Efficient solution for a single pile under torsion

This paper presents a simple and more efficient solution mechanism for solving the linear response of a single pile with a circular cross section under torque in “n” multilayered soils. The pile-soil system is modeled by a series of independent springs distributed along the pile shaft with each spring representing an individual layer of soil. The properties of each soil layer are assumed constant with the allowance for variation from layer to layer. The method is based on the energy principles and variational approach initially proposed by Vallabhan and Mustafa (1996) for a single pile under a vertical load, developed by Guo and Lee (2001) for a single pile under a lateral load, and developed by Zhang (2010) and Misra et al. (2013) for a pile under torque. With the proposed iterative solution scheme, the equivalent stiffness of a soil-pile system of individual pile segments is calculated from the bottom element to the top element, while torque and the angles of twist are calculated from the top element to the bottom element of the pile without having to simultaneously solve a large number of equations. The solution provides: (1) the distribution of the angles of twist, (2) the distribution of torque along the pile and (3) the equivalent stiffness of the pile-soil system. A comparison of the results of the analysis using the proposed new solution mechanism with those of existing analytical solutions and a three-dimensional finite element analysis shows that the proposed method is much more efficient.     

基于薄环层元法的层状地基中摩擦桩竖向受荷计算

基于薄环层元法和虚土桩假设,提出了层状地基中竖向受荷摩擦桩计算模型。将桩身正下方至基岩间的土层视为虚土桩,并将桩土体系划分为多个薄层单元;随后利用虚位移原理求得薄环单元和桩单元的单元矩阵方程,并根据单元间平衡关系建立整体矩阵方程;最后通过桩与桩周土的协调关系,计算出层状地基中桩土体系位移。计算结果与已有方法结果吻合良好,验证了本文的正确性与可靠性。参数分析表明,计算单元厚度越小,精度越高;三层地基中的摩擦桩,中间夹层模量越大,其分担的荷载越多。桩端下卧土层厚度越小,桩端刚度越大。当桩端土厚度小于0.3倍地基厚度时,桩端刚度显著增大。当桩端以下土体分层时,桩端刚度与持力层厚度和强度密切相关。     

层状场域内桩-土-上部结构的整体动力有限元模拟

利用整体动力有限元方法 ,在考虑了模型的边界效应和桩土界面的滑移、接触非线性行为的基础上 ,较全面地研究了层状土域中桩基上下部结构的惯性相互作用和运动相互作用两种基本效应。通过实例计算表明 :土的分层和桩土非线性共同作用可以明显降低体系的动力加速度峰值和层间位移反应 ,而且土与桩的脱离与闭合对桩土刚体相互作用的影响较大     

基坑开挖与邻近桩基相互作用的弹塑性解

基于弹性理论法和p–y曲线法,通过桩土间设置的界面滑块和土体统一极限抗力来考虑土体塑性屈服,提出了基坑开挖对邻近桩基影响的弹塑性解。其基本思想是将桩基视为一维杆系结构,其和周围土体的相互作用通过设置的由弹簧和滑块构成的界面单元实现。当土体处于弹性状态时,桩土变形协调,滑块不发生作用;当土体应力达到极限抗力时,土体发生塑性变形,滑块承受极限抗力并发生塑性滑动。计算中,土体弹性模量随土体位移变化,即桩土之间非线性关系,其值可通过各土层处p–y曲线确定。实例分析表明,该方法计算结果合理可行,能够较为有效的分析基坑开挖对邻近桩基的影响。     

桩土耦合扭转振动理论研究与特性分析

从三维轴对称角度出发,对弹性支承桩与均质土耦合作用时的扭转振动特性进行了研究分析。假定桩为竖直弹性均匀截面桩,土为线性黏弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼,首先通过对土层进行求解得到其振动扭转角的形式解,然后利用该解并以小应变条件下桩土接触界面位移连续和力连续来考虑桩土的耦合作用,来分析基桩的动力反应,研究得到了弹性支承桩在谐和激振扭矩作用下频域响应函数解析解,并利用所得解对土层动力反应特性以及桩土体系的扭转振动特性进行了深入分析,得到了一些新的结论。     

KIN SP: A boundary element method based code for single pile kinematic bending in layered soil

In high seismicity areas, it is important to consider kinematic effects to properly design pile foundations. Kinematic effects are due to the interaction between pile and soil deformations induced by seismic waves. One of the effect is the arise of significant strains in weak soils that induce bending moments on piles. These moments can be significant in presence of a high stiffness contrast in a soil deposit. The single pile kinematic interaction problem is generally solved with beam on dynamic Winkler foundation approaches (BDWF) or using continuous models. In this work, a new boundary element method (BEM) based computer code (KIN SP) is presented where the kinematic analysis is preceded by a free-field response analysis. The analysis results of this method, in terms of bending moments at the pile-head and at the interface of a two-layered soil, are influenced by many factors including the soil–pile interface discretization. A parametric study is presented with the aim to suggest the minimum number of boundary elements to guarantee the accuracy of a BEM solution, for typical pile–soil relative stiffness values as a function of the pile diameter, the location of the interface of a two-layered soil and of the stiffness contrast. KIN SP results have been compared with simplified solutions in literature and with those obtained using a quasi-three-dimensional (3D) finite element code.     

层状地基中单桩-桩帽-土共同作用等效剪切位移法

基于单桩-桩帽-土共同作用的特征,推导了桩和桩帽下土体的荷载传递矩阵,提出了层状地基中带帽单桩的等效剪切位移法.当桩与桩帽下土体以及桩帽下土体与桩帽外侧土体交界面处的位移协调时,分别建立桩与桩帽下土体的平衡微分方程;考虑交界面处的相对滑动时,桩与桩帽下土体交界面处的侧摩阻力较大导致非线性,主要表现在桩与桩帽下土体间的相互滑动;当帽桩较小时,桩帽下土体与桩帽外侧土体交界面处的侧摩阻力引起的桩帽外侧土体自由位移场比较小.与有限元法、已有理论分析方法以及模型试验的对比表明桩帽的加入可明显增大带帽桩的整体刚度,并且一定尺寸的桩帽下桩体长径比的增大不会无限增大带帽单桩的整体刚度,桩帽始终贡献一定的荷载分担比例.     

单桩非线性分析的半解析半数值方法

在分析了桩侧摩阻力和桩周土剪切位移相互关系的基础上 ,提出了一种单桩非线性分析的半解析半分析方法 ,该方法可以分析位于多层介质中单桩的非线性位移。在该方法中 ,采用了两种模型 ,第一种为Randolph提出的解析式 ,该方法可计算在剪切应力作用下土的位移的和桩周土的剪切应力 ,另一个模型为双曲线模型 ,该曲线可用来描述桩侧摩阻力与桩周土的局部剪切位移的非线性关系。该计算方法所得到的计算结果与现场试验结果以及有限元计算结果非常吻合     

统一强度理论在湿陷性黄土-桩-上部结构共同作用分析中的应用

采用统一强度理论,用一种新的模型来模拟湿陷性黄土—桩—上部结构共同作用地基的非线性,同时在桩—土接触面上设置接触单元模拟其间的接触非线性。工程算例结果表明在强震作用下,湿陷性黄土—桩间的非线性对群桩基础的动力相互作用以及上部结构均有较明显的影响,其上部结构的位移反应及层间剪力要比线性体系产生的结果大,并且考虑共同作用后,结构的动力特性也发生变化,加速度、位移随着地基土软弱程度的增加反映出越来越接近“K”字型的特征。     

多年冻土区灌注桩桩–冻土相互作用有限元分析

 基于ANSYS有限元软件平台，建立多年冻土区灌注桩桩–冻土相互作用有限元模型。通过面–面接触实现桩与冻土间黏结、滑移和开裂的状态模拟，给出接触参数的合理取值，并将其对P-S曲线的影响进行分析。结合工程实例，对多年冻土区灌注桩基础在垂直静载作用下的内力和沉降进行分析研究。研究结果表明：多年冻土区桩基的承载力主要由桩侧冻土层的黏聚力提供；三维高阶接触单元能较好地模拟桩与冻土系边界条件的非线性，真实地反映多年冻土区单桩的实际受力状态；有限元计算值与实测值吻合较好，从而证明模型建立的正确性。     

土-群桩-结构系统动力特性及相互作用地震反应分析

本文根据连续介质力学理论,考虑平面应变假设,按桩-土-桩动力相互作用概念,研究了群桩中每两根桩的关系,并利用等效单桩的原理,将群桩动力问题转化为等效单桩动力问题,使分析得到简化。分析中采用了传递矩阵的方法,可方便而有效地考虑土的分层。在水平摇摆振动的分析中,还考虑了桩的竖向运动对摇摆刚度的贡献。 根据本文的理论和方法,用自编专用程序SPGSIA分析了土-群桩系统的动力特性;并用动力子结构及快速富里叶变换技术分析了土-群柱-结构系统的相互作用地震反应。通过本文的研究,得到了一些规律性的结果。     

群桩沉降的非线性计算方法

提出一种群桩沉降的非线性计算方法，它能考虑土的成层性，桩土共同作用的非线性。实例计算表明，计算结果与实测值基本一致，比线性计算方法更为合理。     

冲刷作用下层状横观各向同性土中群桩水平振动响应

采用有限元(FEM)与间接边界元(BEM)耦合法,求解冲刷作用下层状横观各向同性地基中高承台群桩的水平振动响应。采用三节点梁单元对群桩进行离散;然后,基于层状横观地基频域内的解答,以及考虑桩–桩相互作用,建立了地基积分方程;再通过对积分方程离散和数值求解,得到地基的柔度矩阵;根据桩土之间的协调条件,推导出群桩与地基共同作用的方程;通过引入各基桩桩顶的边界条件,获得共同作用方程的解答。最后,通过相关数值算例,验证本文理论及结果的正确性,并讨论冲刷深度对群桩水平振动响应的影响。     

考虑遮拦-加筋效应的刚性承台群桩非线性分析

文章介绍竖向受荷单桩非线性分析方法,双桩分析时,在前人工作基础上推导了分层土中被动桩遮拦-加筋效应的矩阵表达式,并结合叠加算法建立考虑遮拦-加筋效应的群桩非线性分析方法,对群桩刚度及桩身附加轴力进行分析,较好地解决了线弹性分析方法高估群桩相互作用的问题。最后通过已发表的刚性承台群桩算例验证文章方法的合理性。     

Centrifuge modeling of the behaviour of helical piles in cohesive soils from installation and axial loading

Centrifuge modeling offers a viable tool for research in the soil-pile interaction, but this technique has not been used for helical piles in cohesive soils. A centrifuge model test program of helical piles in cohesive soils was carried out to investigate the axial soil-pile interaction and pile failure mechanism. Helical piles were installed while the centrifuge was spinning, which enabled the determination and interpretation of installation torque and pore pressure response of the soil. An analytical model for calculating the installation torque of helical piles screwed into cohesive soils was proposed and verified by test results. The pore pressure response to pile installation was monitored near two piles at two depths. Comparing the measured dissipation curves with the analytical curves for driven piles suggested that the excess pore pressure was primarily induced by the helical pile shaft. The model piles were axially loaded under 20 g condition. The present research may be considered as the first centrifuge test program that measured the axial load distribution along helical piles. The shaft internal loads were recorded using an innovative strain gauging method. The results show that the axial failure modes of helical piles depend on the strength of soil and inter-helix spacing. In general, it may be easier for a stiffer clay to form an inter-helix soil cylinder during axial pile movement.     

分层地基模型|桩筏基础|沉降|非线性|离心模型试验

基于改进的分层地基模型,考虑桩–土–筏的共同作用,提出了刚性桩筏基础非线性分析方法。地基附加应力计算考虑土层参数的变化,采用层状弹性体系的Burmister应力解;地基变形采用分层总和法,所采用的计算参数压缩模量和一维回弹模量试验确定方便。通过简单的室内一维加卸载试验确定其随加卸载次数的变化,进一步得到桩筏基础在重复加卸载下的沉降规律。对单桩和桩筏基础进行离心模型试验,并将计算结果和试验结果进行对比分析,验证了本文方法的正确性,可应用于实际工程问题的分析。     

饱和土中大直径缺陷桩水平振动响应研究

为了研究成层饱和土中存在缺陷的大直径灌注桩的水平振动响应问题,基于Boit理论和严格的平面应变假设建立缺陷桩-饱和土横向耦合振动简化模型。引入势函数并利用算子分解法、分离变量法得到桩周饱和土对桩的水平作用力,再利用桩土接触面耦合条件及刚度矩阵传递法得到桩顶复阻抗;最后,通过模型对比与退化对比验证本文解的合理性。研究结果表明:(1)扩径对提高桩顶复阻抗起到的作用相对较小,但是缩径的出现将明显降低桩顶复阻抗;(2)桩顶动刚度和动阻尼对桩身缺陷大小和长度的敏感度不同,动刚度较动阻尼更为敏感;(3)桩顶附近缩径缺陷会导致桩顶复阻抗显著降低,而桩中部和端部附近缩径缺陷对桩顶复阻抗的影响相对较小。     

考虑土体三维波动效应的现浇大直径管桩纵向振动

考虑土体三维波动效应和桩-土耦合振动,把桩看作一维杆,把土体看作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇大直径管桩纵向振动频域特性进行了理论研究。首先通过引入势函数对土体振动方程解耦,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩周土及桩芯土频域响应解析解,进而利用桩土完全耦合的条件得到桩振动响应解。将所得解完全退化到实心桩的解,验证了解析解的合理性,并与未考虑三维效应的简化解对比。分析了桩底刚度系数、桩长以及桩径等对桩顶复阻抗的影响,得到了各参数对桩振动特性影响的规律。分析表明：桩底刚度系数增大,共振频率增大,且复阻抗的振荡幅值增大。无桩芯土时复阻抗的振荡幅值比桩周桩芯土都存在时大,无桩周土时复阻抗的振荡幅值比无桩芯土时大。桩长增大,桩顶复阻抗的振荡幅值和共振频率均显著减小,当桩长增大到一定长度的时候,增加桩长对桩顶复阻抗基本没有影响。外径增大或内径减小,桩顶复阻抗的振荡幅值增大。     

超深开挖对单桩的竖向荷载传递及沉降的影响机理有限元分析

目前对于超深基础下的桩的设计尚未考虑超深开挖、坑底隆起对桩产生的作用。现场采用静载试验确定单桩承载力时也仍采用常规的地表加载并扣除开挖深度范围内桩侧摩阻力的方法,没有考虑深开挖效应的影响。采用经实际工程算例验证的土参数、桩身材料参数和桩土接触面参数,在均质土中建立了轴对称有限元模型,对三种不同试桩方法进行了模拟。通过开挖模拟,首先揭示了深开挖对桩的影响效应,在此基础上,对超深开挖对桩在开挖后再加载的荷载传递机理和沉降机理进行了研究。与常规试桩法和套管试桩法中的基坑底以下相同桩长的桩相比,超深开挖产生的影响效应使桩的极限承载力降低,竖向刚度减小,相同荷载下沉降加大,且其沉降中桩整体刺入所占的比例显著大于其它两者。桩侧摩阻力完全发挥时需要的桩土滑移量增大。此外,超深开挖可在桩身中产生较大的拉力,桩身中下部钢筋不能随意减少。     

多层地基轴对称弹性空间问题的解析层元解

从轴对称弹性空间问题的基本控制方程出发,推导出Hankel积分变换域内单层地基的精确刚度矩阵,即解析层元,然后按有限层法组装成多层地基的总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵形成的方程组,得到该问题在Hankel积分变换域内的解,再通过Hankel积分逆变换,得到轴对称荷载作用下多层地基的精确解。编制了相应程序进行计算,通过与已有文献的结果及有限元计算结果比较,证明了所提方法的正确性;通过多层地基模型与均匀地基模型的比较,揭示了两者的差异。天然地基往往呈层状分布,各层土的物理性质差别较大,故与通常采用的均匀地基模型相比,成层地基模型更能真实地分析天然地基在轴对称荷载作用下的位移。