measurements, when the soil condition is better than weathered rock and for moderate pile length, at least 15% of the total structure load was supported by the pile throughout the construction process. Furthermore, it was shown that the pile near the center of the raft carried more structure load compared with the piles in the side and the corner of the raft.     

长短桩复合地基工程事故原因分析与预防措施

依托某水泥砂浆长短桩复合地基处理工程质量事故实例,开展现场调查及地基变形监测工作。根据在柔性基础下长短桩复合地基荷载传递机理,对工程质量事故的原因进行分析,找出工程质量事故的主要原因并提出避免类似工程质量事故的预防措施。分析结果表明,由于在大面积堆土荷载作用下桩周软土固结沉降,将主要产生两种地基处理失效模式:如果桩端悬浮在软土层中,桩端将发生向下刺入变形,桩周软土发生塑性变形或塑性破坏,地基处理失效;如果桩端落在硬土层上,桩体将先发生破坏,然后桩周软土破坏,地基处理失效;在大面积堆土荷载作用下桩周软土固结沉降且桩端悬浮在软土层中是本工程质量事故产生的根本原因。研究成果可为类似地基处理工程的设计人员及相关理论研究提供借鉴。     

用循环三轴试验分析海上风力发电机单桩基础侧向位移

为了开发洁净的再生能源,海上风力发电已成为欧洲各国积极研究的重点。一个足以承受长期波浪及风力的基础设施是让风力发电设施在使用年限内正常运转的必要条件。目前欧洲海上风力发电设计案例中,大口径的钢管桩是一种最常被运用的海上风力发电机基础型式。然而,目前工程界普遍使用的p–y曲线分析法并不适用于评估此种大口径单桩受长期侧向力的行为。特别针对砂性土壤,提出了应用室内三轴循环试验的结果评估单桩在单向循环侧向力下的变形方法。应用室内循环三轴试验所得的塑性应变增加量推求土壤的割线衰减刚度,再导入三维有限元素数值模型的方法,可以得到桩身在循环侧向力下的位移。此种方法非常适用于海上风力发电机单桩基础在均匀及层状土壤中侧向行为的初步工程设计。更多还原 AbstractFilter('ChDivSummary','ChDivSummaryMore','ChDivSummaryReset');     

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。     

Research on vertical bearing capacity of inclined pile in soft soil foundation

在软土地区，由于土方开挖引起桩侧土压力不平衡，或由于基坑支护结构变形过大，常导致已施工的工程桩产生侧移，成为斜桩。结合珠海市某工程项目，利用有限元程序模拟土方开挖过程桩侧不平衡土压力对桩受力和变形的影响，分析桩侧移、倾斜的原因。结果表明，施工阶段桩的侧移与桩侧土层性状及分布厚度密切相关，也与桩的直径、配筋相关。在此基础上，对斜桩在使用阶段的受力及变形情况进行分析，指出桩顶水平约束对桩的受力性状以及竖向承载力会产生很大的影响。选取典型斜桩进行现场静荷载试验，与有限元模拟分析的结果进行对比验证，试验结果与有限元模拟分析的结果基本吻合。     

软土地基倾斜桩竖向承载力研究

在软土地区,由于土方开挖引起桩侧土压力不平衡,或由于基坑支护结构变形过大,常导致已施工的工程桩产生侧移,成为斜桩。结合珠海市某工程项目,利用有限元程序模拟土方开挖过程桩侧不平衡土压力对桩受力和变形的影响,分析桩侧移、倾斜的原因。结果表明,施工阶段桩的侧移与桩侧土层性状及分布厚度密切相关,也与桩的直径、配筋相关。在此基础上,对斜桩在使用阶段的受力及变形情况进行分析,指出桩顶水平约束对桩的受力性状以及竖向承载力会产生很大的影响。选取典型斜桩进行现场静荷载试验,与有限元模拟分析的结果进行对比验证,试验结果与有限元模拟分析的结果基本吻合。     

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。     

主动侧向受荷桩模型试验与颗粒流数值模拟研究

分别采用室内模型试验与颗粒流数值模拟的方法,对砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩桩周土体在加载过程中的应力和位移的发展变化规律以及桩土相互作用性状进行了较系统和深入的研究。在室内模型试验中,研究了短桩在松砂、中密砂、密砂中的位移荷载规律,桩前、桩后土压力的分布和发展规律;并重点通过数字图像无标点量测技术密切关注桩周土体的位移产生和发展变化过程。通过开发颗粒流程序模拟室内模型试验在加载过程中的桩土相互作用过程中应力和位移的发展变化规律,与模型试验的结果进行了对比。给出了砂土中受水平荷载的桩顶自由短桩较完整的变形和破坏模式及极限土压力分布形式。     

超长嵌岩桩初始后屈曲性状分析

为探讨超长嵌岩桩初始后屈曲性状,先将桩身视为部分支撑的温克尔地基梁,提出基于组合桩侧土抗力模式建立桩土体系总势能方程。然后基于变分法导得临界荷载表达式,并应用扰动法和变分法推导得超长嵌岩桩初始后屈曲过程中临界荷载变化值与桩土体系参数的一般关系式。据此分析了不同参数对桩身屈曲及初始后屈曲平衡性状的影响。结果表明:初始后屈曲过程中的桩身平衡分枝点具有对称性,但稳定与否与桩侧土抗力模式、桩土刚度比及桩身埋置率等参数有关;设计规范的m法不能很好地反映超长桩的桩侧土抗力模式,所得的临界荷载值偏大。采用组合桩侧土抗力模式分析超长桩的屈曲及后屈曲较m法更为合理。     

可液化地基中单桩基础的三维数值分析方法及应用

在砂土液化大变形物理机制的基础上,建立了三维的砂土液化大变形统一本构模型,该本构模型能够实现对不同状态砂土单调和循环加载以及液化前后力学行为的统一描述。利用这一本构模型,在Open Sees有限元平台上发展了针对可液化地基中桩基础震动的三维弹塑性有限元动力时程分析方法。在有限元分析中,土体采用u–p格式流体固体耦合立方体单元模拟,桩基础采用立方体实体单元模拟。利用本文建立的本构模型和相应分析方法,对水平可液化地基中单桩基础,以及发生侧向流动的倾斜地基中单桩基础的离心机振动台试验进行了三维有限元数值模拟。模拟结果验证了数值方法在模拟地基和桩基础震动响应方面的有效性。     

小型桩基竖向循环加载模型试验系统研制与应用

介绍了一种小型桩基竖向循环加载模型试验系统,包括加载系统、压力室、起吊装置、模型桩、数据采集系统。该系统通过伺服电机驱动联轴器带动滚柱丝杠转动,进而带动加载板对模型桩施加竖向位移荷载;通过水压加载法对土样进行围压加载,模拟不同深度土层的应力状态及固结情况。可针对不同固结状态的地基土和多种桩基型式,开展不同荷载组合下桩基竖向循环加载模型试验研究,适用于饱和软土、一般黏性土、粉土、砂土等均质或非均质地基。应用该设备进行了单桩竖向循环加载模型试验,并与数值模拟进行对比。研究结果表明,动荷载幅值、地基土固结压力对桩基承载力特性影响很大;动荷载幅值较小时,桩基承载力几乎没有弱化;地基土固结压力升高时,桩基承载力提高显著,桩基承载力弱化速度减慢;随着振次及振幅的增加,桩顶轴力逐渐弱化至残余值;位移循环荷载作用下,桩周土的弱化导致桩基产生了负摩阻力,进一步降低了桩基承载力。模型试验结果与数值模拟结果吻合较好。通过初步应用,证明了该试验系统弥补了常规1g小比例尺模型试验中低围压的不足,可以较好地反应出桩顶荷载和位移的非线性关系和承载力循环弱化现象。同时该系统输出荷载波形精确,量测系统灵敏度高、稳定性好,可用于多工况下桩基的竖向循环加载特性研究。     

柔性群桩与地基相互作用的非线性分析

对桩侧土采用非线性荷载传递函数 ,桩端土采用线性荷载传递函数 ,同时考虑桩周土所分担的荷载对桩基荷载传递规律的影响 ,首次将增量荷载传递矩阵法与微分方程的近似解法———子域法相结合 ,推出了刚性承台下柔性群桩与地基非线性相互作用的系列近似解析算式。得出了如下结论 :刚性承台下 ,中桩、承台边缘桩及角桩的桩侧摩阻力沿深度的分布规律不完全相同 ,且各桩侧摩阻力发挥的程度也不一样 ,角桩侧摩阻力发挥最大 ,边中桩次之 ,中桩侧摩阻力发挥最小。     

支盘桩的承载特性研究

采用ANSYS软件,建立支盘桩-土的三维有限元模型,对桩土之间的作用进行接触分析,研究了挤扩支盘桩在荷载作用下位移场、应力场的变化规律和桩土之间的相互作用。分析认为,支盘桩桩侧摩擦力比较小,支盘上斜面及靠近支盘的上、下桩体表面与土体脱开,主要依靠支盘下斜面及桩底承受荷载。     

层状地基中群桩的水平振动特性

采用动力Winkler地基模型模拟桩土之间的动力相互作用,并运用传递矩阵法考虑地基土的分层特性,提出了计算层状地基中单桩和群桩动力阻抗函数的一种简化方法。在计算动力相互作用因子时考虑了“被动桩”与周围土体之间的相互作用。最后将相互作用因子和群桩阻抗的本文解与精确解进行了对比,同时与有关现场试验结果作了比较,验证了本文方法的有效性。