砂土中能量桩单桩水平承载特性模型试验研究

为探究能量桩单桩水平承载特性,针对砂土中能量桩在水平荷载下的承载特性进行研究,基于模型试验,分析了水平荷载作用下能量桩在制冷和加热过程中的桩顶位移、桩前土压力以及桩身弯矩等的变化规律。研究结果表明:制冷会引起能量桩桩顶水平位移略微增大,增量为0.48%D(D为桩体直径),而加热会引起较大的桩顶水平位移,达到了2.38%D;制冷和加热在初始阶段会引起桩前土压力增大,初始增长阶段结束后,土压力变化较小,多为缓慢增长或基本不变。相较于初始土压力,制冷和加热结束时的土压力基本呈增长趋势,仅个别埋深处土压力减小。制冷过程中,埋深0%L~40%L(L为有效桩长)范围内的弯矩增大,埋深40%L~100%L位置处的弯矩变化较小;加热过程中,埋深0%L~60%L范围内的弯矩均有所增大,0%L~40%L位置处的弯矩增大最为明显。制冷和加热过程中均在20%L处产生了最大弯矩,最大弯矩的增加量分别为9.93%和10.32%。进一步基于圆孔扩张理论提出了弯矩计算的理论解,并与试验结果进行对比分析,理论计算值与实测值较为吻合。

不同溶洞处治措施对桩基承载特性的影响研究

为探究不同溶洞处治措施对岩溶发育区桩基承载特性的影响,通过有限元软件建立溶洞-桩-岩土体耦合作用模型,对比分析溶洞高度变化情况下,2种不同的溶洞处治措施(回填法和钢护筒跟进法)对桩基承载特性的影响。结果表明:随着溶洞高度增加,2种处治措施下桩基竖向承载力都呈降低趋势;溶洞高度小于10 m时,不同处治措施对桩基竖向承载力影响可忽略,溶洞高度大于10 m则需考虑处治措施对桩基竖向承载力的影响;在回填法处治的溶洞范围内,桩身轴力降幅较大,桩侧摩阻力增加显著,在钢护筒跟进法处治的溶洞中桩身轴力与桩侧摩阻力则基本不变;与钢护筒跟进法相比,回填法更有利于发挥桩侧摩阻力;溶洞高度增加时,2种处治措施下桩侧摩阻力比重均逐渐减小,桩端阻力比重逐渐增大,达到桩基极限承载力时,回填法处治后的溶洞较钢护筒跟进法桩端阻力占整体比例更小。

扩底桩竖向承载特性及群桩效应研究

为探明扩底群桩竖向承载特性,采用扩底桩筏结构,开展单桩(扩径比分别为1.5、2.0、2.5、3.0)和桩筏(扩径比为2)基础静载模型试验,分析其荷载传递规律,并建立桩间距为3.75、4.00、4.50、5.00倍桩直径时扩底桩筏基础有限元模型,研究桩间距对群桩效应影响。结果表明:扩底单桩和扩底桩筏结构荷载沉降曲线均为缓变型;扩底桩极限承载力随扩径比增大而逐渐增大,扩径比2.5~3.0时极限承载力增幅变缓,建议扩底桩扩径比取2.5~3.0;由于桩土共同沉降,桩间土压缩,桩土作用更充分,扩底桩筏基础中心桩侧摩阻力荷载分担比比扩底单桩增大了17.71%;群桩效应系数随桩间距增大而逐渐增大,桩间距为4.5~5.0倍桩直径时群桩效应系数增幅较小,群桩效应较弱,建议扩底桩筏基础桩间距取值不小于4.5倍桩直径。

欠压实斜坡桩竖向承载特性离心模型试验研究

现有的桩基理论与经验基本上是基于平坡条件下建立的,而工程中常见的欠压实斜坡桩的受力特性与平坡桩基存在着较大差异。基于斜坡桩的受力特点,开展了3组离心模型试验,研究了欠压实斜坡基桩在竖向荷载作用下的承载特性,获得了桩侧摩阻力、桩身轴力、桩体竖向位移的分布特征以及桩周土体的沉降规律,分析了边坡填筑压实度、坡比等因素对桩土非协调变形的影响。主要研究成果为:①欠压实斜坡基桩桩体受力主要包括桩侧正摩阻力、桩侧负摩阻力、桩端端阻力及边坡土体对桩体产生的下滑力等4部分。②桩周土体压实度对桩侧摩阻力沿深度分布及桩端阻力影响较大;斜坡坡度对桩侧摩阻力沿同截面桩身分布及侧阻力的峰值影响较大。③斜坡桩负摩阻力中性点约在0.5~0.6倍桩长埋深处,若按常规的承载桩基进行设计,桩体额外承受的负摩阻力和侧向荷载容易引起桩体破坏。

桩板式路基引扩孔灌浆后植入桩的承载特性

为了探明桩板路基结构中引扩孔灌浆后植入预制混凝土桩的承载特性和荷载传递机制,以G3W德阳-上饶高速公路合肥至枞阳段桩板路基桩基工程为依托,开展了2组不同扩孔条件下孔内灌入砂浆后植入预制桩的静载荷试验。考虑植入桩中内部芯桩、外围砂浆固结体与周围土三者的相互作用,基于界面剪切试验,揭示了芯桩-砂浆界面、砂浆-土界面剪切性能的非线性,并分别建立了砂浆-土界面双曲线剪切模型和芯桩混凝土-砂浆界面弹性-破坏剪切模型。在此基础上,构建了引扩孔灌浆后植入桩三维数值分析模型。现场载荷试验结果验证了数值模型的可靠性,并对引扩孔灌浆后植入桩的荷载传递机制和影响因素进行了数值分析。结果表明:引扩孔灌浆后植入桩桩端荷载约为桩顶总荷载的20%,整体表现为端承摩擦桩的承载特性;外围较高强度水泥砂浆可有效将芯桩荷载传递至周围土,能起到扩径增强的作用;试验工况下芯桩-包裹砂浆界面阻力沿桩长呈两端大、中间小的分布特点,而包裹砂浆-土界面阻力随深度呈逐渐增大变化趋势;外围砂浆厚度的增加有利于提升传统预制管桩承载性能,但其厚度不宜过大,厚径比宜为0.2~0.5,以充分发挥内芯预制桩承载特性和芯桩-砂浆的协同作用。

刚度差异桩组合桩网结构路基承载特性

刚度差异桩组合桩网结构路基因具有工后沉降小、经济效益好的优点而被广泛应用于铁道工程。与传统桩承结构路基相比,该结构桩土协同工作规律更为复杂,为研究其承载特性和土体沉降变化规律,通过室内模型试验和数值计算分析刚度差异桩组合桩网结构路基在静力荷载下的桩身应力、桩土应力比、格栅应力、桩侧摩阻力和土体沉降变化特点。结果表明:刚、柔性桩的承载力主要由侧摩阻力提供;刚性桩的桩土应力比随上部荷载增加呈先增长后稳定趋势,荷载在路基中沿中心桩体向边缘桩体传递,并沿路堤行车方向朝路堤横断面方向扩散;土工格栅和碎石加筋垫层共同工作,协调荷载进行再分配,均衡路基应力分布;路基中心排桩沿横断面方向的土体沉降近似呈盆状分布,刚性桩控制路基土体变形和沉降的性状明显优于柔性桩;选择性布置刚度较大长桩可减小路基沉降量。

粘土中吸力锚基础的抗扭承载特性研究

文章对粘土中的吸力锚基础承受水平与扭矩组合荷载、垂直与扭矩组合荷载的性能展开了研究。首先通过数值模拟试验,验证了有限元模型的合理性。基于有限元建立了长径比为1的吸力锚基础模型,研究了水平荷载、竖直荷载和扭矩荷载组合作用下的吸力锚基础承载特性。结果表明:在扭矩荷载的作用下,吸力锚基础的水平和竖直承载性能均显著降低,随着水平荷载作用点的下降,吸力锚抵抗扭矩荷载的能力呈现出先增大后减小的趋势;在水平-竖直-扭矩荷载三者组合作用的情况下,随着扭矩荷载的增大,吸力锚极限承载力的下降趋势显著增大,随着荷载方向与水平面夹角增大,吸力锚抵抗扭矩荷载的能力呈现增大趋势。

环端面不平整条件下衬砌管片抗剪承载特性研究

在衬砌管片拼装过程中难免出现环端面不平整(或环缝间垫片局部脱空)的情形,进而在顶推力作用下管片容易产生局部开裂破损,严重时甚至危及衬砌结构安全。鉴于此,以衬砌管片抗剪原型试验为基础,在ABAQUS数值分析平台上建立P2型标准块管片的精细化模型,管片上部设置千斤顶靴板,底部设置垫片并使右侧垫片脱空。在靴板上逐级施加均布荷载,以分析局部脱空情况下衬砌管片在逐级顶推力作用下的力学响应,探讨环端面不平整条件下衬砌管片的裂缝发展过程及抗剪承载特性。数值模拟结果表明:顶推力加载至850 kN,管片脱空端竖向位移达到2 mm,管片内弧面上部出现第1道裂缝,内置钢筋仍处于弹性阶段;加载至1120 kN,脱空端竖向位移达到6 mm,内弧面上出现2道新裂缝,同时第1道裂缝进一步扩展形成内外贯穿性裂缝,即管片裂缝发展过程大致为内弧面→上环端面→外弧面,且裂缝附近上层纵向钢筋达到屈服强度;考虑到内外贯穿裂缝给衬砌管片带来较大渗漏水隐患,认为P2型标准块管片的抗剪承载力(即屈服荷载)约为1120 kN。将数值模拟结果与原型试验结果进行对比,二者所得管片裂缝分布与扩展规律大致一致,抗剪承载力基本相符,验证了数值模拟结果的可靠性。研究成果可为盾构隧道的衬砌设计与掘进施工提供参考依据。

椭球形与圆柱形耐压薄壳承载特性对比研究

将水下无人潜航器耐压结构作为应用背景,为对比椭球形薄壳与圆柱形薄壳承载差异,以应力和弹性稳定性作为典型力学性能指标进行对比。基于第四强度理论,以Mises应力作为典型应力开展数值计算,同等重量下椭球薄壳应力峰值较圆柱薄壳应力峰值小4%左右。以等容积、等重量为前提,基于ISIGHT平台调用Ansys,采用NSGAⅡ优化算法开展椭球薄壳弹性稳定性优化,同等重量、同等有效容积下,椭球薄壳稳定性较圆柱壳提升1.78%~6%;仅要求同等容积时,椭球薄壳稳定性较圆柱壳最大提升约200%。研究成果可为超大潜深潜器耐压结构选型提供借鉴。

长板-短桩工法承载特性参数影响分析

文中采用有限元数值仿真的方法研究了长板-短桩工法处理吹填土地基的承载特性以及桩间距、桩长、塑料排水板间距三个因素对长板-短桩法吹填土复合地基承载特性的影响规律.结果表明:①桩长对长板-短桩复合地基的影响在于能有效控制地基沉降与提供承载力,在有效桩长范围内,桩长越长效果越好;②桩间距主要影响粉喷桩与桩间土承受的应力与面积置换率,桩间距越小,长板-短桩复合地基承载能力就越大;③塑料排水板对长板-短桩复合地基的影响在于提升桩间土的渗透系数,在一定范围内,排水板越是密集,固结沉降速度越快,能有效提高桩间土的承载力;④提出了对于不同厚度吹填土地基其最优长板-短桩复合地基参数设计.

不同嵌岩深度下抗拔桩承载特性研究

以广东省江门市某工程为例,通过有限元分析软件ABAQUS,结合地勘报告及现场对桩基进行抗拔静载试验得出的荷载–位移曲线图,建立抗拔桩三维有限元模型进行数值模拟计算分析,研究不同嵌岩深度增量下抗拔桩的承载特性。研究成果表明:增加嵌岩深度可在一定程度上提高桩基抗拔承载力,但二者之间并非呈线性增长关系。当嵌岩深度增量为3D时,相较于原试桩的桩顶位移量减小54.2%,抗拔承载力提高105.2%,对桩基抗拔承载力的提高效果尤为显著。

多年冻土区铁路桥梁桩基础竖向承载特性分析

为研究多年冻土区铁路桥梁桩基础在竖向荷载作用下的承载性能及荷载传递机理,以多年冻土区广泛存在的高桩承台基础为研究对象,通过室内缩尺模型试验结合有限元方法分析桩基础几何尺寸和多年冻土温度对桩基础竖向承载性能的影响。结果表明:增加桩长能减小桩基础的沉降量并提高桩基础的极限承载力,桩长从1.5 m增至3.0 m过程中,每增加0.5 m,桩基础极限承载力分别增加41%,23%和15%,且能够减小桩基础端承力及其占比,但对桩基础的轴力、桩身应力和侧摩阻力的分布规律影响较小;多年冻土的存在对桩基础承载性能的提升更为显著,其中侧摩阻力发挥重要作用,且多年冻土的温度越低,其提升效果越明显,在多年冻土层温度为-5和-9℃时,桩基础的极限承载力分别为125.9和199.5 kN,相较于融土条件分别提升了2.98和5.31倍;桩基础在多年冻土层中的最大侧摩阻力分别约为300和500 kPa,是上部融土层的2.1和3.5倍;在上部融土层和多年冻土层的交界处桩身轴力、侧摩阻力、土体应力均发生明显变化。

黄土区楔形桩-网复合地基承载特性

[目的]针对黄土地区中楔形桩-网复合地基的承载性能进行探究.[方法]开展以几何相似常数为第一基本量、重度相似常数为第二基本量的土工模型试验,研究了不同受荷区域基桩承载能力,并通过有限元计算方法进一步分析其承载特性.比较模型试验结果与有限元计算结果,揭示了黄土区楔形桩-网复合地基的荷载沉降、桩身轴力、侧摩阻力、桩土应力比及荷载分担比等分布与变化规律.[结果]复合地基沉降变化总体趋于均匀,荷载-沉降曲线为缓变型;不同受荷区域基桩的桩身轴力、侧摩阻力呈现明显差异性;楔形桩-土相互作用与荷载和深度呈现正相关关系,但存在一定上限;复合地基中楔形桩随荷载增大能有效分散桩身应力,并将荷载由桩体向桩周土传递、由地基中心向外围扩散.[结论]楔形桩-网复合地基表现出良好的承载能力,直接受荷区桩能更高效地发挥楔形桩承载特性,楔形桩在复合地基中很好地实现桩-网-土协同作用.

考虑齿形误差影响的摆线针轮承载特性分析

针对缺乏考虑齿形误差的承载分析软件,导致分析结果不符合实际工程状况的问题,提出了1种包含摆线轮齿形误差的摆线针轮副承载特性分析方法。利用三次非均匀B样条准确描述出包含齿形误差的摆线轮实际齿廓,构建并分析了摆线针轮误差齿廓接触分析模型(error tooth contact analysis,E-TCA),得到了初始啮合位置参数及啮合间隙。在此基础上,建立了齿形误差影响下的摆线针轮副负载接触分析模型,确定了零部件多体接触之间的力矩平衡和变形协调关系,利用能量最低原理获取了真实承载特性。通过有限元模型验证了RV-40E型号减速器的摆线针轮承载特性。结果表明:由于齿形误差的影响,啮合齿数减少了1对,啮合应力和传动误差增大了5.3%和5.7%。

竖向荷载下螺钉桩承载特性的影响因素

为了研究桩身螺纹结构参数对竖向荷载下螺钉桩承载特性的影响,开展室内模型试验与有限元分析,对比分析不同螺纹段长度、螺纹间距、螺纹内径、螺纹宽度与螺牙深度下的荷载沉降曲线与轴力分布曲线.结果表明:随着螺纹段长度的增加,螺钉桩极限承载力提升,变截面处轴向应力突变程度增加,建议长度取桩长的1/2~2/3;螺钉桩承载能力随螺纹间距增加呈先增后减的趋势,存在一个合适螺距可以最大程度发挥桩土间相互作用;改变螺钉桩变径比,将影响变截面处与桩端处土体端承作用,同时易引起螺纹段截面应力集中,建议取值0.7~0.8;螺纹宽度与螺牙深度的变化改变螺纹与土体的约束程度,进而影响其极限承载能力.螺纹宽度的变化对极限承载力的影响要大于螺牙深度变化的影响.

多元荷载作用下软基深水高桩码头结构承载特性研究

软基深水高桩码头结构受到恶劣外海环境荷载及复杂工作荷载等多元荷载的共同作用。研究表明,船舶撞击荷载是该结构水平向控制荷载,但波浪长期循环荷载作用会引起桩周土体软化,进而导致码头结构在其它荷载作用下承载特性的劣化。鉴于此,首先基于ABAQUS有限元软件建立了深水高桩码头结构-地基土体相互作用的三维弹塑性有限元模型;然后,借助USDFLD子程序实现了同时考虑土体强度弱化和刚度衰减的模拟,进而开展了未考虑土体软化、仅考虑土体强度弱化、仅考虑土体刚度衰减以及同时考虑土体强度弱化和刚度衰减对码头结构承载特性影响的对比分析。研究结果表明,与未考虑土体软化时撞击荷载作用下码头结构安全系数相比,仅考虑土体强度弱化时其值降低14.72%,仅考虑土体刚度衰减时其值降低15.28%,同时考虑土体强度弱化和刚度衰减时其值降低19.44%,且考虑土体软化后桩周土体的塑性应变范围明显增大,极限状态时桩身应力值减小,结构稳定性显著降低。

土工合成材料约束碎石桩承载特性数值分析

工程实践中碎石桩常因缺乏足够的侧向约束力导致其应用效果不佳,复合地基沉降难以得到有效控制。为解决普通碎石桩应用效果不佳的问题,基于ABAQUS有限元数值软件建立土工合成材料约束桩复合地基模型,研究不同桩体长径比、桩体模量、土工合成材料强度等因素对承载特性的影响。结果表明,土工合成材料可以有效地为碎石桩提供侧向约束并提高复合地基承载力。研究结果有助于深入认识土工合成材料约束桩加固地基机理,为相关工程施工提供参考。

岩溶区桩基承载特性研究综述

在岩溶区进行桩基施工时,应尽可能地避开溶洞,但不可避开的情况也普遍存在,因此岩溶区桩基承载特性研究是桩基发展过程中必须要面对的问题。从理论研究、物理实验、数值模拟3个方面对岩溶区桩基承载特性研究现状进行了分析,得到如下结论:现有承载力计算公式存在影响因素考虑不全的情况,后续理论研究应考虑多因素协同影响下单桩极限承载力计算公式推导。物理模型试验的变量较为单一,试验过程中常常忽略水对桩基承载特性的影响,后续研究应当重点考虑地下水及多因素的协同作用。原位实验开展较少,检测获得数据准确性有待提高,后续应开展更多的原位实验、现场破坏实验以获得更全面的桩基承载特性实验数据。数值模拟研究中溶洞模型的建立大多采用长方体、正方体、椭球体、球体等标准尺寸,这与实际地层溶洞三维几何尺寸不符,真实的溶洞几何模型的建立是未来重点的发展方向。

长期运行引水隧洞开裂衬砌受力影响规律与承载特性

衬砌裂缝是引水隧洞中常见的病害之一,衬砌开裂会对隧洞衬砌承载力和安全性造成不同程度的影响。以长期服役的东江水源工程引水隧洞衬砌为研究对象,通过现场检测确定了全洞段裂缝的产状、分布规律和开裂特征。利用ANSYS软件中的软弱薄层单元,建立了开裂衬砌的三维数值模型,得出贯穿型纵向裂缝的位置变化对衬砌结构安全性的影响,系统分析了衬砌的承载特性。结果表明,衬砌开裂条件下,衬砌结构局部开裂区的安全系数降低最为显著,尤其是拱肩位置的裂缝对结构的危害程度远大于边墙、拱顶裂缝;另外,裂缝的产生会对其他未开裂部位的受力特性及稳定性产生影响。数值模拟结果良好地体现了裂损衬砌对隧洞结构的影响规律,与现场检测结果一致,为长期服役下隧洞结构病害防治提供了参考。

基于内聚力模型的嵌岩双斜桩水平承载特性分析

基于已有的对桩-岩界面剪切特性的研究,建立了界面几何参数和材料特性与内聚力模型参数间的转换关系,与现场试验和理论研究对比,验证了接触模型的准确性;结合室内嵌岩双斜桩模型试验,建立了对应有限元数值计算模型,对比分析了桩基荷载-位移曲线与弯矩规律,验证了模型的可靠性;进而建立不同倾角的足尺嵌岩双斜桩模型,分析在不同竖向定荷载下的水平承载特性。研究表明:嵌岩双斜桩系统是多因素协同作用的承载系统,对受多向组合荷载的嵌岩双斜桩而言,存在一最优竖向设计荷载,使得嵌岩双斜桩的水平承载力大大提高,但过大的竖向荷载和过小的倾角反而提高桩承台失稳的风险。