带扩大桩靴桩基施工挤土效应解析研究

提出新型带扩大桩靴预应力管桩基础.不同于均匀截面管桩的施工挤土效应,由于桩靴尺寸大于预制管桩桩身,桩端扩张不宜视作理想球体而更接近于扁球体(旋转椭球体).基于扁球体扩张源对新型带扩大桩靴桩基施工挤土位移场进行解析求解,基于圆孔扩张理论考虑桩周土塑性区域的体积变形,对扁球体扩张应变路径法计算结果进行修正.通过提出的解析解,研究带扩大桩靴桩基施工挤土效应.结果表明,桩周场地可以根据位移场分布规律,大致分为近地表、近桩端以及桩身附近3个区域.扩张源形态越“扁”,桩身附近区域水平“排开”效应略有增强,近地表区域地面“隆起”位移及近桩端区域竖向位移显著减小,这对于挤土桩施工而言是非常有益的.

临近既有河道的隧道掘进引起的地表沉降

传统的隧道施工诱发地面沉降问题的研究通常假定地面为水平,目前针对大直径盾构或顶管隧道工程在既有河道附近的复杂边界条件下掘进所引起的地面沉降的研究不足.以杭州某泥水平衡掘进顶管法隧道工程实例为背景,基于影像源法,考虑土体非均匀收敛,采用叠加原理给出临近既有河道条件下隧道施工引起地表沉降的解析解,并与工程实测数据进行对比.参数分析表明,隧道与河道间的水平距离越小,地表沉降槽的非对称性越显著,由隧道掘进引起的地表沉降越大;与无河道情况相比,沉降槽峰值的增幅最大可超过30%,从环境保护和施工安全的角度出发,在实际工程中隧道施工时应尽量远离河道;随着隧道埋深的增大,由隧道掘进引起的地表沉降越小,而当隧道拱腰深度大于邻近既有河道深度时,靠近河道附近的地表沉降明显大于无河道情况下的,此时更应重视既有河道的影响.

带扩大桩靴桩侧同步灌浆桩成桩过程试验研究

针对新型带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩基础的施工成桩过程,开展透明土模型的试验研究.相较于传统预制桩,新桩型成桩完成后,端部扩大桩靴结构及桩周固化后的水泥浆液可以明显提升基桩端阻力和侧摩阻力,使得该新桩型具有较高的抗拔能力.通过透明土材料Laponite RD模拟软黏土施工环境,分别针对常规预制桩、带扩大桩靴预制桩及带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩开展对比模型试验,采用粒子图像测速(PIV)技术进行成桩施工过程的可视化后处理,以探明该新桩型的成桩过程机理,为新桩型的进一步推广应用提供理论支撑.研究结果表明,新桩型施工挤土位移场的分布形式不同于常规预制桩,呈涡旋状,挤土位移的影响范围小于桩靴同直径的预制桩. X、Y方向的位移云图显示,扩大桩靴结构和同步灌浆施工技术使得桩周土体表面及内部施工扰动的影响范围更小,这对于挤土型桩基施工而言是十分有益的.

缺陷桩-梁系统的动力特性应用研究

提出了缺陷桩-梁系统的理论模型。桩周土采用了三维连续介质模型,桩身则采用Rayleigh-love杆件,以考虑大直径桩的横向惯性效应。为了模拟桩身的缺陷段,采用了不同于正常桩身半径的桩段。通过结合阻抗函数递推法、虚土环法(ring soil pile theory,简称RSPT)和修正的阻抗函数递推法(amended impedance function transfer method,简称AIFTM),得到了桩-土系统的桩顶阻抗。桩顶梁采用了Timoshenko杆件进行模拟,同时在桩-梁连接处施加瞬态激振。成功求得了桩-梁系统动力响应在频域内的解析解,并利用离散傅里叶变换获得了时域内的半解析解。为了验证模型的合理性,将获得的半解析解与试验数据和有限元法结果进行了对比。研究结果显示,桩-梁系统较为适合的激振拾取点通常为桩梁连接处,同时需要综合考虑桩梁参数的影响。最后,通过参数分析方法探讨了在桩-梁系统上使用低应变测试的注意事项。

有限长桩受迫振动问题解析解及其应用

本文首先求出桩长有限、桩端为弹性支承时，考虑桩侧土作用，桩顶受稳态正弦激振条件下，基桩纵向振动问题的解析解；其次利用迭加原理求得了瞬态半正弦激振条件下的解析解；然后对所得解进行了研究分析，得到了许多重要结论。最后，将瞬态激振条件下得到的理论曲线与反射波法测得的实际曲线进行了拟合对比，结果表明两者吻合很好。

静钻根植竹节桩纵向振动特性及应用研究

针对"静钻根植竹节桩"这一新桩型的特点,建立考虑桩周土径向和竖向非均质的桩体纵向振动定解问题.采用阻抗函数递推方法,结合拉氏变换对定解问题进行求解,得到桩顶阻抗函数.利用卷积定理和傅里叶逆变换,求得任意激振力作用下桩顶速度响应的半解析解.通过比较低频范围内桩顶复刚度响应曲线和时域内桩顶速度响应曲线,分析竹节长度和竹节半径、桩周扩底高度和扩底半径、浆液配比及桩周水泥土硬化的时效性和搅拌均匀性等因素对桩顶动力响应的影响,揭示这一新桩型的动力特性.将理论计算曲线与现场实测曲线进行拟合对比.结果表明:理论计算曲线与现场实测曲线较为吻合,采用所建立的模型能够较好地反映静钻根植竹节桩的实际动力特性.

考虑土体真三维波动效应时桩的振动理论及对近似理论的校核

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体径向和竖向位移,对完整端承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,将土体动力平衡方程解耦并求解,得到土层的振动模态形式和阻抗因子;然后利用该解以小应变条件下桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到桩的频域响应解析解,进而得到土层局部复刚度和桩顶复刚度。从土层阻抗因子、土层局部复刚度和桩顶复刚度3方面,将所得解与平面应变解和其他忽略土体径向位移的简化解在主要影响参数变化情况下进行比较,研究表明,不同解在硬土、细长桩并处于低频时有较大差别,随激振频率的提高,它们将趋于一致。

变截面阻抗桩受迫振动问题解析解及应用

本文通过对基桩缺陷进行概化处理,利用δ-函数建立了桩长有限、桩端为弹性支承时,考虑桩侧土作用,桩顶受纵向激振条件下,非完整桩(截面声阻抗发生突变状态下,有两个突变界面)受迫振动的定解问题,然后求得了稳态正弦及瞬态半正弦激振条件下的解析解,并对所得解进行了研究分析.最后,将瞬态激振条件下得到的理论曲线与反射波法测得的现场实测曲线进行了拟合对比.

基于复刚度传递多圈层平面应变模型的桩动力响应研究

在考虑土体非线性情况下,对桩动力特性进行研究。首先,假设土体为黏弹性体,把土体沿径向分为多个圈层考虑土体的非线性,利用平面应变土体模型,结合边界条件对各圈层土体从外至内通过复刚度传递,求得土体与桩接触面上的复刚度,进而推导得到单桩桩顶受纵向激振力作用下的桩振动方程的频域表达式,随后求解得到桩顶的阻抗函数和频率响应函数;然后,利用卷积定理和Fourier逆变换得到桩顶的时域响应;最后,分别对多工况条件下桩顶动力响应进行比较分析,得到由于施工效应影响所导致的桩周土参数变化对桩顶频域和时域响应的影响情况,为采用桩基础的各类工程的抗震设计和桩的完整性检测工作提供新的理论依据。

自由振动时带承台单桩的纵向动力特性

基于广义Voigt模型,在考虑桩身材料阻尼情况下,研究带承台单桩的竖向自由振动问题.根据阻抗传递法推出桩顶阻抗,将所求得的桩顶阻抗作为支承刚度代入承台的自由振动微分方程中,运用Laplace变换及逆变换推导得到承台自由振动位移在时域范围内的半解析解.采用参数研究方法,分析桩径、桩长、桩身材料阻尼以及不同性质的桩侧土层对带明置承台单桩自由振动特性的影响;将所得解与工程实测曲线进行对比,结果表明:得到的理论计算结果与工程实测数据较接近,理论方法能够反映工程实际.

层状地基中考虑桩端应力扩散的单桩沉降计算

针对现行单桩沉降计算方法没有考虑桩端应力扩散效应的问题,基于虚土桩模型,提出一种考虑桩端应力扩散效应时层状地基中的单桩沉降计算方法.在土层处于弹性状态下,桩侧土采用双折线模型,桩端土采用虚土桩模型并考虑应力扩散效应,利用荷载传递法,推导出层状地基中考虑桩端应力扩散效应时的单桩沉降计算公式.进一步讨论了该方法中弹性极限位移、弹性抗剪切刚度系数、桩端土厚度和应力扩散角等参数对单桩沉降的影响.结合工程实测数据,对比了该方法计算的荷载-沉降曲线、由规范方法得到的荷载-沉降曲线和实测曲线,结果表明:考虑桩端应力扩散效应时单桩沉降计算方法计算得到的桩顶沉降值与实测值较为吻合,实际工程应用优于规范法.

三维轴对称条件下基于虚土桩法的单桩纵向振动分析

虚土桩法是一种处理桩底支撑的新方法,该方法将桩体正下方投影到基岩的土体简化为虚土桩,求解时将其看作桩体。以桩轴心线为Z轴,建立轴对称坐标体系,通过虚土桩与土体的边界条件,求解得到虚土桩桩顶的复刚度。将该复刚度作为实体桩桩底的支撑刚度,结合实体桩与土体的边界条件,利用复阻抗传递法得到单桩桩顶的复刚度和速度响应函数。通过数值计算,分析了桩底土体的虚土桩长度、剪切波速及泊松比等参数对单桩动力响应的影响;对比了虚土桩法与其他不同桩底支承的异同,进一步评价了虚土桩法的优越性和合理性;结果表明,虚土桩法可以模拟弹(黏)性支撑和固定支撑,是一种较为严格的计算模型,具有进一步研究的价值。

考虑上浮效应的顶管施工引起下方盾构隧道响应简化分析方法

新建顶管上穿施工会引起下方既有盾构隧道纵向隆起位移,影响地铁的正常运行。大直径顶管在注浆充足或在地下水位以下顶进时上浮效应不可忽略,而目前的简化分析方法尚未考虑此效应。采用两阶段法,将既有隧道视为Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁,提出考虑上浮影响的土体非均匀收敛模式下,新建顶管上穿施工引起下方既有隧道响应的简化计算方法。研究表明,均匀土体收敛模式、下沉的非均匀土体收敛模式会低估顶管下方的土体自由位移、既有隧道的纵向位移响应,与工程实测数据的对比验证了所提方法的合理性。进一步参数分析表明,降低土体损失率能有效减少既有隧道竖向位移与弯矩,且土体损失率与既有隧道最大竖向位移和最大弯矩呈线性关系;既有隧道与土体的管土刚度比的增大可减小既有隧道竖向位移,但也会增大隧道管片弯矩;增大顶管与既有隧道竖向净距有利于既有隧道竖向位移与弯矩的控制,实际工程应根据既有隧道的保护要求和顶管的上覆土厚度要求选择合理的净距。

双面半透水边界的一维粘弹性固结理论

研究了考虑土的流变特性时具有双面半透水边界的饱和粘土层的一维固结问题，并求出了相应的解析解。根据解析解的结果，通过电算程序，作出了几个主要影响因素对固结过程的影响曲线图。研究表明，粘土层顶面和底面的透水性能对固结过程均有着较大的影响，而流变特性主要影响固结的中后期。

桩底沉渣对桩的纵向振动特性影响研究及应用

在桩底有限土层采用虚土桩模型情况下,对桩底沉渣对非均质土中桩的动力特性的影响进行了研究。首先,将桩端正下方土体模拟为与桩端完全接触的虚土桩模型;然后,对桩侧土采用多圈层平面应变模型,并考虑其径向非均匀性,利用剪切复刚度传递的方法,递推得到了桩侧土作用在桩身的剪切复刚度,结合得到的剪切复刚度,利用阻抗函数递推方法,递推得到虚土桩顶部纵向振动复刚度,将其作为实际桩底的支撑刚度,求解桩顶频域和时域动力响应函数表达式;分析了桩底沉渣特性对桩的纵向振动特性的影响,得到了桩底沉渣对桩基纵向振动响应影响的规律性。最后,利用本文解对工程桩低应变反射波法实测曲线进行了反演拟合分析。

考虑应力扩散时桩端土性对单桩沉降影响分析方法

基于虚土桩模型,分析了层状地基中桩端土性对单桩沉降特性的影响。首先,以虚土桩扩散角反映桩端土层应力扩散效应,将桩端一定锥角范围内由桩端至基岩面的土体视为虚土桩,并根据其变截面特性,将虚土桩沿纵向划分为有限个微元段。然后,对桩及虚土桩桩侧土体采用理想弹塑性荷载传递模型,利用荷载传递法,推导了层状地基中以桩侧土塑性发展深度为变量的单桩荷载-沉降递推计算方法,并进一步得到了桩身轴力及桩侧摩阻力递推计算式。在此基础上,给出了荷载传递模型参数选取方法,并分析了虚土桩临界深度的影响因素及由实测荷载-沉降曲线反演虚土桩扩散角的可行性。最后,利用该方法分析了桩端沉渣和软弱下卧层对荷载-沉降曲线的影响。结果表明,考虑桩端土层应力扩散效应时,通过计算得到的桩顶及桩端荷载-沉降曲线与实测曲线吻合较好;当桩端存在沉渣或软弱下卧层时,采用虚土桩模型的单桩沉降计算方法可以在一定程度上反映沉渣特性及软弱下卧层埋深等因素对桩顶荷载-沉降曲线的影响。

基于极限平衡理论的楔形桩承载力计算方法

首先根据楔形桩的受力特性,提出了楔形桩单桩破坏模式,然后从极限平衡理论出发,利用库仑土压力的推导思路,推导得到了该破坏模式下的楔形桩承载力计算方法;将数值分析的结果与自编的单桩承载力计算程序计算得到的结果进行对比分析,验证了该方法的合理性。结果表明:其他参数不变时,在一定范围内增大楔形桩的锥角,可显著提高楔形桩的极限承载力;当外摩擦角较大时,粗糙的桩侧面也可以提高楔形桩的承载力;楔形桩尺寸也是影响单桩承载力的重要参数;该方法在工程实际中有着较强的适用性。

一种包含库仑和朗肯理论的土压力计算方法

基于库仑理论的平面滑裂面假设,考虑滑裂面上填土黏聚力及填土与挡土墙墙背接触面上的黏着力,推导出了黏性土或无黏性土的土压力关于破裂面倾角的计算表达式,并在经典朗肯和库仑土压力条件下,将公式退化对比,表明此方法涵盖了经典朗肯和库仑土压力理论.运用计算机程序绘制了土压力关于滑裂面倾角的函数图,可以容易地确定土压力的极限值,并求得相应的滑裂面倾角.通过算例比较各类土压力方法的计算结果,表明本文方法应用范围广,精度可靠,易于在工程中推广应用.

嵌岩桩沉渣特性对桩顶动力响应的影响

基于虚土桩模型,运用Laplace积分变换和阻抗函数递推方法研究了纵向任意激振力作用下沉渣特性对成层土中嵌岩桩桩顶动力响应的影响.将桩端沉渣模拟为虚土桩,对桩侧土采用平面应变模型,并考虑其成层特性,结合初始条件和桩顶及沉渣底部的边界条件,求得在桩顶任意激振力作用下,考虑沉渣影响的桩顶频域响应解析解及时域响应半解析解.基于理论解,分析了沉渣特性对桩顶动力响应的影响,并将理论计算结果与工程桩低应变反射波法实测曲线进行了拟合对比,结果表明,基于虚土桩模型的理论解能较好地反演出沉渣特性对桩顶动力响应的影响.

挡土墙后曲面滑裂面下黏性土主动土压力计算

为了研究挡土墙后土体滑裂面的形状并计算土压力,建立了挡土墙后黏性填土滑动楔体达到极限平衡状态时的静力平衡方程.采用变分学方法求解滑裂面曲线方程和主动土压力的计算公式,得到土体滑裂面曲线为一对数螺旋线.将主动土压力计算值与库仑主动土压力、工程实测值分析对比.结果表明,计算所得的主动土压力值比广义库仑理论的计算值大5.37%,且与工程实测值较为接近.最后分析了挡土墙及墙后填土各参数对曲面滑裂面下的主动土压力值的影响,可知填土的黏聚力和内摩擦角是影响土压力值的关键参数.