上砂下黏地层中桩-筒复合基础V-H承载特性

海上风机基础不仅受自重等竖向力V作用,也因水流、波浪和风等影响而承受水平荷载H。为探讨上砂下黏地层中一种由单桩和吸力筒组成的新型海上风机桩-筒复合基础受V-H组合作用时的承载特性,自主设计完成了一系列室内桩-筒复合基础V-H组合加载模型试验,获得不同组合参数下桩-筒复合基础的荷载-位移曲线和桩身弯矩分布曲线,并绘制出V-H承载力包络线。在此基础上,采用ABAQUS建立了上砂下黏地层中桩-筒复合基础三维数值分析模型,经模型验证与参数分析,进一步讨论了砂土厚度、筒径、筒高以及加载高度等参数对桩-筒复合基础承载特性的影响曲线,并拟合出桩-筒复合基础承载力简化计算公式,分析结果表明:桩-筒复合基础能显著提高桩身水平承载力,增幅达30%~90%,且增加筒径比增加筒高更有利于提高基础水平承载力;上部砂土层较厚时,桩-筒复合基础存在一个使复合基础水平承载力达到最大的预加竖向荷载最佳值,其值随不同载荷工况在(0.4~0.7)Vult范围内变化。

非饱和土地基中端承桩对SH波的水平地震响应

为探讨非饱和土地基中SH波作用下端承桩的水平地震响应,先基于一维波动理论得出SH波引起的土层自由场水平振动解,然后考虑非饱和土体动剪切模量随其饱和度的变化特性,采用三维连续介质力学和Euler梁模型建立轴向静荷载下非饱和土-端承桩水平耦合振动模型,进而通过引入势函数和分离变量法推导出桩顶水平位移相互作用因子、桩顶水平位移放大因子和桩身曲率比的表达式,经与已有成果对比验证后再经参数分析,获得土体饱和度、桩身长径比和土体黏滞阻尼对桩身水平抗震特性的影响规律:土体饱和度和桩身长径比仅在高频范围对相互作用因子和放大因子有显著影响;土体黏滞阻尼仅在共振频率使得相互作用因子和放大因子分别逐渐增大和减小。

局部冲刷下砂土中桩-盘复合基础H-T联合承载特性

海上风机基础工作时既承受复杂组合荷载作用,也受波流冲刷影响。单桩-摩擦盘复合基础同时结合了单桩与重力式基础的特点,摩擦盘还可起防冲板作用。为探讨砂土地基中H-T联合作用时局部冲刷对这种复合基础承载特性的影响,首先基于室内水槽试验装置,完成了一系列模型载荷试验;获得了冲刷前后桩-盘复合基础的荷载-位移曲线,经无量纲化处理与曲线拟合,获得H-T联合受荷桩-盘复合基础的承载包络线及其简化计算公式。然后,采用有限元细化分析了主要冲刷参数(冲刷深度、冲刷宽度、冲刷角度)及加载点高度对复合基础承载特性的影响,结果表明:冲刷坑的存在使复合基础的横向及扭转抗力明显降低,削弱程度分别可达25%及45%;进一步分析表明,桩身弯矩值随加载点高度的增加而显著增大,随预加扭矩的增加呈下降趋势;局部冲刷会明显削弱复合基础的承载力,同时H-T联合作用时相应的承载力包络线向内发生不同程度的收缩;其中,冲刷深度的影响最大,对横向抗力与扭转抗力的削弱程度分别可达约35%及60%,冲刷角度次之,冲刷宽度的影响最小;此外,不同加载路径下桩-盘复合基础承载力包络线呈现一定程度的差异。

局部冲刷下砂土中桩-盘复合基础V-H组合承载特性

海上风电基础除承受复杂组合荷载作用外,也受波流冲刷作用.为探讨局部冲刷对砂土地基中V-H联合加载下单桩-摩擦盘复合基础承载特性的影响,基于自行设计的室内水槽试验装置,完成了一系列冲刷及模型载荷试验,获得了复合基础冲刷前后的荷载-位移曲线,经无量纲化处理与曲线拟合,得到复合基础承载包络线及其简化计算公式.计算结果表明:局部冲刷作用使复合基础的竖向及横向抗力明显降低,削弱程度分别约12.1%和26.9%.进一步分析表明:存在一个最优预加竖向荷载(V),其对复合基础的极限横向承载力起到最显著的增强效果;此外,局部冲刷作用导致V-H联合受荷单桩-摩擦盘复合基础的承载包络线明显向内收缩,所提出的简化计算公式可供工程应用参考.

基于响应面回归模型的纤维混凝土力学性能分析

为研究玄武岩纤维和纤维素纤维掺量对混杂纤维轻骨料高强混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响,构建响应面回归模型,对比分析其力学试验实测值和预测值,并结合渴求函数获得混凝土优化配合比.结果表明:此回归模型有效且可信度高,可用于分析试验结果;两种纤维交互作用、水灰比与纤维素纤维交互作用对抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度影响显著;模型预测最优水灰比为0.30,纤维素纤维掺量为0.90 kg/m3,玄武岩纤维掺量为4.00 kg/m3,强度预测值与试验值间相对误差绝对值均小于5%,该回归模型可为混杂纤维轻骨料高强混凝土的配合比多目标优化提供参考.

基桩动力稳定性模型试验研究

为探讨动力荷载作用下基桩的动力稳定性,在大型地槽中以均匀细砂模拟桩周土,分别构造不同桩径、桩身埋置率及边界条件的基桩.通过协调加载系统在桩顶施加不同幅值与频率的简谐振动荷载,利用埋设的传感器采集桩身及桩周土的应力应变等动力响应,经对比分析获得桩径、埋置率、荷载频率与大小等参数对桩顶位移的动力影响规律,并验证了基桩的参数共振现象.研究发现:频率观测值小于理论计算值,可用取值为0.5～0.8的系数k予以调整,且动荷载幅值越大、桩周土越深,k的取值就越偏小.

复杂地基反力模式下高承台嵌岩灌注桩的屈曲稳定分析

为探讨桩侧地基土反力对高承台嵌岩灌注桩桩身屈曲稳定的影响,假定地基反力系数呈更为复杂的幂分布,基于弹性地基梁理论建立桩土体系总势能方程,采用最小势能原理,导出了桩身屈曲临界荷载与稳定计算长度的解析解,并据此获得了地基反力系数分布模式、桩身自重及桩侧摩阻力等对桩身屈曲稳定的影响规律。工程应用分析结果表明,考虑地基反力系数为一般幂分布时,桩身屈曲分析结果更趋合理。

非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

基于平衡原理和剪切位移法,考虑桩周非均质地基土剪切模量在地面处为非零值（已有方法多假定为零）且随深度呈指数和幂函数两种分布模式,以及桩-土接触面上的位移非协调性,建立出纯受扭桩桩身与桩周土的扭转控制方程,进而导出桩周土分别处于弹性、弹塑性及塑性受力状态下的桩身扭矩~扭转角解析解。由此进行的参数分析结果表明：随土体剪切模量指数分布函数中非线性系数m值的减小和地面处桩土剪切模量比μ值的增大,桩顶扭矩的传递深度、桩顶及桩身的扭转角均表现为增大的特性;幂函数分布模式中地面处剪切模量非零因子αg的取值将影响桩身扭矩的传递效率,并导致扭矩分布呈现凹、凸两种不同形状。此外,桩身扭矩的传递存在一临界深度,当桩身长径比L/D≥50时,桩顶扭矩的破坏值与弹塑性临界值之比ζ趋于稳定。

成层地基中单桩受扭弹塑性分析

为了探讨成层地基中单桩的受扭性状，基于桩侧土双折线模型，以塑性区开展深度为变量，推导了桩侧土分别处于弹性和塑性状态时桩顶的扭矩扭转角曲线和桩身扭矩、扭转角分布曲线的递推计算方法，并编制出相应的计算程序，由此对比分析了单层与双层地基中桩身的受扭性能.最后，结合工程算例进行了应用，并完成了参数分析.结果表明：考虑桩侧土分别处于弹性和塑性状态所得结果更符合工程实际；桩顶扭矩T一定时，桩顶扭转角φ随桩身材料剪切模量G p和半径r0的增加而减小；r0对T-φ曲线影响显著，同等条件下r0提高一倍，桩顶抗扭承载力提高4~6倍；可对桩周上部土层进行处理来提高桩身抗扭性能，其有效处理厚度为桩长的0.2倍.

成层地基中倾斜受荷群桩的非线性有限元分析

针对轴、横向荷载共同作用或倾斜荷载作用下群桩基础受力问题的复杂性,引入无厚度型接触面单元和“无拉力”分析方法,采用非线性有限元法对倾斜受荷群桩的受力变形特性进行探讨,开发考虑材料非线性、桩-土-承台共同工作机理、桩周地基土体的分层性及不同桩顶荷载形式等因素的计算程序,并由此讨论初始应力场及桩顶荷载大小、倾角变化对桩身内弯矩与轴力分布的影响曲线。研究结果表明:刚性承台顶的荷载不变而倾角增大时,中桩桩顶的弯矩逐渐增加,边桩的弯矩则逐渐减小;当荷载倾角不变而荷载增加时,承台下各基桩的弯矩变化规律则随荷载倾角的不同而变化。

岩质边坡生态防护现场试验研究

为探讨岩质边坡生态防护工程的生态防护机理、植物与边坡的力学效应及植物根系加固边坡作用机理,在分析岩质边坡生态防护影响因素的基础上,结合某公路一岩质边坡设计并完成该边坡的生态防护现场试验,给出岩质边坡生态防护的关键施工工艺与试验方案,研究不同草种在采用菱形铁丝网固土方式下的生态防护工作特性,获得植物对边坡降雨截留、径流延滞、土壤防渗、土层固结等效应的规律曲线,有助于进一步掌握岩质边坡生态防护的抗冲刷机理,并指导工程设计与施工。

近海复杂环境下的H-M-T受荷桩内力位移分析

为探讨近海复杂恶劣环境(台风超强风力、车辆冲击力或地震产生的复杂力等)下水平力H、弯矩M及扭矩T共同作用时的基桩桩身内力变形特性,基于传统有限杆单元法思想,获得了H-M-T受荷桩的基本单元刚度矩阵。然后,基于m法考虑桩周地基土的侧向约束作用,并计入H-M-T耦合效应,采用凝聚方法导得了具有简洁统一形式的桩身杆单元刚度矩阵,由此建立水平力、弯矩和扭矩组合作用下的桩身内力位移有限杆单元法计算模型,进而采用MATLAB编制出相应的分析计算程序。最后,结合近海工程算例进行了分析。结果表明:1文中提出的改进有限杆单元法能考虑桩周地基土的分层特性、不同边界条件及H-M-T的耦合效应;2相比单一考虑水平受荷,扭矩的存在加大了桩身的位移和内力;3H-M-T复杂受荷模式下,荷载传递存在有效传递深度,当相对深度z/L超过0.5后,桩身弯矩和剪力趋近于零,而扭矩显著减小。

双层非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

为探讨双层非均质地基中单桩的受扭承载特性,基于单层土体剪切模量呈幂函数分布的假定,考虑桩–土接触面上极限摩阻力随深度非线性变化,建立出桩顶扭矩作用下的桩身扭转控制方程,进而导得桩顶及桩身的扭矩（T）与扭转角（Φ）等解答,并将其退化为单层非均质及双层均质地基后与已有成果进行了对比验证。同时,桩顶T–Φ曲线参数分析结果表明：增加桩体剪切模量G_p有利于控制桩顶扭转角;桩径r0增加一倍,相同扭转角下桩顶能承受的扭矩值增大4～6倍;随地面处土体剪切模量μ_1和模量分布函数中非线性系数α_1,α_2的增加,桩身受扭性能得到显著改善。此外,桩顶扭转影响因子I_Φ的对比分析表明：桩身在ζL〈0.2和ζL〉5.0时分别表现为刚性桩和柔性桩,且后者传至桩底的扭矩极小而可忽略;当ζL〉5且上下土层顶部剪切模量比μ_1/μ_2〉1时,0.2倍桩长（L）范围内的上部土层对桩身受扭性能影响较大;当ζL〉10且μ_1/μ_2〈1时,桩身受扭能力主要源自0.4L的表层土。

变荷载下考虑三维渗流的未打穿砂井地基固结分析

为探讨未打穿砂井地基的固结特性,基于三维固结理论和叠加原理,考虑变荷载条件,将砂井打设区和下卧层土体的固结均视为三维问题,分别导出了单级线性加载条件下砂井打设区和下卧层土体的固结度解析解,由此给出了地基整体的平均固结度计算式,并引入fzero函数基于Matlab编制了相应的计算程序。算例对比分析结果表明,受加载历时影响,砂井打设区和下卧层土体的固结度都较瞬时加载有所减小,且减幅随加载历时延长而增大。同时,将下卧层土体的固结视为三维要比一维更能合理考虑径向渗流,使得地基固结度计算值与模型试验推算值吻合较好。

水平力(H)-扭矩(T)组合受荷桩承载特性模型试验研究

为探讨单桩基础在桩顶水平力(H)-扭矩(T)组合作用下的承载特性,研制了H-T组合加载装置.通过室内砂箱模型对比试验,获得了8组H-T组合工况下的桩身内力变形与承载力结果.其表明:相比于单一水平受荷或受扭桩的极限承载力(Hu或Tu),两种荷载的不同大小组合与加载顺序(H→T或T→H)均会导致相应桩身承载力的减小,且H→T组合的影响要比T→H组合明显,如2Tu/3→T时桩身水平承载力减小约12.4%,而2 Hu/3→T组合下桩身扭转承载力减幅达48.5%,故工程设计时不宜基于叠加原理计算HT受荷桩的承载力.在此基础上,采用基于MATLAB编制的可考虑桩周土约束及H-T耦合效应的改进杆系有限元法计算程序求解了不同工况下的H-T组合受荷桩的桩顶扭转角及桩身扭矩与弯矩,并将计算结果与模型试验值进行了对比分析.

基于能量法的非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

为探讨非均质地基中单桩受扭的非线性特性,假定桩侧地表处地基土剪切模量为非零值（已有方法多假定为零）且随深度呈幂函数分布,引入虚土桩法建立出桩土体系的总能量方程后,基于最小势能原理由变分法分别导得桩身及土体的受扭控制方程,进而采用有限差分法获得桩身扭转角的差分方程式。然后,将桩周土体视为理想弹塑性材料,给出了塑性状态下的单桩受扭分析方法,并基于MATLAB编制了计算程序,再将计算结果与已有方法及实验结果进行了对比验证。最后,通过参数分析获得了桩体参数G_p和r_0以及土体参数α_g和n的取值对桩身扭转响应的影响规律：随桩体剪切模量G_p的增大,桩顶扭转角减小;桩径r_0增大一倍时,相同扭转角下桩顶能承受的扭矩增大5~7倍;α_g≤0.1L时,扭矩传递先慢后快,反之则表现为先快后慢;n≤1时,扭矩传递先快后慢,反之则表现为先慢后快,且桩身扭转响应主要集中于桩身上部。

双层非均质地基中V-T联合受荷桩承载特性分析

为探讨近海环境双层非均质地基中预制型单桩基础在桩顶竖向荷载V和扭矩T联合作用下的承载特性,假定单层地基土体剪切模量随深度呈幂函数分布,考虑桩–土接触面上极限摩阻力沿深度的非线性变化,并计入桩–土接触面上的位移非协调性,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立出桩身位移控制方程,由此导得不同加载顺序（V→T或T→V）和受力阶段下的桩身内力位移解答,进而获得桩身承载力包络图。通过与已有成果的对比分析,验证了模型与解答的合理性。最后,通过参数分析获得了桩身长径比（L/D）、加载顺序以及地基土剪切模量幂函数分布系数（m1,m2与n）等参数对桩身承载变形特性的影响规律：桩身承载力随L/D与n的增大而逐渐减小;V→T加载时m1的影响范围主要为z/L≤0.4,m2影响范围随Tt/Tult的增加而增大;T→V加载时m1基本无影响,而m2的影响范围为0.6≤z/L≤1.0;桩顶可承受的竖向力随扭矩增加不断减小而趋于零,且V→T加载时的承载力包络线始终处于T→V承载力包络线外侧。

基于室内模型试验的砂井复合地基作用机理

为探讨砂井复合地基的作用机理,设计并完成了一组室内砂井复合地基模型对比性试验,获得荷载分配、位移变化与应力分布等有益数据。在此基础上,基于散体材料桩复合地基计算理论,分析了砂井复合地基的承载机理与变形特性,得到砂井复合地基的荷载-沉降曲线、井顶应力分担比随荷载的变化曲线。研究结果表明:砂井可显著改善软土地基的承载能力与沉降特性,但存在"群桩效应",即井数越多时,载荷试验得到的复合地基承载力降低,沉降加大,故工程中应慎选井距,且当以单桩复合地基载荷试验评价复合地基承载力时需考虑适当折减。

未打穿砂井复合地基承载机理模型试验研究

为探讨未打穿砂井复合地基处治软土时的承载机理与固结特性,基于相似理论设计并完成了未加固软土地基、单桩、三桩及七桩砂井复合地基模型载荷对比性试验,获得了地基的荷载-沉降曲线,以及单桩、三桩及七桩砂井复合地基中桩顶应力分担比及孔隙水压力随荷载的变化曲线。结果表明:砂井复合地基可显著改善软土地基的承载能力与沉降特性,其中单桩复合地基提高承载力可达到60%,且相比之下沉降最小,但存在"群桩效应",如三桩和七桩砂井复合地基承载力分别约为单桩砂井复合地基承载力的73%和58%,故工程中应慎选井距。

中密砂土地基中H-T组合作用下单桩承载特性研究

为探讨中密砂土地基中桩顶水平力(H)与扭矩(T)组合作用单桩的承载特性,研制了适合于室内砂箱模型试验的H-T组合加载装置,并通过对比试验获得不同H-T大小组合与加载顺序(H→T或T→H)下的桩身内力变形与承载力,及其对桩身承载特性的相互影响曲线,结果表明:相比单一受荷时的水平或扭转极限承载力(H_u或T_u),H-T组合作用会导致桩身承载力减小,且H→T要比T→H的影响要明显,如先施加2/3T_u时桩身水平承载力减小约12.4%,而先施加2/3H_u后的桩身扭转承载力减幅达48.5%,故不能简单基于叠加原理评估组合受荷时的承载力。在此基础上,引入能反映水平力对桩身扭转承载力影响的桩侧扭转土抗力放大因子α_(TH),基于杆系有限元和m法建立了考虑桩周土约束及H-T耦合效应的桩身单元综合刚度矩阵,进而用MATLAB编制了H-T组合受荷桩的改进杆系有限元法计算程序,并将其结果与模型试验值进行对比分析。