考虑台后不平衡土压力下整体桥H型钢桩基-土相互作用内力计算方法

在台后填土作用下整体式桥台-H型钢桩-土相互作用和大不平衡土压力下(台后土表面均布荷载增大了3.81 kPa)整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究的基础上,提出了考虑台后不平衡土压力下整体桥桩基-土相互作用的内力计算方法,计算了整体桥台底弯矩和剪力以及桩身弯矩和剪力,并与现有的台后土压力理论和桥梁规范的计算值进行比较。结果表明:正向加载时,采用现有的台后土压力理论和桥梁规范计算得到的台底弯矩和剪力以及桩身弯矩和剪力均与试验结果存在较大偏差; 采用黄-林法可较准确地计算AHP模型的台底弯矩和剪力以及桩身弯矩和剪力; 对于LAHP模型,试验值均与各理论计算值相差较大; 正向加载时,随着位移荷载的增加,AHP和LAHP模型的台底和桩身弯矩均逐渐增大; 台后堆载(大不平衡土压力)对整体桥台底剪力和弯矩以及桩身的剪力和弯矩产生较大的影响,LAHP模型的台底和桩身弯矩整体上均大于AHP模型的,而LAHP模型的台底剪力小于AHP模型的,桩身剪力大于AHP模型的。     

竖向荷载作用下的被动桩计算方法研究

建立了被动桩的计算模式,借鉴抗滑桩的设计方法计算主动侧作用于桩身的土压力,被动侧作用于桩身的土抗力与桩的变形成正比,然后基于静力平衡条件建立了可考虑桩顶竖向荷载作用的被动桩桩体单元受力微分平衡方程,编程可求解得到桩身侧向位移、桩身弯矩和剪力。该方法可供被动桩的设计参考。     

深基坑护壁桩的受力特性和土压力

根据成都锦阳商厦深基坑护壁桩的实测钢筋应力和利用钢筋应力求得的桩身弯矩,分析了桩的变形状态,发现桩顶的圈梁对桩有明显的约束作用,使护壁桩的受力完全不同于上端自由的直立杆件。利用桩身弯矩对坑底以上桩侧土压力的分布和大小进行了反分析,所得结果与经典土压力理论有显著差别。     

复杂受荷条件下PCC桩承载特性研究

采用有限元软件ABAQUS建立了复杂受荷条件下PCC桩数值分析模型,并采用现场PCC桩试验结果与模型计算结果进行了对比验证。研究结果表明,相同后期水平荷载作用下,桩顶和桩身水平位移均随先期竖向荷载的增大而减小;先期竖向荷载的存在有利于单桩水平极限承载力的提高;不同的竖向-水平荷载作用下桩身弯矩分布的变化规律不同,后期水平荷载不超过单桩水平承载力时,桩身弯矩随先期竖向荷载的增大而减小;后期水平荷载大于单桩水平承载力时,桩身弯矩随先期竖向荷载的增大先增大后减小;不同位置处的桩侧土抗力受先期竖向荷载的影响不同,迎土侧土抗力有所增大,其他位置处变化很小。     

整体桥预应力桩-土相互作用试验

为探究整体式桥台无缝桥(简称整体桥)预应力混凝土桩吸纳上部结构变形的能力,对3根不同预应力的缩尺模型桩PC-1～PC-3进行了拟静力试验。利用布设于桩身表面的土压力计、位移计、应变片等,研究了预应力混凝土桩的破坏模式和变形规律,并与埋深不同且未施加预应力的混凝土桩对比,进一步说明预应力对柔性桩变形能力的影响; 通过与普通混凝土桩的对比,以临界荷载、屈服荷载、峰值荷载为评价指标,分析了预应力对试验桩强度和变形的影响。结果表明:随着预应力度的增大,模型桩的破坏形态由多条裂缝向1条主要裂缝转变; PC-2和PC-3主要裂缝出现位置分别较PC-1沿埋深方向增大0.4倍和0.6倍桩径,说明预应力度的提高增大了桩-土相互作用区域,且效果较增大桩基埋深更为显著; 随着位移荷载的增加,PC-1的桩身拉、压应变分布率先出现不对称,而PC-2和PC-3在更大位移荷载时仍保持对称,通过与不同埋深未施加预应力的混凝土桩对比发现,相较于增大桩基埋深,施加预应力可以更为显著地提高桩基的弹性工作范围及桩身的整体性和抗开裂能力; 通过分析比较模型桩的桩身承载比可知,提高预应力度可改善桩身受力性能,并可更充分发挥桩周土的承载能力; PC-2,PC-3的正向临界荷载、屈服荷载以及峰值荷载相较于PC-1均有提高,屈服荷载分别较PC-1提高了17.8%和42.3%,说明预应力度可以增大混凝土桩的弹性工作范围,提高变形能力; PC-1的等效刚度退化速率较PC-2,PC-3更快,说明施加预应力可减缓混凝土桩的刚度退化; 与PHC管桩等效刚度理论计算值对比发现,PHC管桩理论计算值偏安全,可应用于PC桩的等效刚度计算。     

基于PIV技术与分形理论的桩–土系统水平循环受荷模型试验研究

单桩基础作为涡轮风机常用的基础形式之一，常受周期性横向荷载的作用，这将导致桩–土系统动力响应的变化。通过改变土体相对密实度与粒径大小2个参量开展一系列室内模型试验，探究水平循环荷载作用下单桩基础的内力变化及累积变形特性，并利用PIV技术及分形理论分析桩周土体周期性的运动规律。试验结果表明：(1)循环荷载对于桩身弯矩的影响较为显著，随着循环次数的增大，桩身弯矩值随之减小，减小的幅度随土体相对密实度的增加而增大；同时，桩周土体粒径越小，桩身产生的弯矩相对较大。(2)桩基整体绕桩身一点做刚性转动，土体的相对密实度越高，桩身累积变形越小；砂–钢接触面的界面摩擦角受到土体粒径的影响，土体粒径越大，界面摩擦角越小，桩身的水平累积位移越大。(3)表层土体位移范围随土体相对密实度的增加而减小，而粒径大小对于土体位移场的影响较小；随着加载的进行，桩后土体位移影响范围增加，而桩前土体影响位移范围减小，桩周沿加载方向的部分土体会发生对流运动。(4)桩周土体位移场具有分形特征，分形维数值随着土体相对密实度的增加而减小，大小在1.18～1.42范围；分形维数与土体位移场面积之间呈现正比例线性关系，而与循环次数之...     

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。     

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。     

冻、融土中桩的水平受力特性模型对比试验研究

通过模型试验,对不同温度条件(室温条件(20℃)、冻结条件(-10℃)、融土条件)下的饱和砂土分别进行桩头位移-水平荷载关系、桩身弯矩和挠度分布规律以及土体的刚度变化等桩-土相互作用等的研究。此外引入工程中常用的m法进行对比验证,探讨m法的适用条件。研究发现:室温土中桩在小荷载作用下产生明显的桩头侧移和挠曲变形,桩身弯矩呈现自上而下先大后小的分布规律;冻土中形成的大量冰胶结物使土体刚度得到极大提高,大荷载难以使桩基发生大的变形和侧移,桩身最大弯矩埋深显著减小;上层融土降低了桩头位置土的刚度,使得桩显示出室温土与冻土的双重性质,桩身弯矩最大值较室温土、冻土条件下更大,其埋深较冻土中大;在多年冻土区进行桩基施工应当重视冻土层的保护;m法在常温土中具备很好的安全性和适用性,但在冻、融环境下应用时差异较大。     

竖向受荷混凝土桩-地基土模型试验研究

桩基础广泛应用于建设工程项目中,桩基础承载力和地基土体沉降是影响建设工程项目质量的重要因素。通过自主设计加载装置和量测系统,进行竖向荷载下室内单桩静荷载模型试验,分析桩顶沉降、桩身应变、桩身轴力、桩侧摩阻力以及桩周土压力,研究桩体荷载分担和地基土体沉降机理。试验发现,存在一个地基土沉降盆,范围内的土体沉降较大,易对地基承载力和稳定性产生影响;存在一个有效桩长,当桩基长度超过此值时,增大桩长无法增大桩基极限承载力。试验结论对桩基设计提供参考,旨在保证桩基和地基土的承载作用。     

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。     

Evaluation on the behavior of abutment-pile connection in integral abutment bridge

Integral abutment bridges can reduce the amount and cost of construction and maintenance work since they do not have expansion joints and shoes in order to increase stability and durability of the bridges’ system. Integral abutment bridges normally have single-row H-pile systems to resist the behaviors under service loading conditions such as thermal loading. In order to transfer member forces between abutments and H-pile, the abutment-pile connection in the integral abutment bridge should have rigid behavior. Therefore, the installation of reinforcing bars and minimum installed length of the piles in the concrete abutment are required to resist bearing force and deformation caused by shear forces and bending moments. This study examines the abutment-pile connections in the integral abutment bridge to improve the shear and bearing resistance of concrete abutment and constructability of abutment-pile connections for the single-row H-pile system with weak axis. Three types of new abutment-pile connections are proposed in this study. They feature transverse reinforcing bars perforated in H-pile, stud connectors, and perfobond rib connectors on the flange of H-pile, respectively. They are intended to increase the stiffness and strength so that they will better resist the bearing force caused by deformations and rotations at abutment H-pile concrete. Loading tests and FE analysis were conducted to evaluate the stiffness and behaviors of proposed connections for half scale abutment-H-pile connection specimens. From the test results, proposed abutment-H-pile connections were evaluated to secure sufficient stiffness, rotational stiffness, and bearing strength.     

不同类型桩基支撑的整体桥力学性能

以福建永春县上坂大桥作为工程背景建立了全桥有限元模型,通过实桥静载、动载试验对模型进行验证,并在整体式桥台下分别设置了矩形桩、圆形桩、预应力高强混凝土(PHC)管桩、钢管桩、H型钢桩、工型超高性能混凝土(UHPC)桩和工型UHPC-矩形变截面桩,研究了整体桥采用不同类型桩基时对其整体力学性能的影响。结果表明:有限元模型的计算基频较实测值减小了5.5%,第1阶模态均为横向侧飘,主梁在汽车偏载和中载作用下出现的竖向挠度与实测挠度较吻合,验证了有限元模型的合理性; 随着整体温度的升高,不同类型桩基支撑的整体桥主梁和桩基最大正、负弯矩和剪力随之增大,主梁竖向挠度随之减小,梁端水平位移也呈现明显的增长趋势,但在相同温度荷载作用下,整体式桥台下设置不同类型桩基对梁端水平位移的影响很小; 桩身显著变形区主要出现在0～6.4D(D为桩径)埋深处,在更大埋深处基本可忽略,表现出了柔性桩的变形性能; 随着变截面桩的上部UHPC桩段抗弯刚度的增大,主梁最大正、负弯矩与桩身最大弯矩均显著增大,桩顶水平变形显著减小; 随着上部UHPC桩段长度的增加,主梁最大正、负弯矩与桩身最大弯矩先呈现明显的增长趋势,而后趋于稳定,桩顶水平变形则先呈现明显减小趋势,随后趋于稳定; 上部UHPC桩段长度一般取为桩基总长的36%,对整体桥主梁和桩基的受力较好,为UHPC桩段的经济长度; 温差小于15 ℃时,整体桥采用不同类型桩基时对主梁和桩基的受力影响不大; 随着温差继续增大,整体桥采用H型钢桩、工型UHPC桩或工型UHPC-矩形变截面桩时主梁和桩基的受力性能更好。     

采用UHPC-RC阶梯桩的整体桥试设计

为了增大桥台基础柔度,适应整体桥纵桥向变形需要,提出了上部采用超高性能混凝土（UHPC）材料、下部采用普通混凝土（RC）材料的UHPC-RC阶梯桩,进行了这种新型桩基整体桥的试设计,在桩顶3 m范围内用截面尺寸为30 cm×30 cm的UHPC代替原来的70 cm×50（70） cm普通混凝土,并采用MIDAS软件建立了全桥空间有限元模型。研究结果表明:恒载作用下,试设计桥梁端负弯矩相比于原桥明显减小;在偏载和中载作用下,试设计桥主梁在桥台处的负弯矩分别减小14.2%和22.8%;整体降温作用下,主梁的轴力和弯矩均都有显著减小,桩身的最大剪力和最大弯矩出现在桩顶位置,分别减小52.2%,59.8%;在整体升温作用下,桥台的最大剪力和最大弯矩出现在桥台顶部位置,分别减小32.6%,45.8%;UHPC-RC阶梯桩是一种适合中国国情、有发展前景的无缝桥桩基新结构。     

静/动载作用下埋地管道力学性能的试验分析

针对埋地管道开展了静载和循环荷载试验,综合分析了荷载类型、加载角度、管道外径和管道材质等因素对管道力学与变形性能以及管周土压力分布规律的影响。结果表明:静载作用下,管周土中垂直土压力大小与加载位置关系密切,水平土压力受“土拱效应”影响显著;管道呈现水平向外鼓胀、垂直径向压缩的椭圆状变形,且承压板荷载越大,管道变形越严重,同时管顶“土拱效应”越显著。循环荷载对埋地管道上方土层的沉降影响明显大于静载;改变承压板角度时效果差异明显,当加载范围关于管道轴线对称时埋地管道所受影响显著。对比不同外径和材质的埋地管道,发现当厚径比相同时,管径越大,壁厚越大,弹性模量也越大,管道的抗变形性能也就越好;公称压力相同时,聚丙烯管道抗变形能力强于外径相等的高密度聚乙烯管道。     

堆载作用下被动桩的水平受力及位移分析

针对既有桩体在较大侧向堆载作用下会发生偏斜或挠曲变形甚至开裂折断,从而导致结构存在较大安全风险的问题,基于Flamant解建立条形荷载作用下的水平附加应力计算公式。考虑到桩-土界面的剪切效应,采用双参数地基模型进行桩后土体的桩-土受力分析。建立了被动桩的挠曲微分方程,采用MATLAB求解得到桩的内力及变形情况。采用文献中的不平衡堆载试验监测数据验证了计算公式的合理性。研究结果表明:堆载对桩基的侧向土压力影响主要分布在桩体的上半部分,受到的侧向土压力占桩体总侧向土压力的86%以上;随着堆载高度的增加,桩的侧向土压力、侧向位移和弯矩均呈现出增大的趋势;所得结论可为类似工程的安全性评价提供理论依据。     

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。     

临近基坑开挖复合地基侧向力学性状离心试验研究

临近基坑开挖引起复合地基CFG桩变形和内力改变,现有理论缺乏对该问题的研究。通过开展离心模型试验,对临近基坑开挖条件下,复合地基变形、CFG桩内力和变形、土压力等分布和变化规律进行深入分析。结果表明：开挖引起CFG桩弯矩增大,近基坑桩增幅明显|开挖引起桩土不同步沉降,导致CFG桩上刺入褥垫层,桩受到褥垫层的“嵌固拉结”作用,同时远基坑桩、褥垫层、加载气囊一起提供了“摩擦拉结”作用,从而在近基坑桩上出现负弯矩|而远基坑处不均匀沉降小,“嵌固拉结”作用小,且“摩擦拉结”作用是利于正弯矩产生,桩上未出现负弯矩|开挖引起支护背后土压力分为增长区和减小区两部分,在上部土体中,土体卸荷,土压力减小,而下部土体受支护挤压,土压力有所增大|开挖引起地表沉降呈指数形式,临近基坑地表沉降最大,在显著变形区域内,支护水平位移基本呈直线形式,各阶段最大水平位移均出现在支护顶端|开挖引起的CFG桩水平变形大小和范围随距基坑边距离的增大而减小。