上拔力-水平力-扭矩组合荷载作用下斜桩承载特性模型试验

斜桩广泛应用于桥梁、水上钻井平台及风力发电基础等工程中,其承载特性十分复杂。为揭示上拔力-水平力-扭矩共同作用下斜桩单桩的承载特性,利用自主设计制作的加载设备,在砂土地基中开展了4根斜桩室内模型试验,研究了桩身倾角、上拔及水平荷载对受扭斜桩桩顶水平位移、扭转角及桩身扭矩、弯矩的影响。试验结果表明：斜桩水平承载力随桩身倾角的增大而增大;倾角及上拔荷载的增大均会导致斜桩极限扭转承载力的减小;斜桩最大弯矩受到桩身倾斜角度及桩顶上拔荷载的影响,随其增加而增加;组合荷载作用下的斜桩存在有效荷载传递深度。     

竖向荷载作用下斜桩承载变形特性有限元分析

斜桩的受力变形性状相比直桩要复杂得多,为了分析斜桩在竖向荷载作用下的承载变形性状,采用有限元分析的方法对竖向荷载作用下斜桩的承载变形以及桩-土相互作用进行了研究,分析了桩身倾角对斜桩竖向承载变形及桩-土相互作用的影响。结果表明:桩身倾角越大,斜桩桩顶沉降和水平位移也越大;桩身弯矩主要出现在桩身上半部分,随着桩身倾角增大而增大;斜桩桩前桩-土接触压力沿深度先增大后减小又逐渐增大,桩后桩-土接触压力从零压力点逐渐增加后迅速减小,一定深度后又逐渐增加,桩前与桩后的桩-土接触压力最大值随桩身倾角增大而增大;深度2.5 m以上,桩前侧摩阻力随桩身倾角增大而增大,深度2.5~6.5 m的桩前侧摩阻力衰减的程度随桩身倾角增大而增大,深度6.5 m以下桩前侧摩阻力随桩身倾角增大而减小;桩身倾角越大,桩后零摩阻力区段越长,零摩阻力区段以下的桩后侧摩阻力越小。     

竖向荷载作用下斜桩承载特性数值分析

近年来,斜桩在桥梁、码头、海上钻井平台及大型输电线路塔架基础等工程中得到广泛应用,研究不同倾角斜桩的荷载传递及承载特性实用意义较大。基于ABAQUS软件,考虑桩土接触特性,模拟分析了不同倾角斜桩的承载特性。结果表明:桩身倾角不大于10°时,倾斜角对单桩的极限承载力影响不大,但会在桩身产生一定弯矩以及桩顶产生一定的水平位移;桩身轴力沿桩长方向的衰减速率随桩身倾角的增大而增大;斜桩桩身弯矩主要分布在桩顶下1/2桩长范围内,其最大值的位置不受桩身倾角以及桩顶竖向荷载的影响;斜桩桩身侧摩阻力沿桩长大致呈"S"型分布,其桩顶以下1/6桩长范围内侧摩阻力远远大于直桩。     

带承台倾斜单桩水平承载变形性状数值分析

为研究带承台倾斜单桩水平承载变形性状,通过数值模拟手段分析了水平荷载作用下桩身倾角、长径比对桩顶带承台斜桩的承载变形性状的影响,并重点分析了竖向荷载对水平受荷斜桩性状的影响。结果表明①水平荷载作用下,负斜桩的桩顶水平位移最大,直桩居中,正斜桩最小;桩身倾角越大,斜桩桩顶水平位移与相应直桩桩顶水平位移差值越大;相同情况下,长径比对斜桩桩顶水平位移影响不明显。②水平荷载作用下,桩身倾角只影响斜桩桩身弯矩的大小,而最大桩身弯矩的位置基本不变。③竖向荷载减小了负斜桩桩顶水平位移,却增大了正斜桩桩顶位移。④负斜桩的桩身最大弯矩随着竖向荷载的增大而减小,正斜桩却与之相反。     

水平偏心荷载作用下斜桩承载特性模型试验

斜桩周围的土体自重应力场不对称于斜桩轴线,其承载变形特性比较复杂。在砂土地基中开展了斜桩模型试验,研究了斜桩在垂直于其倾斜方向的水平偏心荷载作用下的承载变形特性,分析了桩身表面粗糙程度、桩身倾角对斜桩承载变形特性及桩身内力分布规律的影响。试验结果表明,在垂直于斜桩倾斜方向的水平偏心荷载作用下,斜桩桩顶水平位移很小,而扭转变形较大,其承载力取决于扭转变形。垂直于斜桩倾斜方向的水平偏心荷载不仅会使斜桩弯曲,还会使斜桩沿其纵向轴线拉伸。斜桩桩身最大弯矩超过作用于桩顶的扭矩约10%～30%,斜桩全长受拉,但桩身轴力很小,最大轴力约为桩顶水平荷载的5%。斜桩桩身表面作用有纵向摩阻力及环向摩阻力。斜桩桩身上部纵向摩阻力为正摩阻力,下部则为负摩阻力,中性点的位置约在相对深度Z/L=0.3处,纵向平均摩阻力远小于相同深度处的环向平均摩阻力。     

轴-横向荷载作用下超长桩数值模拟

轴-横向荷载作用下的桩土相互作用研究主要集中在单层土中的中短桩,工程设计将水平、竖向荷载作用分开单独考虑.本文对成层地基中超长桩在轴-横向耦合荷载作用下展开数值模拟研究和试验对比,结果表明,轴-横向荷载作用下的超长桩桩-土相互作用主要集中在土体浅部区域,竖向荷载作用使得桩身弯矩、水平位移减小,从而提高了桩基础水平承载力;对于软粘土,水平荷载能在一定程度上提高超长桩的竖向承载力.桩侧土与桩端土的变形模量比也是影响超长桩承载性能的重要因素,两者比值越大,侧摩阻力占总荷载比例越低.本文建立的超长桩数值模型计算结果与实测数据吻合较好.     

上拔荷载对斜桩水平承载性状影响的试验研究

斜桩在承受水平荷载的同时,往往会受到上拔荷载的作用。为研究上拔荷载对斜桩水平承载性状的影响,开展了10根直、斜桩的室内模型试验,研究上拔荷载对斜桩桩顶水平位移和水平承载力的影响,对比了直桩与斜桩桩身弯矩和剪力的差异,并分析了上拔荷载对正、负斜桩桩身内力及桩侧摩阻力的影响规律。模型试验结果表明:上拔荷载从直桩水平极限承载力的12.5%增大到75%时,正斜桩水平承载力比增大21%,负斜桩水平承载力比减小25%。上拔荷载的存在会使正、负斜桩桩身轴力均增大,且上拔荷载越大,桩身轴力越大。上拔荷载能减小正斜桩桩身弯矩和剪力,使其抵抗弯矩和剪力的能力得到提高,而增大负斜桩桩身弯矩和剪力,使其抵抗弯矩和剪力的能力被削弱;不论正斜桩还是负斜桩,其上部区段桩身侧表面均出现了方向向上的摩阻力,而下部区段桩身侧表面均为方向向下的摩阻力,随着上拔荷载的增大,斜桩桩身侧摩阻力逐渐增大。     

冲刷作用下单桩水平承载特性试验研究及数值模拟

为了掌握冲刷前后桩基础水平承载性能的变化规律,通过自行设计加工的水平加载装置,进行了一系列不同冲刷深度下的桩基室内模型试验,获得在不同水平荷载作用下桩头水平位移以及沿桩身的应变,掌握冲刷作用对桩基水平承载性能的影响。在此基础上,采用FLAC3D软件模拟单桩在水平荷载作用下的承载性能,并依据模型试验结果修正数值模型相应参数,获得能考虑冲刷作用影响的单桩计算模型。用该计算模型对冲刷角、桩顶固定方式和不同冲刷深度下单桩的水平承载力性状进行分析,得出如下结论:当冲刷深度小于1.5倍桩径时,水平极限承载力受冲刷影响较小;而当冲刷深度达到大于2倍桩径,小于8倍桩径时,水平极限承载力受冲刷影响较大,下降幅值达到80%;当冲刷深度继续增大,水平极限承载力下降趋于平缓;在一定的冲刷深度下,当冲刷范围变化时,桩基侧向承载力变化不明显;桩头固定有利于减小冲刷对桩基承载力的影响。     

边载和水平荷载作用下超长桩承载性状数值分析

采用有限元法,建立超长桩和土体共同作用的三维数值模型,研究受边载和水平荷载共同作用下超长桩的承载特性,分析超长桩侧摩阻力和桩身弯矩的变化规律。结果表明:水平荷载与边载比值k的增大可以有效改善桩侧负摩阻力,并且存在最优比值k=4。桩侧负摩阻力和桩身弯矩随着长径比的减小而减小;存在临界边载距离s=8 m,当边载距离s<8 m时,桩身负摩阻力随着边载距离的增大而减小,当s＞8 m时,边载对桩身负摩阻力几乎无影响。桩土刚度比的减小可有效提高超长桩承载力。同时应用多元非线性回归分析,得到最小桩侧摩阻力随不同因素变化的函数关系式。根据该式可预测不同因素组合下的最小桩侧摩阻力,有效避免桩侧负摩阻力的产生。     

水平荷载作用下GRF桩基础受力特性的数值分析

为研究GRF桩基础在水平荷载下的承载特性,利用有限元分析软件MSC.Marc,建立GRF桩基础和普通直桩的非线性三维模型,与普通直桩进行对比,分析了GRF桩基础在水平荷载作用下的桩顶和桩身位移、桩身弯矩及桩侧土应力分布。研究发现:在相同的桩顶水平荷载作用下,GRF桩基础桩顶和桩身水平位移比普通直桩有所减小;锚杆上缘的桩身弯矩发生突变,较普通直桩有所增大,锚杆以下的桩身弯矩均小于普通直桩;GRF桩的桩前横向土抗力也比普通直桩的小,而桩前锚杆下部土体中的竖向应力有所偏高。     

海上风电基础结构大直径钢管桩水平静载荷试验数值仿真

采用数值模拟手段,对海上风电基础结构大直径钢管桩水平静载荷试验进行仿真,其中,仿真试验数值模型中桩土之间设置接触单元对桩土相互作用特性进行模拟。对仿真试验结果的处理与分析表明:桩土之间接触单元的设置更为真实地描述了桩土接触的性状;计算得到的p～y曲线较与一些已有方法的结果相比存在差异。     

斜桩负摩擦及弯曲特性研究

针对软土地区设计桩基础遇到的最普遍问题——负摩擦,通过三维数值模拟研究斜桩在超载作用下的负摩擦和下拉力特性。指出由于桩身倾斜,超载不仅引起桩身负摩擦,还产生附加弯矩。参数分析结果表明:随着桩身倾斜角度的增加可减小桩身负摩擦力和下拉力,桩顶约束时在桩身中部产生较大的弯矩,而桩顶自由时则在桩身下部产生弯矩;桩身下拉力及负摩擦力的变化主要取决于地面超载和轴向荷载,在桩顶施加轴向荷载之前先加超载比先施加轴向荷载后再加超载可大幅度减少桩身负摩擦。     

有斜桩和无斜桩高桩码头地震反应的非线性有限元分析

为清楚了解斜桩在地震中的性能,采用非线性有限元软件ABAQUS对全直桩码头和斜桩码头分别进行了弹塑性时程分析.全直桩码头为全部采用直桩的码头,有斜桩码头分2种情况,一种是1根直桩顶部另设置1对斜桩,其余直桩全部与全直桩码头相同,另一种是将直桩截面尺寸和配筋减小后设置1对斜桩使其荷载-变形特性与全直桩码头相近.研究表明,有斜桩码头的刚度较大,水平位移、直桩桩端弯矩和水平力均较小,但残余位移较大.当地震作用较强时,由于斜桩变形能力较差,混凝土容易压碎,丧失水平承载力.计算分析也同时表明,近陆侧直桩比斜桩承受更大的地震弯矩和水平侧向力.     

水平荷载下底梁式全直桩码头横向荷载传递规律

针对常规内河全直桩高桩码头抵抗水平力差的缺点,提出了底梁式全直桩高桩码头结构,并对此结构进行了室内模型试验和数学模型试验.在室内模型试验中首先利用方程分析法和量纲分析法作相似分析,得到试验模型相似参数,然后通过一系列的前期土工模型试验对模型材料进行配制和选定,并在此基础上进行水平荷载作用下的码头结构-桩-土的试验.通过对比分析两种方法在水平荷载作用下结构的桩身位移、应变、弯矩和剪力,以及横梁和靠船梁的轴力,从而探讨结构的横向荷载传递规律.结果表明底梁式全直桩码头能较好地抵抗水平力的作用,可供同类工程设计参考.     

荷载倾角对大直径长桩承载特性的影响分析

基于数值分析与荷载传递相结合的方法,利用FLAC3D对倾斜荷载下大直径长桩进行模拟,分析了荷载倾角对桩的承载特性的影响.结果表明,荷载倾角影响桩的承载方式,随着荷载倾角的逐渐增加,桩的承载方式由竖向承载为主逐渐向水平承载为主转化.荷载倾角在0°～20°范围内变化时,桩顶以沉降为主;在30°～90°范围内变化时,桩顶水平位移大于沉降.随着荷载倾角的增大,上部桩体侧移显著增大,桩两侧合土抗力零点向深部移动,桩端阻力减小.桩前侧和桩后侧最大合土抗力与荷载倾角的正弦值近似呈线性递增关系;桩前侧最大合土抗力受荷载倾角的影响比桩后侧最大合土抗力大.     

持力层深度对单桩受力变形的影响分析

为研究桩基持力层深度影响单桩受力变形规律,以白山管理房桩基工程为例,根据工程地质条件建立数值计算模型,基于 FLAC3D 对不同桩基持力层、不同桩顶荷载条件下桩与桩周土的竖向位移和桩身竖向应力进行计算。结果表明:持力层越深,桩顶沉降越小,在不同荷载作用下桩顶所产生的差异沉降也越小,桩身最大竖向应力值越大,故采用较深桩基持力层能更好地解决白山管理房桩基沉降和差异沉降问题。     

不同浅层地基处理方法下PHC管桩水平承载性状对比研究

不同浅层地基处理法下PHC管桩水平承载性状对比尚缺乏研究。通过现场水平静载荷试验,分析了碎石振动碾压法、振动碾压法和振捣法三种地基处理方法中PHC管桩在水平荷载作用下的受力特点及水平承载力,对比得出了合理地基处理方法。通过三维有限元模拟,分析了桩、土参数的变化对PHC管桩水平承载性状的影响,为合理地基处理方法的选用提供依据。研究结论具有一定的工程实践指导意义,可为今后类似工程设计和施工提供参考。