砂土中埋设管线竖直向上运动时土抗力研究

埋设的海底管线在高温、高压下较易发生竖直向屈曲大变形,保证足够的埋置深度是海洋工程中克服管线出现竖直向屈曲变形的有效手段之一。因此,研究土体能够提供给管线的抗力及在管线竖直向上拱起过程中土体抗力的变化规律,对管线的抗屈曲大变形设计具有重要的意义。结合渤海湾海底地表土质特点选取细砂进行了室内管-土相互作用试验,测量了不同直径、不同埋置率(上覆土厚与管线直径的比)的试验管段,在竖直向上运动过程中所受到的土抗力;采用数值方法有效地模拟了试验中管段的受力变化过程。进而将结果推广,得到了砂土中常用直径管线受到的土抗力大小及作用规律。试验及数值模拟结果表明,管线竖直向上运动时,土抗力的发挥随竖向位移增加而迅速增大达到峰值,峰值抗力所需要的位移随管径与埋置率的增加而增大;实际工程中峰值抗力对应的管线位移约为管径的0.1倍,计算结果可供管线设计时参考。

顶管工程工作井位移与土抗力分析

为保证顶管工程的施工安全和经济设计,必须深入分析顶力作用下工作井及周围土体的应力、位移特性。以两个实际顶管工程为工程背景,针对工作井的浅埋、深埋圆形沉井,采用三维有限元分析,给出了浅埋沉井土抗力沿圆周分布的拟合方程。分别采用《规程》[1]和《手册》[2]推荐的计算方法和三维有限元分析,对顶力作用下深埋、浅埋工作井的位移和新增土抗力进行对比分析,结果表明:①由于只考虑了顶力后背一侧半圆范围内土体抗力的作用,规范法和手册法将导致土抗力计算结果偏大;②顶力作用位置对深埋沉井的井壁变位、土抗力大小和分布情况影响显著;③规范法和手册法仅适用于顶力作用于沉井底部的浅埋沉井。

考虑实际分布形式的水平受荷桩桩周土抗力分析方法

p-y曲线法被广泛应用于水平受荷桩荷载位移响应的分析中,但该方法无法准确地反映出桩周土抗力的实际分布形式。鉴于此,该文考虑了桩-土实际相互作用,假定随着径向位移的增加,桩的被动侧径向土压力呈双曲线形式增大,主动侧径向土压力呈线性减小,从而建立了桩周径向土压力与径向位移的关系;在此基础上,对摩阻力的初始刚度进行修正,引入双曲线荷载传递模型求解了桩周环向摩阻力;最后提出了考虑实际分布形式的桩周土抗力分析方法,并通过2个算例验证了正确性。通过参数分析表明:径向土压力和环向摩阻力对土抗力的贡献程度与水平位移有关;极限状态下,传统的桩侧环向摩阻力水平分量不均匀分布的形状系数偏大,该文给出了建议的取值;对径向土压力水平分量和环向摩阻力水平分量进行归一化分析,得到了拟合曲线公式,可为后续分析提供参考。

裸置海底管道侧向往复运动土抗力试验研究

在高温高压作用下,侧向屈曲是铺设在海床上的海底管道结构失效的主要形式之一,管道在侧向屈曲过程中受到的侧向土抗力是控制管道侧向屈曲幅值的关键因素。针对管道在侧向屈曲过程中受到的侧向土抗力,实施了一系列管道在大位移往复运动过程中的管道土壤相互作用模型试验,研究了不同管道直径和不同初始沉陷深度对侧向土抗力的影响。试验结果表明,侧向土抗力与管道直径、初始沉陷深度有关;侧向土抗力随土壤隆起高度增加呈几何增长;管道在往复运动位移幅值处的侧向土抗力显著增强。

考虑土抗力方向的p–y曲线法研究

当桩顶受到不在同一平面内的水平力—弯矩组合荷载时,桩身变形复杂,多采用三维有限元法进行分析,不方便实用。为此,文章提出了一种三维情况下土抗力弹簧可在水平面内旋转的p–y曲线法,并建立了相应的数学规划模型进行求解。根据最小势能原理,以广义势能方程为目标函数,将p–y曲线积分计算土弹簧做功,同时以桩身变形协调条件作为数学模型的约束条件,构成了一个非线性规划模型。模型假设桩身每个节点5自由度,并考虑了p–△效应。通过3个算例对该数学规划模型进行了验证,结果表明该模型整体假设条件合理,方法可行。文章同时对桩身双向不均匀弯曲下的土弹簧在水平面内旋转的情况进行分析,认为模型可有效反映出桩身在三维空间内的位移和力的协调。

基坑支护结构的非线性土抗力分析法

考虑基坑开挖过程中土体和支护墙的非线性相互作用特性 ,提出了一种合理模拟基坑施工过程的支护结构内力和变形分析的土抗力法。该方法在地基土抗力和土压力的模拟上优于现行的弹性地基梁法 。

桩侧土抗力的群桩效率

考虑桩侧土体的应力松弛和土抗力重叠效应，提出了桩侧土抗力群桩效率的计算式。该式考虑了土质的影响，适应性强。计算结果接近于试验实测值。

环境温度作用下半整体桥台后土抗力试验

研究目的:半整体式桥台无伸缩缝桥(简称半整体桥)是一种新型桥梁结构形式。由于主梁与桥台刚接,在昼夜及季节性环境温度等长期作用下,主梁会使桥台沿纵桥向发生往复变位,进而引起台后土体的压力变化,产生土抗力。为研究半整体桥的台后土抗力分布规律以及中长期环境温度对土抗力的影响,开展中长期环境温度作用下半整体桥台-土相互作用拟静力试验研究。研究结论:(1)台后土抗力随环境温度变化的规律为在第1~6中周期(约对应由春季至夏季的第一个升温区间段)内快速上升,在第6~16中周期(约对应由夏季至冬季的降温区间段)内有所减小,在第16~20中周期(约对应由冬季至春季的第二个升温区间段)又开始增加,但相比于第一个升温区间段内的增速明显减缓;(2)中长期环境温度作用下台后土抗力沿埋深方向的分布规律为先增加后减小,并在埋深0.8h处达到最大;(3)各周期内土抗力沿纵桥向的规律为在距桥台较近的区域,台后土抗力快速减小;在距桥台较远的区域,土抗力缓慢减小,并在距台背1.0h位置处土抗力基本减小至0;(4)经过一个全年大周期的环境温度作用后,台后土抗力存在明显累积增大效应,其累积效应与土体的纵桥向位置及竖向深度具有较强的相关性;(5)本研究结果可为半整体桥的设计计算以及相关规范制定提供参考。

海上风电单桩基础周围非均质土体横向土抗力分布特性研究

采用有限元软件ABAQUS建立了非均质土中海上风电单桩基础数值计算模型,将波浪、洋流、风荷载等效为双向对称循环荷载,分析了同一循环过程中不同埋深处和相同埋深处不同循环过程中桩身内外壁土抗力沿桩环向的变化规律。研究表明:随着循环次数的增加,在淤泥土和粉砂土层分界面处,桩身内壁土抗力沿桩环向呈先增加后减小交替分布;桩身外壁被动土压力减小,而主动土压力增大;泥面处桩身外壁被动土压力变化程度较大,随着埋深的增加,主动土压力变化程度较大;桩身内壁主要承担荷载的位置由两侧转向中部。

顶管工程中矩形沉井土抗力计算方法探讨

顶管施工中,顶管工作井后背的稳定与变形控制是顶管工作的重要关键之一。分析了矩形沉井工作井的受力性状,对矩形沉井后背土抗力分布形式进行了探讨,提出了呈梯形分布的后背竖向土抗力分布形式,并根据沉井的整体受力平衡求得沉井工作井允许的最大土抗力和顶力计算公式。通过算例,采用水土合算得到的允许顶力与实测最大顶力非常接近,符合实际情况。

侧向土抗力对海洋工程桩压屈稳定性分析

采油平台、外海开敞码头等海洋工程基桩较普通基桩相比,由于其桩身自由长度较长,受环境影响严重,需对其进行屈曲稳定性分析。然而,在以往的研究中,通常只分析基桩自身稳定性,不考虑侧向土抗力的作用,对侧向土抗力的研究也较少,使得计算结果往往偏于保守,不利于正确分析基桩屈曲稳定性。文章运用力学理论,采用Rize能量法,首先推导出了考虑桩侧土抗力的直桩轴压屈曲荷载计算公式,其次就公式与Euler理论不同进行了分析比较,最后就不同情况下侧向土抗力对桩基稳定性提高的影响程度进行了讨论。

考虑不同岩土抗力的加锚双排桩受力变形计算

针对已有加锚双排桩计算模型对桩后滑裂面以下岩土层抗力处理的不足,考虑桩锚协同并将剪切滑裂角折减确定了滑裂面位置。然后将作用在前后排桩滑裂面以下的岩土抗力参数进行分段计算,最后采用分段坐标法推导建立了前后桩桩体挠度微分方程,并与成都音乐厅基坑现场监测数据进行了对比。结果表明:该模型计算结果与实测结果较为吻合,特别是对后排桩的受力分析使后排桩桩身位移曲线更贴合实测结果;剪切滑裂面位置对桩体变形影响较大,当剪切滑裂角按1.29的折减系数计算时桩身位移更贴近实测数据。

输电铁塔基础基柱考虑土抗力时内力的计算分析

基柱内力的计算分析是输电铁塔下部基础设计一个重要的环节。基于刚性桩和弹性桩不同的受力和变形特征,本文简要阐述了水平受荷桩的计算理论,分别探讨了上述两类桩内力的计算分析方法,并重点对刚性基柱考虑土抗力时内力的计算公式进行了重新推导,发现规范中给出的相应计算表达式存在一定的不合理,从而得到更正的计算公式,这一公式目前已应用于架空输电线路基础设计技术导则中。

斜坡地基桩前土抗力的应变楔模型修正

针对斜坡地基桥梁基桩承载特性,引入斜坡地基水平极限承载力模型及平地应变楔模型,提出适用于斜坡地基桩前土抗力计算分析的桩前土楔模型,包括上部土楔及下部修正应变楔2部分。根据不同的土体强度发挥程度,提出桩前土楔的3个发展阶段。讨论下部修正应变楔与平地地基应变楔的区别,并基于静力平衡方程,推导上部土楔提供的土抗力随深度变化的计算公式。研究结果表明:桩前土楔模型地基土抗力计算结果与模型试验及工程实例的数值模拟结果均较吻合,可用于合理预测斜坡地基桩前土抗力;当桩顶水平荷载增大时,应变楔深度增大,应变楔层数也不断增加;内摩擦角发挥值不断增大,近似呈非线性增大,增大速度逐渐变慢。

横向荷载作用下桩侧极限土抗力的上、下限分析

比较和分析了几种典型的P-Y曲线后发现,桩侧土体在横向荷载达到或接近极限土抗力后会发生塑性流动或软化。因此,极限土抗力的合理取值将影响桩侧土体的稳定性分析。将横向荷载下桩土相互作用的三维解问题简化为二维解处理,并运用土体塑性极限分析理论,采用摩尔-库仑屈服准则和相关联的流动法则,构造机动许可的应变率场和静力许可的应力场,推导出横向荷载作用下适用于粘性土的桩侧极限土抗力的上、下限解。利用南海某平台场址的工程地质钻探资料,计算了横向荷载作用下桩侧极限土抗力的真正极限荷载(Pu),并与由典型的P-Y曲线计算的Pu值作了比较。计算结果表明:在不排水抗剪强度较大的土层,由极限分析上、下限解计算的Pu值与由Reese硬粘土P-Y曲线、Matlock软粘土P-Y曲线和Sullivan统一法P-Y曲线计算的Pu值相差较大;在不排水抗剪强度较小土层,由极限分析的上、下限解计算的Pu值和由其它几种典型的P-Y曲线计算的Pu值吻合较好。极限分析上、下限解受深度影响,深度对桩侧极限土抗力的影响是随其增加而逐渐增大的。验证结果表明,计算的极限土抗力上、下限解的合理性较好,这对高层建筑、核电站、近海采油平台、海岸码头等建筑工程的桩基础设计具有重要的工程意义。

顶管工作井后背土抗力计算方法研究综述

顶管工作井在顶管施工中起到关键作用,它需要承受顶管向前顶进的全部水平顶力。不同的工作井后背土抗力分布形态的认识会产生不同的设计与分析结果。对目前顶管工作井后背土抗力的研究现状作了较全面的阐述,总结了沉井、地下连续墙和SMW工法等不同工法的工作井在不同形状时井后背的土抗力分布特点及计算方法,将计算方法归纳为经验方法、理论方法和数值分析方法,指出了各种算法的特点及不足之处。认为需要开展现场监测、缩尺寸模型试验以及SMW工法工作井后背土抗力的研究工作,该研究将产生较大的经济效益。

桥涵顶进施工后背土抗力分析

为深入分析顶进过程中后背受力变形特征及后背土体的应力、位移特性,针对某钢筋混凝土重力式后背,分别采用朗肯被动土压力理论和三维有限元分析,对顶力作用下后背的位移和土抗力进行对比分析;对影响后背结构的受力变形各因素进行了分析。结果表明:顶力合力作用点与后背土体抗力一致时,后背表现为整体移动;后背土抗力理论值较数值计算值偏大;后背原状土的弹模和强度指标对后背在最大顶进荷载下的变形影响较大。

基坑中软土的水平抗力系数几种确定方法探讨

该文围绕基坑中软土的的水平抗力系数的确定方法开展了探讨,分析了基坑规程中土的水平反力系数的比例系数m值的来源,分析了水平抗力系数确定的理论,罗列了现行规范中软土的水平抗力系数的经验值,最后通过案例分析,将3种土的水平抗力系数的计算方法(m值、k值和c值)的计算结果与实测进行了比较,发现按目前基坑规程公式计算的软土的水平反力系数的比例系数m值偏小的现象。

一种地基土水平抗力系数的比例系数m的计算方法

m值法是我国用于计算桩基水平承载力最广泛的方法,m值的取值直接影响桩侧土抗力的准确性,不同性质的土的m值的取值范围存在很大差别,m值的确定方法具有重要的工程应用价值。提出一种通过模型试验实测数据反算地基土m值的方法。基于扩底桩的横向加载模型试验,以云南省典型红黏土做为试验用地基土,先假定一个m值,计算桩在地面处的水平位移,将该值与室内模型试验实测的水平位移进行比较,若两者数值相差较大,则重新假定m值进行计算,直至计算出的位置值与实测值之间的误差在可接受范围之内,则所取的m值即为该级荷载下所对应的地基反力比例系数。结果表明,该方法可以获得较准确的地基土m值。

横向荷载下桩侧浅层土体的极限抗力上限分析

基于塑性极限分析中的上限定理,利用对数螺线夹层破坏机制推导出了考虑水平地震作用受横向荷载下的桩侧浅层土体的水平极限抗力公式,最后根据序列二次规划算法对问题进行优化求解。数值计算结果表明,所提出模型的计算结果与Matlock法和Sullivn法非常接近,证明了所提方法的合理性;水平地震系数对桩侧土体极限抗力有较大的影响。该方法可为桩侧浅层土体极限抗力的设计研究提供参考。