地震作用下变截面钢管混凝土单桩动力响应

为了探讨桥梁位于软弱土层时,地震作用下变截面钢管混凝土桩基的动力响应,以翔安大桥为工程背景,利用FLAC3D有限元软件建立地震作用下桩-岩土体-钢管耦合作用的数值模型,研究在不同强度的地震作用下变截面钢管混凝土单桩和变截面普通混凝土单桩桩身加速度、桩身位移、桩身弯矩的动力响应差异.结果表明:变截面钢管混凝土单桩在地震作用下的桩身加速度、加速度放大系数、桩身位移最大值和桩身弯矩变化规律均同变截面普通混凝土单桩类似,但钢管使桩身加速度放大系数降低、桩基抵抗侧向变形能力和抗弯承载力提高.因此,钢管可以显著提升地震作用下桩基的抵抗变形能力和承载力.

液化场地大直径变截面单桩动力响应研究

为研究不同地震动强度下液化场地大直径变截面单桩的动力响应规律,基于振动台试验,选取5010波,在地震动强度0.10g~0.45g作用下,研究液化场地砂土孔压比和大直径变截面单桩桩顶水平位移、桩身弯矩、桩身加速度时程响应及桩基损伤等变化规律.试验结果表明:饱和砂土孔压比随着地震动强度的增大上升明显,地震动强度≥0.30g时,饱和砂土孔压比稳定值在0.9附近,此时砂土完全液化;在0.45g地震动强度作用下,桩身加速度、桩顶水平位移及桩身弯矩均达到最大;桩身不同位置处加速度峰值出现时刻均滞后于输入地震波加速度峰值出现时刻,且桩顶及变截面的加速度响应比桩端的响应更弱;不同地震动强度作用下,桩身弯矩最大值均出现在液化土层和非液化土层分界处,且变截面处弯矩小于土层分界面处;地震动强度达到0.30g时,大直径变截面单桩桩身发生损伤.因此,液化场地下大直径变截面桥梁单桩基础抗震设计时,应该重点考虑饱和砂土层分界处、变截面处的抗弯能力,以确保单桩桩身强度满足抗震要求.

礁坪上单桩在孤立波作用下的受力状况研究

文中介绍了孤立波冲击礁坪上单桩的三维水槽试验和OpenFOAM数值模拟研究。礁体模型坡度为1∶4,直径0.15 m的单桩布置在礁坪上。试验以水深的30%作为入射孤立波的波高,对沿程波面、特定位置处流速以及单桩上波浪冲击荷载进行了采集。选用realizable k-ε湍流模型进行RANS数值模拟,并与物理试验数据进行验证分析。基于试验数据和RANS模拟结果,研究了岛礁地形上孤立波传播的水动力特性及其对礁坪上单桩的作用力,并探讨了不同坡度和入射波高下孤立波对单桩作用力的影响。研究成果对于桩基础选址和防护有一定工程指导意义。

震陷场地变截面单桩动力特性与损伤评价

为探明震陷场地变截面单桩动力响应特性与损伤状况,以翔安大桥为工程背景,基于大型振动台试验,开展了0.10g~0.45g地震动强度下变截面单桩动力响应特性的研究,评价分析了变截面单桩损伤程度。结果表明:受桩周软弱土层震陷特性的影响,变截面单桩桩顶水平位移动力响应、桩身加速度动力响应及桩身弯矩动力响应均随地震动强度增大呈增大趋势,桩基基频逐渐减小;变截面单桩弯矩最大值出现在震陷土层分界处,地震动强度为0.30g时,超过了其抗弯承载力;地震动强度为0.20g时,变截面单桩桩顶水平位移、桩身加速度、桩身弯矩显著增大,桩基基频突降。基于系统损伤理论,震陷场地变截面单桩损伤状况分为稳定阶段、加剧损伤阶段、塑性破坏阶段共3个阶段。试验结束后,变截面位置处产生弯曲塑性破坏。

考虑桩-土相互作用的超大型单桩式海上风机结构地震响应

为了解决桩-土相互作用对超大型单桩式海上风机结构地震响应影响的问题,基于IEA 15 MW的固定式单桩海上风机原型,使用Abaqus建立考虑桩-土相互作用与泥面固定2种风机结构模型,桩-土相互作用通过一组非线性弹簧模拟。考虑风-波浪与地震联合作用,分析桩-土相互作用对超大型固定式单桩海上风机结构动力响应的影响。结果表明:针对超大型海上风机,桩-土相互作用效应使风机支撑结构的特征频率降低3%~6%;考虑桩-土相互作用的大兆瓦风机动力响应远大于泥面固定风机模型的动力响应;海上风机尺寸越大,桩-土相互作用引起的海上风机结构动力响应偏差越显著。

基于数值模拟的风化层单桩承载特性研究

为了探究风化层中桩基承载特性,采用数值模拟技术建立了桩-土离散单元模型,对单桩的承载特性以及桩周土的细观力学行为进行了分析。结果表明单桩与周围土体之间存在复杂的相互作用,利用数值仿真计算可以得到桩周土的位移场和应力分布特征;在荷载增加过程中,土体发生剪胀效应和应力集中,导致单桩承载性能衰减;单桩的承载性能随桩径增大而明显提高;桩周土的压缩系数在沉降值超过6 mm时发生突变,计算结果对于预测土体变形特性具有一定的指导意义。数值模拟结果为风化层中桩基的承载性能分析提供了理论支持。

青藏高原多年冻土区单桩受斜坡地基土原位冻胀影响下的力学特性研究

在青藏高原多年冻土区铁路建设中,由于高原山区地形地貌复杂,建设在斜坡中的桩基础不在少数,地基土经历冻融过程以后桩基常常发生倾斜,严重影响铁路运行安全。为揭示在地基冻胀影响下多年冻土区斜坡单桩的倾斜机理,基于传热学与弹性力学,建立桩体体系热力耦合计算模型并进行室内试验验证计算模型的合理性,考虑地基土原位冻胀、水分相变、大气变暖等因素,进行地基土冻胀影响下斜坡桩基力学特性模拟分析。研究表明:斜坡桩体在地基土冻胀过程受到不均匀水平冻胀力、产生水平位移以及桩体弯矩,且水平位移随着地基斜坡坡度增大而增大;因不均匀水平冻胀引起的桩体应力占总应力的46.3%,对桩体安全性以及工程寿命产生较大影响。进行受到斜坡地基土冻胀影响下单桩力学特性分析,揭示在地基冻胀影响下多年冻土区斜坡单桩的倾斜机理,对多年冻土区斜坡桩基设计及运营有一定的参考价值。

海上风电大直径单桩基础施工技术研究

大直径单桩基础在全球海上风电场中的使用占比超过75%,是最常采用的基础形式。为了解决在复杂地质条件及海况下进行大直径单桩基础施工的难题,对单桩基础施工技术进行了深入研究,主要包含风机基础单桩沉桩、基础冲刷防护和集成式附属构件的安装,重点讨论了施工技术中的难点以及对应的解决方案,可为今后相关的施工作业及研究提供参考。

基于界面本构模型的砂土中单桩荷载−沉降响应预测方法

基于界面本构模型提出了一种新的砂土中单桩荷载沉降响应的预测方法。首先,从土−结构界面本构模型出发推导了严格的桩−土界面非线性荷载传递模型,该模型承继了界面本构模型特征,能够模拟桩−土界面上发生的应变硬化/软化、剪胀与应力路径依赖性等行为。此外,采用双曲线荷载传递模型模拟桩端−土相互作用的非线性应力−位移关系。上述荷载传递模型所需参数可以通过室内界面剪切试验和土工试验进行校准。继而,基于荷载传递法,提出了单桩荷载沉降响应分析的一维计算模型,并采用迭代算法进行数值求解。最后,将理论解答与已报道的模型试验、自主开展的模型桩试验以及数值模拟结果进行比较,以验证所提出的理论方法的正确性。试验结果表明,预测值与实测值吻合较好,且该方法能够很好地预测非位移桩与位移桩的荷载沉降响应。提出了一个基于界面本构模型的单桩荷载沉降响应分析框架,为竖向荷载下砂土中单桩优化设计提供了理论参考。

基于AFL的海上风电单桩基础冲刷动力响应研究

单桩式基础作为海上风电应用最为广泛的支撑型式,其周围普遍存在不同程度冲蚀。目前,海上风电基础冲刷后的结构动力响应研究较少考虑叶片、机舱、轮毂等细节特征,而是将上部结构简化为质点或静止状态,缺乏基础-结构-荷载一体化数值仿真方法,难以反映冲刷后风机结构振动规律。为此,依托菩提岛海上风电场,通过多波束扫测探明了单桩基础最大冲刷深度,基于AFL(等效嵌固长度)法考虑桩基柔性特征,计算不同冲刷深度下桩基等效嵌固长度,建立风、浪共同作用下风机仿真模型,揭示不同冲刷深度下单桩式海上风电动力响应规律。结果表明,现有桩基冲刷深度难以引起结构共振,且风机的整体振幅较小。塔架和桩基均在F-A(前后)向出现最大振幅,而S-S(侧)向和YAW(垂)向的位移幅值相对较小,故需要对F-A向振动进行重点监测。随着桩基局部冲刷深度增加,风机结构固有频率单调递减,当冲刷深度达到12 m,结构整体刚度不足,给出了海上风电单桩基础冲刷安全阈值。提出的单桩式海上风电动力响应分析方法可为工程中不同冲刷深度引起风机振动安全性评价提供依据。

基于Rayleigh分布扰动状态概念的单桩承载特性研究

基于扰动状态概念(Disturbed State Concept,DSC),结合Rayleigh分布从微观角度描述桩-土界面荷载渐进性传递特性,建立了基于DSC理论的桩侧及桩端荷载传递模型,给出了模型参数确定方法,并验证了模型的合理性.同时结合桩侧及桩端荷载传递模型,提出了一种分析单桩承载特性的迭代算法并验证其合理性.通过算法计算得到的单桩承载特性与案例实测值有较好的一致性,且可较好地反映侧阻及端阻硬化、软化等特性.变参数分析结果表明,基于DSC理论的桩侧及桩端荷载传递模型对不同土层、不同桩基施工工艺都有好的适用性,可较准确地描述桩-土界面荷载传递特性.

软基中多向受荷大直径单桩桩土相互作用试验研究

为了研究多向循环受荷大直径单桩的水平变形响应及桩土相互作用机理,开展多向受荷大直径单桩的1g大比尺模型试验,探讨不同竖向和水平循环荷载比下的桩侧受力及变形响应.试验结果表明,施加竖向循环荷载会增大桩身水平位移的发展速率;最大弯矩出现在2.0倍桩径深度处,随着循环次数的增大,桩身弯矩表现出减小的趋势;在循环荷载作用下,最大土抗力所在的位置随着循环次数的增大逐渐从1.5倍桩径深度处向2.0倍桩径深度处移动,循环土体抗力-桩身水平变形(p-y)曲线的退化主要发生在表层土体;施加竖向循环荷载会增大桩土界面的初始刚度,但同时也会加速桩土体系的刚度退化.建议在海上风电大直径单桩的设计中,特别注意竖向循环荷载对长期循环荷载作用下桩身位移及桩土相互作用的不利影响.

水泥土大直径单桩水平承载性能试验研究

为研究水泥土中大直径单桩的水平承载性能,开展了水泥土中大直径单桩水平承载性能离心机试验,分析了加固前后桩基水平承载力、弯矩和水平土抗力-水平位移(p-y)曲线的变化规律.基于黏土典型p-y曲线,考虑土体径向非均质性和桩径效应,修正初始地基反力模量和极限土抗力,提出了一种适用于水泥土加固桩水平承载力的计算模型.结果表明,相比未加固桩,加固桩的水平承载力明显提升,单桩初始刚度和极限承载力分别增加2.61倍和6.29倍.加固桩和未加固桩的桩身弯矩随荷载和深度变化趋势大致相同,但加固桩的最大弯矩位于泥面附近.水泥土加固可以提高桩身p-y曲线的初始刚度和极限土抗力,进而提高桩基水平承载力.计算值与实测值吻合较好,从而验证了所提计算模型的合理性.

基于正交试验的盾构隧道下穿单桩影响因素敏感性分析

为探究盾构隧道下穿单桩时各影响因素的影响力大小,采用正交试验和数值模拟方法,并考虑桩顶荷载的作用,以桩顶沉降和桩顶水平位移为评价指标,探讨盾构下穿单桩的主要影响因素影响力大小,并对最主要影响因素进行进一步分析;考虑到单桩承载性状不同,分析了桩端到隧道拱顶净距变化时,盾构隧道正下穿摩擦型单桩和端承型单桩桩顶沉降的不同。结果表明:桩轴线到隧道轴线的水平距离为最主要影响因素;随着单桩与隧道水平距离的增加,桩顶沉降逐渐减小,而桩顶水平位移先增大后减小,在单桩与隧道间距达到2 D时桩顶水平位移达到最大值;当桩端与隧道拱顶净距小于3 m时,随着竖向净距的减小,端承型单桩比摩擦型单桩的桩顶沉降增量更加明显,且发生突变。

单桩式近海风机横向基频的微分变换法求解

精准求解海上风机(OWTs)系统基频是海上风机结构研究的关键性难点之一。基于Euler–Bernoulli梁和Timoshenko梁理论,考虑风机塔筒变截面特性,根据是否考虑桩-土相互作用,分别建立底部弹簧模型与底部固接模型,采用微分变换法计算风机变截面梁横向振动方程,利用MATLAB软件求解风机系统基频。通过与实测结果进行比对,验证本文方法的有效性和精确性,并分析计算项数、塔筒高度、锥度比、弹簧刚度对风机基频的影响。研究结果表明,当计算项数为10及以上时,利用微分变换法计算基频满足精度要求;风机基频对塔筒高度变化的敏感性强,当塔筒高度增加时,基频下降趋势显著;变截面梁锥度比降低使塔筒底部直径变大,进而导致风机基频有所提升;考虑弹簧地基系统的风机基频随任一弹簧刚度的增加而提升,其中耦合弹簧刚度对风机基频的影响程度最大。

大直径水平受荷单桩的抗力组分分析及其应用

现有海上风机单桩设计方法的改进主要从修正p-y曲线入手,较少涉及单桩抗力组分的研究。文章将大直径水平受荷单桩的桩-土相互作用分解为桩-土水平抗力p、侧壁摩阻力τz、基底水平摩阻力Fs、基底竖向抗力Fbot,建立含4类抗力弹簧的简化梁单元分析模型,通过三维有限元分析对工程试桩验算,提取各抗力弹簧的组分,明确大直径单桩的抗力组成和变化规律。结果表明,小长径比单桩的水平承载力主要由水平抗力(p-y抗力)控制,但侧壁摩阻力τz、基底水平摩阻力Fs不可忽略;大直径单桩变形模式由桩土相对刚度控制,长径比是影响单桩水平承载力组分变化的重要因素。在此基础上提出了p-y抗力组分曲线,并通过案例分析展示了修正单桩水平承载力的步骤和结果。

南宁盆地特殊地层静压随钻跟管桩适应性及单桩承载力特性研究

为了研究静压随钻跟管桩在南宁盆地特殊地层的适应性及单桩承载特性,对现场4根直径800mm的静压随钻跟管桩进行静载及低应变反射波法试验。研究结果表明:各地层中的试验桩承载力均能满足设计要求且均属于Ⅰ类桩,桩身回弹率较高,说明各试验桩仍具有较大的承载潜力;未进行破坏性试验时各地层中单桩承载力综合增强系数均大于1.00,以经验公式确定静压随钻跟管桩的单桩竖向承载力时应乘以相应的增强系数。基于以上研究,将静压随钻跟管桩工艺应用于实际工程,经验收检测表明,各项目受检基桩的桩身质量完好,承载力均满足设计要求,且仍具有一定的承载力富余量,良好的实际工程应用效果表明该工艺具有良好的适用性以及较高的推广使用价值。

基于单桩工况下旁孔透射波的传播路径研究及应用

旁孔透射波法是基于低应变反射波法和超声波透射法衍生出的一种基桩检测新技术。通过Ansys数值模拟软件建立轴对称模型,利用ANSYS/LS-DYNA计算得到桩—土系统纵轴截面的速度波场快照图,揭示了透射波在桩—土系统中的传播路径及旁孔不同深度处测点的时程曲线特征,直观的显示桩身的缺陷,利于提高测试结果的准确性和可靠性。

不同桩-土界面摩擦系数对水平荷载下大直径单桩变形特性影响研究

为研究不同桩-土界面摩擦系数对水平荷载下大直径单桩变形特性的影响,根据现场试验及室内循环剪切试验结果,采用Abaqus软件及可考虑软土软化效应的本构模型进行数值模拟。结果表明:提高桩-土界面摩擦系数可在一定程度上减少桩顶位移,其减少程度与桩土相对位移呈正相关。桩-土界面摩擦系数变化区间为0.1~0.5,在水平静载作用下,桩-土界面摩擦系数对桩顶位移的影响随荷载的增大而增大,随桩径的增大而减小。水平循环荷载作用下,桩-土界面摩擦系数对桩顶位移及桩周土体软化程度的影响随荷载峰值、荷载频率、循环次数的增大而增大,桩顶位移减小值最大可达25.85%,桩周土体软化程度最大可达17%。

软土地基处理中PHC管桩桩身及单桩承载力试验研究

为研究软土地基PHC管桩处理效果,结合某泵站工程,通过第三方检测公司对施工单位使用PHC管桩处理后的地基进行抽验。采用低应变反射波法进行PHC管桩桩长、桩身完整性检测,并进行复合地基单桩竖向抗压承载力试验研究,从而判断PHC管桩处理后泵站软土地基中的承载力大小是否满足要求。经第三方抽检,检测结果合格,单桩完整性及复合地检测结果可以直接为本次泵站设计施工及竣工验收提供技术方法和数据借鉴。