考虑土塞效应的开口管桩沉桩与承载全过程离散元分析

开口管桩贯入过程中会产生复杂的土塞效应,显著影响管桩的沉桩过程与承载特性。考虑到试验方法成本高、周期长、且难以直观反映土塞与管桩的相互作用特性,基于离散元方法开展砂土地基中静压开口管桩沉桩与承载全过程模拟分析。基于室内试验数据对离散元模型参数进行标定,并采用周期性单元复制法生成均质且应力沿深度线性分布的地基模型。基于土体变形特征,揭示管桩中土塞的主动拱与被动拱分布特征。进一步地,结合土塞参数的演化规律,得出土塞增长率(IFR)对土塞状态变化更为敏感,且土塞阻力的发挥趋势与IFR值变化趋势有较高的相似性。基于管桩静载试验模拟,得出静载下开口管桩呈完全闭塞状态,土塞的荷载-位移响应呈弹塑性,并最终建立考虑CPT锥尖阻力、土塞效应、管桩尺寸的静压开口管桩桩端阻力经验计算公式。本文研究成果揭示了土塞的形成演化过程与承载机制,对于考虑土塞效应的开口管桩沉桩阻力预测与承载力计算具有一定参考价值。

开口管桩循环打入过程及竖向承载特性大比尺模型试验研究

深入认识桩打入过程的桩-土作用机制对准确计算打入桩的竖向承载力十分重要。为探究砂土中开口管桩在循环打入时桩-土作用机制及打桩结束后的竖向承载特性,开展了直径为0.273 m的开口钢管桩静压循环打入过程的大比例尺(1:10)模型试验,砂土的相对密实度约为40%,通过采用光纤光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)应变传感器和薄膜压力传感器等先进监测手段,研究循环打桩过程中土塞高度、桩身应变、轴力和侧摩阻力以及桩-土界面应力变化规律。打桩结束后,进行了休止时间分别为10d和30d竖向受压静载试验。随后,将基于静力触探试验CPT的ICP-05法和UWA-05法预测桩竖向承载力与静载试验测量的承载力进行对比分析。结果表明:开口管桩在静压循环打入过程中土塞效应逐渐增强,贯入结束后土塞呈部分闭塞状态;随着贯入深度的增加,靠近桩尖的应变会出现“反点”,即由贯入最后阶段的压应变转为静止稳定阶段的拉应变,而桩尖处的应变在两个阶段均为拉应变;桩身径向应力在桩尖处最大,随着h/R(h为传感器距桩尖的高度,R为桩半径)的增加而逐渐减小,具有明显的h/R效应;休止时间为10 d和30 d的极限承载力分别为289 kN和323 kN,承载力提高约12%,桩承载力具有明显的时间效应;采用ICP-05法和UWA-05法预测桩尖附近的侧摩阻力被低估,而桩尖以上侧摩阻力与实测值吻合较好,ICP-05法和UWA-05法预测桩基承载力偏保守,UWA-05法更接近实测值。

竖向循环荷载作用下粉土地基开口管桩承载力特性模型试验研究

竖向循环荷载作用下管桩承载力特性的演化规律对交通基础设施的正常使用具有重要意义。研制了新型双壁开口管桩,该新型桩基的特点是可以单独监测管桩内外侧的受力。利用双壁管桩开展了循环荷载作用下粉土地基中开口管桩承载力特性的模型试验,探究了竖向循环荷载的幅值和频率对开口管桩位移、沉降和管桩内外壁轴力的变化规律。得到如下结论:循环荷载加载初期,管桩产生明显的累积沉降,随着循环次数的增加沉降逐渐趋于稳定;当桩顶荷载幅值由10%极限承载力增大一倍时,开口管桩的累积沉降增大约65%;随着加载频率增加,开口管桩的累积沉降呈线性增长;土塞的约束会导致管桩内壁产生轴力,且随着循环次数增加管桩内壁轴力逐渐增大,但内壁轴力的大小仅为外壁轴力的23%。

砂土中开口管桩沉桩过程的颗粒流模拟研究

基于颗粒流理论,采用PFC2D程序,模拟再现不同型号开口管桩在沉桩过程中土塞的形成演化规律、土颗粒细观结构变化以及桩周土应力场分布情况,并通过分析土体细观变化模式揭示沉桩过程中宏观力学响应的内在机制。计算结果表明,管桩直径对土塞效应影响很大,外径为30 mm的开口管桩,沉桩过程中土塞增量填充率(IFR)值较小,土塞效应明显,土塞高度小,类似闭口桩;随着管桩直径的增大,土塞效应迅速减小,大直径管桩在砂土中沉桩全部闭塞的可能性很小。细观因素(孔隙率和滑动比例)与土体宏观位移表现之间存在着明显的相互对应关系,并依此将桩周土划分3个区域。桩周土体水平应力、竖向应力和剪应力都在桩底附近形成"应力核",不同型号管桩桩周土应力场分布相近。

静压开口管桩沉桩过程模型试验及数值模拟

利用侧面透明的模型箱和铝管半模桩模拟开口管桩在砂土中的沉桩过程。利用高分辨率数码摄录设备观察土塞形成的3个阶段,分析土塞形成的力学机制。在模型试验基础上,通过二次开发颗粒流程序PFC2D对沉桩全过程进行离散元数值模拟。结果表明,PFC2D能够模拟开口管桩从开始刺入砂土到形成土塞并最终呈现闭口管桩性态的整个过程;通过定性研究开口管桩在沉桩过程中土塞的形成演化规律、桩土接触面、土颗粒细观组构变化以及砂土颗粒运动规律等,从细观尺度出发探讨开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞的形成机制。

开口管桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟

利用侧面透明的模型箱和铝管半模桩模拟了开口管桩在砂土中的沉桩过程.分别测量了不同桩径和不同相对密实度开口管桩完全闭塞时的土塞高度.结果表明桩径越大,相对密实度越小,则土塞高度越大.利用高分辨率数码摄像设备观察到了土塞形成的三个阶段,重点分析了土塞内几个特征砂颗粒的移动轨迹和压桩过程中孔隙率和接触数的变化,从细观尺度出发探讨开口管桩沉桩过程中砂土的变形机制和土塞形成机理.利用Geodip软件分析了桩土接触面处的砂粒长轴定向和平均配位数,分析表明,土塞形成过程中颗粒原先的结构被打破以及发生了剧烈旋转,颗粒重新进行分布.在模型试验基础上,通过二次开发PFC2D颗粒流程序对沉桩全过程进行离散元仿真模拟.数值模拟结果表明,PFC2D能够模拟开口管桩从开始刺入砂土到形成土塞并最终呈现闭口管桩性态的整个过程.

考虑土塞效应时开口管桩的挤土效应分析

为了研究开口管桩贯入过程中土塞效应和挤土效应的相互作用问题,基于弹塑性力学基本原理,考虑开口管桩土塞的增长特征,得出了柱形孔扩张过程中桩周土体的应力场及位移场解析表达式.以土塞增长率(IFR)在开口管桩贯入过程中的变化为依据,提出了土塞增长的理想化模型,推导了土塞模型的解析表达式,分析了考虑土塞效应时开口管桩挤土效应的特征.利用模型试验获得桩周土体的径向位移,并与理论计算结果进行对比.结果表明,位移的计算值与实测值具有相同的变化趋势.

开口管桩竖向承载力时间效应研究

时间效应是指管桩沉桩后承载力随休止时间的提高。统计分析发现单桩承载力每时间对数的增长范围为15%～29%。桩基承载力的增长源于桩侧土的固结、触变恢复、老化以及蠕变和土壳效应,基于此提出管桩承载力时间效应3阶段理论模型,并建立基于固结理论的开口管桩承载力时效解析计算模型。计算表明,摩擦型开口管桩承载力随时间的相对增长速度随土塞率近似呈线性增长;完全非闭塞的摩擦型开口管桩承载力的相对增长速度高出闭口桩约10%。

开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析

任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变问题,适用于开口管桩高频振动贯入过程的计算分析。采用ALE有限元方法,建立开口管桩高频振动贯入过程的数值模型,对沉桩过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明:挤土应力主要沿径向传播,且深层土体受到的挤土应力比浅层土体大;水平挤土位移随管桩贯入深度的增加而增大,而最大水平挤土位移与管桩贯入深度存在累积效应;挤土效应的影响范围约为10倍管径,因此在施工过程中要给以足够重视;桩外侧摩阻力随贯入深度增加呈近似线性增长,桩内侧摩阻力随贯入深度增加而呈非线性增长,增长速率随贯入深度增加而逐渐增大;管内土塞处于不完全闭塞状态,土塞程度由完全非闭塞向部分闭塞过渡。此外,研究了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。

开口管桩极限承载力的分析与简化计算

由于"土塞"的存在,开口管桩的承载机理比闭口管桩更加复杂。为了确定开口管桩极限承载力,本文根据前人所作的工作,简化了管桩承载力计算中的若干参数,并结合莫尔-库仑定律,提出了一种能够在粘土中计算开口管桩极限承载力的简便方法。同时在实例中,通过与其他承载力计算方法相比较,验证了本文方法的有效性,从而能够更方便地应用于工程实践。

单向循环荷载作用下开口管桩动力响应数值模拟

海上风力发电机的基础承受着结构自重及风、波浪、水流等多种循环荷载,而风力发电机组运行对基础的承载力和变形有严格要求.针对近海风机开口管桩单桩基础,通过PFC2D数值模拟研究了水平单向循环荷载对单桩基础受力变形的影响.结果表明:水平单向循环荷载作用下,桩顶累积位移随着循环荷载谷值与峰值的比值ζc的增大前期增加速率较快,而后期较慢,但并未改变桩体转动中心的位置,约为0.85倍的桩体埋深;ζc值越大,桩基初期卸载刚度越大,但稳定后卸载刚度的终值相近,约为6.70 kN/mm;随ζc值的增大,桩顶主动区局部土体扰动程度增大,但影响范围大致相同,严重扰动区为2~3倍桩径;桩侧摩阻力降低幅度随ζc值增加而增大,且前期侧摩阻力降低速率增加,后期侧摩阻力均趋于稳定状态.

开口管桩承载力计算方法及桩基模型研究

比较了《港口工程桩基规范》以及API RP 2A WSD规范中对于开口管桩单桩承载力两种计算方法各自的优缺点,利用有限元软件ANSYS对目前普遍采用的传统模型和基于荷载传递法的双曲线模型分别建立三维桩基有限元模型进行计算和比较,分析表明后者更加准确合理、适用性更广泛。

考虑土塞效应的开口管桩承载力CPTU计算方法

为了完善考虑土塞效应的开口管桩承载力计算方法,采用孔压静力触探(CPTU)技术与静载试验对崇启大桥北岸接线工程中的预应力高强度混凝土开口管桩(PHC)场地进行了现场测试.基于CPTU测试数据,结合锥尖阻力与桩端阻力的相关性关系,提出了一种开口管桩承载力的CPTU计算新方法.结果表明:当沉桩深度小于15 m时,土塞增长率随桩深增加呈线性下降的趋势.下卧层为硬土层,当沉桩深度由20 m增加到25 m时,土塞增长率从0逐渐增长到10%.管壁环面端阻计算值与CPTU测试结果的比值稳定为0.68.基于所提方法计算的管桩承载力与静载试验结果平均误差仅为4.5%,远低于国内其他规范法的计算结果,计算精度较高,值得在桩基工程中推广使用.

双壁静压开口管桩贯入及承载特性试验研究

为了更进一步研究黏性土地基上静压桩贯入及承载特性,通过在桩身安装光纤光栅(FBG)以及在桩顶安装温度自补偿传感器,对双壁开口模型管桩的沉桩和单桩承载特性进行研究。结果表明:压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力随着贯入深度的增加而增大,且桩端阻力为沉桩过程的主要阻力,沉桩结束时占比为66.7%。相比于外管,内管桩侧摩阻力和桩身轴力均较小。荷载-位移曲线为陡降型,最大沉降为47.72 mm,极限荷载为6.3 kN,是沉桩终压力的2.48倍。试桩内管桩身轴力在土塞高度范围内以及外管桩身轴力在桩长范围内随着桩身埋深逐渐减小。内管桩侧摩阻力仅在土塞高度的范围内随着深度逐渐增加;外管桩侧摩阻力在荷载小于7.0 kN时,随着深度呈先增大后减小的趋势,当桩顶荷载达到7.0 kN时,随着深度逐渐增大。在各级荷载作用下桩端阻力占桩顶荷载的比例为53.6%~65.1%,表现出了较好的端承桩性状。研究结果对双壁开口管桩内外管贯入及承载特性的研究具有重要的意义。

考虑内摩擦角影响的开口管桩极限承载力理论分析

针对桩内土塞的存在导致开口管桩极限承载力力计算的困难,在别列赞策夫理论的基础上,将开口管桩的桩壁和桩内土塞分别按刚、柔基础对待,考虑持力层土内摩擦角对桩壁和土塞的影响,推导出了持力层为砂土的开口管桩单桩极限承载力公式。选取12组算例对该承载力公式进行计算,结果表明:当持力层土的内摩擦角越大、桩长越长、桩内径越小时,土塞端阻应力和桩壁端阻应力的差值就越大;当持力层土内摩擦角大于30°时,用该表达式计算出的开口管桩极限承载力值比用JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》方法计算值大很多,说明用该规范计算的承载力还有很大的安全储备。

基于透明土技术的开口管桩施工模拟

开口管桩因为土塞效应的存在,其施工力学机理比实心桩要复杂。传统的测量方法无法测得整个桩周土体的位移场以及土塞的具体情况。利用透明土技术,模拟不同桩径,壁厚的开口管桩的沉桩过程,得到管桩外侧土体的全部位移场,并观测到土塞高度的变化、土塞中土颗粒的位移向量场和土塞土颗粒位移中性面。通过对实验结果的分析,可以得到以下结论:不同截面尺寸的管桩施工引起的土体变形区域的横向范围与管桩内径与壁厚的比值(r/w)成反比,且每施工2倍管桩外径R深度,横向影响范围扩大67%;当外径相等时,r/w值相差150%时,土塞高度相差186%;土塞效应和桩径无关,和r/w有关;当壁厚保持一定的同时,土塞高度变化量约为管桩内外径比(R/r)的改变量的2倍;土塞达到完全闭塞状态时还会发生桩端土体的剪切破坏,从而管桩内腔涌入新土形成新的土塞。

预应力混凝土开口管桩的极限承载力分析

预应力混凝土开口管桩在沉桩过程中存在土塞作用,因此其受力机理比闭口管桩更加复杂。根据现行规范中的经验公式以及修正公式计算单桩极限承载力时,开口管桩的计算值常常低于或高于载荷试验的结果。根据西安一高层建筑预应力开口管桩的设计和桩基检测结果,对单桩极限承载力计算公式的取值进行分析,阐述了"土塞效应"对单桩竖向极限承载力的影响,对计算公式中的侧阻力及端阻力进行修正,所得到的承载力计算值与试桩结果较为吻合。通过研究,建立了基于土塞效应下根据土的物理指标与承载力参数计算管桩承载力的修正公式。

层状地基静压开口管桩的挤土效应研究

采用室内模型试验及PFC 2D离散元软件模拟了静压开口管桩沉桩过程,对桩周土体的挤土效应进行宏观、细观分析。通过模型试验,对在均质硬层和上硬下软两种地基中静压开口管桩过程中产生的位移场进行对比分析,获得了桩周不同位置土体的三种位移变化区域,分别为以斜向上位移为主的浅表层区域,以径向位移为主的桩侧区域和以斜向下位移为主的桩端侧向土体区域,揭示了桩周不同位置处土体位移在水平和深度方向的变化规律,特别是在软硬土层分界面处,土体在水平方向位移值达到最大,且沿深度方向的运动趋势更加明显。以模型试验为基础,建立了静压开口管桩沉桩颗粒流模型,进行数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,分析表明两者较为吻合。通过特征点位移路径分析了土体细观变化模式:均质硬层土颗粒运动轨迹呈现出“J”状,上硬下软双层地基土颗粒运动轨迹近似为“><”形。

预应力开口管桩的极限承载力取值问题的探讨

根据一高层建筑预应力开口管桩的设计和桩基检测结果,对单桩极限承载力计算公式中的取值进行分析比较后,提出了预应力开口管桩单桩极限承载力的计算取值宜考虑“土塞”效应和建议桩端A_p可按全面积计算。

静压开口管桩沉桩挤土效应机理探讨

本文通过研究开口管桩的挤土机理和效应，分析了开口管桩的挤土效益对环境和工程的影响，提出了一些预防措施，使桩的挤土效益带来的危害得以减少。