Determination of pile failure mechanism under pullout test in loose sand

Estimating the deformation of soil around the pile contributes to reliable design of structures under pullout force. This work presents the results of a series of small-scale physical modelling tests designed to investigate the uplift resistance of piles with diameter of 5 cm and slenderness ratios of 1, 2, 3 and 4 in loose sand. Close photogrammetric technique and particle image velocimetry(PIV) were employed to observe the failure patterns due to uplift force on piles. The results show that the shear zones curve slightly outward near the ground surface. After peak resistance, the shear strain concentrates into a pair of narrow shear bands,then a flow around mechanism is formed accompanied by a reduction in the uplift resistance. The results from the laboratory tests were verified by analytical method proposed by Chattopadhyay and PLAXIS 2D and 3D finite element method software. It is found that the depth and width of the failure surface increase with the increment of the slenderness ratio. A good agreement is observed among the measured bearing capacity and obtained failure surface of the models and the results of numerical modelling. Finally, the maximum deformation of loose and dense sand respectively with densities of 25% and 75% were compared in the stage of fully removing pile. The results shows that the deformation of the soil is related to its density, therefore it depends on its dilatancy.

A study on particle breakage behavior during pile penetration process using acoustic emission source location

Particle breakage is a common occurrence in granular systems when the external stress exceeds the individual particle strength.A large number of experimental evidences suggested that particle breakage may significantly influence the soil behavior.In the case of pile foundations,the subsoil below the pile tip experiences considerable high stress and consequently prone to break.Due to the lack of sufficient understanding on particle breakage mechanism,there is currently no consentaneous theoretical background for particle breakage analysis during the pile penetration process.This study aims to clarify the location of particle breakage and its evolving characteristics with the aid of acoustic emission(AE)source location method.The spatial distribution of AE hypocenters is interpreted to be associated with the mechanism of particle breakage.Results showed that the AE sources were not uniformly distributed,but concentrated within certain zones below the pile tip.This AE concentration zone was pushed downward with the advancing pile tip,and its distance from the real time pile tip position decreased after certain depth of pile penetration.The location of particle breakage interpreted from AE source location was verified with posttest excavations and the insights on the particle breakage evolution zone were further discussed.

Effect of Local and Global Scour on Lateral Response of Single Piles in Different Soil Conditions

Marine structures, offshore platforms and bridge piers are usually supported on foundation piles. These piles are subjected to lateral loading due to wind, waves and currents. Piles installed in marine or river environments are susceptible to scour depending on wave and current characteristics and soil types. In this paper, the effect of local and global scour on behavior of laterally loaded piles installed in different soil conditions has been investigated. Finite element model (FEM) using the software program PLAXIS and Winkler model using the software program LPILE were used in the analyses. Different parameters were investigated such as soil types, scour depth, scour hole dimension, pile material, submerged condition, magnitude of lateral load and load eccentricity. The results showed that scour has a significant impact on piles installed in sand and a less significant impact on piles installed in clay. Global scour has a significant impact on pile lateral displacement and bending stresses. The effect of scour is more significant if piles are subjected to large lateral loads due to the nonlinear response of pile-soil system. Effect of scour of stiff clayey soils on piles is more pronounced than that of soft clayey soils.

Behavior of raft on settlement reducing piles:Experimental model study

An experimental program is conducted on model piled rafts in sand soil.The experimental program is aimed to investigate the behavior of raft on settlement reducing piles.The testing program includes tests on models of single pile,unpiled rafts and rafts on 1,4,9,or 16 piles.The model piles beneath the rafts are closed ended displacement piles installed by driving.Three lengths of piles are used in the experiments to represent slenderness ratio,L/D,of 20,30 and 50,respectively.The dimensions of the model rafts are 30 cm×30 cm with different thickness of 0.5 cm,1.0 cm or 1.5 cm.The raft-soil stiffness ratios of the model rafts ranging from 0.39 to 10.56 cover flexible to very stiff rafts.The improvement in the ultimate bearing capacity is represented by the load improvement ratio,LIR,and the reductions in average settlement and differential settlement are represented by the settlement ratio,SR,and the differential settlement ratio,DSR,respectively.The effects of the number of settlement reducing piles,raft relative stiffness,and the slenderness ratio of piles on the load improvement ratio,settlement ratio and differential settlement ratio are presented and discussed.The results of the tests show the effectiveness of using piles as settlement reduction measure with the rafts.As the number of settlement reducing piles increases,the load improvement ratio increases and the differential settlement ratio decreases.

不同推进比下螺旋桩在砂土中安装力的离散元研究

螺旋桩作为一种颇具潜力的海上风电基础形式,其安装问题是螺旋桩能否成功应用在海上风电工程中的关键。基于离散元方法,采用PFC^(3D)模拟分析了螺旋桩在不同推进比下安装时的桩身受力情况以及对周围土体的影响。宏观上,研究了螺旋桩在不同推进比下安装时螺旋桩连杆侧壁、连杆端部、螺旋叶片上下表面的受力变化规律;微观上,分析了螺旋桩安装过程中桩周土体孔隙率、配位数及应力变化规律。研究表明:随着推进比的减小,螺旋桩安装时受到的竖向力与扭矩也随之降低,对桩周土体的扰动也更小;螺旋桩在推进比为1时安装与在推进比小于1时安装存在两种不同的安装机制。研究结果对进一步确定螺旋桩在不同推进比下的安装条件具有一定意义。

粗糙度对单桩竖向承载变形特性影响的试验研究

为探究桩侧粗糙度对单桩承载变形特性的影响规律,自主研发了多功能桩基静动力模型试验系统,构建了光滑、随机型及带肋规则型桩侧界面的模型单桩,通过3D形态扫描计算获得了桩侧表面粗糙度Rn,基于此开展了饱和砂土中单桩静载模型试验。试验结果表明:(1)粗糙度越大,单桩极限承载力和桩的割线刚度越大,桩顶沉降及其卸载回弹量越小,带肋桩能够有效提高桩基承载力并控制桩顶变形。(2)粗糙度越大,桩侧阻力越大,桩端附近侧阻力的强化效应越明显,桩侧阻力的分布模式随桩顶荷载增大由“单驼峰”到“锥顶柱”再至“斜坡”依次演变。(3)β值(β法中参数)随桩侧粗糙度的增大而增加,随深度增加而衰减。带肋桩的极限侧阻力及β值远大于砂纸和光滑桩,揭示了埋深和粗糙度对β值影响规律的机制。(4)桩侧粗糙度会影响砂土地基中桩端荷载传递函数类型,光滑桩、砂纸桩桩端荷载传递函数呈双曲线型,带肋桩呈直线型。上述研究结果对深刻认识桩侧粗糙度对单桩承载变形特性影响规律和机制具有重要参考价值。

挤密砂桩振动沉桩可打性分析中必要振幅的试验研究

击振力和振幅是挤密砂桩振动沉桩可打性分析中2个最重要的参数,其中工作振幅与机械设备能力及土性相关,而必要振幅主要与土性相关。现有的振动沉桩可打性分析理论在必要振幅的认识方面存在较大的差异。为了更好解决振动沉桩必要振幅预测问题,依托港珠澳桥隧人工岛工程挤密砂桩可打性分析课题,通过在砂桩管上安装加速度传感器对挤密砂桩沉桩过程进行全程监测,并通过二次积分得到振幅-时程曲线,将各个土质条件下实测振幅与目前常用的日本建调神户株式会社法、美国ICE沉桩理论以及法国PTC沉桩理论进行对比分析,根据实测结果,对上述振动沉桩理论的适用性及优缺点进行了对比分析并给出了必要振幅取值方法的建议。研究结果表明,在采用电动振动锤沉桩的条件下,日本建调神户株式会社法必要振幅的取值偏大,法国PTC法的必要振幅偏小,美国ICE法必要振幅的取值规律性与实测结果吻合良好,但是取值方法不够具体。建议在美国ICE法的基础上结合工程经验进一步细化和完善振动沉桩必要振幅取值。

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。

基于水平旋喷桩处置优化的地铁隧道施工变形控制分析

为研究富水砂层隧道中水平旋喷桩+超前小导管组合预加固的效果,以青岛地铁某区间段隧道为依托,采用有限元数值模拟方法,对比分析了无预加固、单独使用水平旋喷桩及旋喷桩配合超前小导管组合预加固三种工况的加固效果。结果表明,与无预加固方案相比,单独使用水平旋喷桩预加固可使地表沉降、拱顶沉降、掌子面纵向位移分别相应减少约61%、59%、38%;而水平旋喷桩与超前小导管组合预加固方案可使地表沉降、拱顶沉降、掌子面纵向位移分别相应减少约66%、77.6%、38.9%,典型开挖断面处与拱脚处地下水渗流量分别减少93.4%、96.7%,预加固效果与止水效果显著。

不同含水状态下微生物珊瑚砂桩单桩复合地基模型试验研究

微生物珊瑚砂桩复合地基是利用MICP技术固化珊瑚砂成桩与珊瑚砂组成复合地基,具有就地取材、对原状砂土扰动小及对岛礁生态环境影响小等优势,在岛礁工程建设中具有良好的应用前景。通过不同工况下的微生物珊瑚砂桩单桩复合地基模型试验,研究地基相对密实度(50%、65%、72%)、面积置换率(8%、14%、20%)、含水状态(干燥和饱和)和水位升降对复合地基承载特性的影响规律。结果表明:干燥状态下复合地基的承载力及桩侧摩阻力随地基相对密实度和面积置换率增大而增大;复合地基的桩身轴力和桩土应力比随地基相对密实度增大而减小,随面积置换率增大而增大;提高地基相对密实度和面积置换率可有效提高复合地基承载力。饱和状态下复合地基的承载力为干燥状态的49%~66%;饱和状态相对于干燥状态桩身最大轴力和桩侧摩阻力减小,桩土应力比增大。两次水位升降对微生物珊瑚砂桩单桩复合地基的承载特性影响较小。

支盘桩加固既有填砂路基深层软土的模型试验研究

高速公路改扩建中既有填砂路基深层软土加固时存在路面结构层和施工场地空间限制的问题。首先,提出使用单盘挤扩支盘桩方案进行地基处理,通过挤扩法成盘于桩顶,以期实现不破除路面结构层的情况下达到设置桩顶承台或托板的效果。其次,利用群桩地基物理模型试验模拟一个桩土单元体研究加固方案的承载过程,通过分析桩体、盘体和土体的力学及变形指标研究支盘桩加固既有填砂路堤的承载表现和土体变形特征,最后,考虑土体参数和桩体尺寸推导了既有填砂路基深层软土支盘桩加固方法的二维简化模型。研究结果表明,软土在恒载下桩体轴力和土压力随时间变化调整,原因在于软土的压缩性和砂土的散粒体属性;桩顶轴力总和与恒载大小近似线性正相关,同时支盘直径越大桩顶轴力总和越大、桩承荷载占比越高,试验发现支盘桩加固法的桩承荷载占比约70%。另外,利用所建二维简化模型进行参数分析发现填砂路基中的最小盘间净距与上覆荷载、填砂内摩擦角、深层软土强度指标和支盘桩几何参数相关。

非挤土桩对于砂土地层地震液化的影响机制研究

如何通过工程措施实现地基抗液化能力的有效提升,是岩土工程领域近年来研究的热点问题之一。非挤土桩作为地基处理的常用措施,其加固后地层的抗液化能力能否得到提升,在学术界还存在着一定争议,主要原因是其对于砂层地震液化的影响机制尚未明确。针对该问题,本文开展了干砂及饱和砂土原状场地与非挤土桩加固场地的超重力模型试验,通过对比不同试验中地层的动力响应与超静孔隙水压力的发生发展规律,首次发现非挤土桩对于地层的作用机制并非仅有“刚度效应”,还有因振动过程中桩-土变形不协调而产生的附加作用力,该作用力将显著提升浅层土体的应力及应变水平,加大其液化的可能性,且随着埋深增加,该附加作用力逐渐变小,“刚度效应”将逐渐占据主导地位,相关研究成果可为进一步揭示非挤土桩抗震加固机理、评估其加固效果提供一定的基础和支撑。

钙质砂地基中群桩基础荷载传递特性研究

为研究钙质砂地基中群桩基础承载过程中的性能特征,开展不同桩距条件下群桩基础静载试验.得到不同桩距条件下群桩的Q-S曲线和S-lgt曲线,测得3d、4.5d、6d(d为桩径)群桩在静载条件下的极限承载力F_(u),研究各个桩段的桩身轴力、桩侧摩阻力以及桩端阻力的变化趋势.研究结果表明:群桩的Q-S曲线为缓变型,S-lgt曲线为渐变型,桩基承载变形大致分为稳定、渐进以及破坏3个阶段,相较于3d群桩,4.5d、6d群桩沉降发展更缓慢,F_(u)更高;同等桩距下,钙质砂地基表现出比陆源砂地基更强的群桩效应,钙质砂地基中群桩最佳桩距应在4.5d~6d之间.该研究为群桩在钙质砂地基中的应用提供数据支撑和理论参考.

砂土边坡桩间水平土拱机理与演变规律离散元分析

抗滑桩等非连续支挡结构在边坡工程中依靠土拱效应安全经济地发挥支护功能。鉴于不同类型砂土的力学性质差异较大,为揭示密砂与松砂土质边坡抗滑桩桩间水平土拱机理与演变规律,采用离散元方法(DEM)模拟支挡砂土水平土拱的成拱过程。在传统力链分析的基础上,提出通过筛选高应力颗粒来研究土拱的形成过程,进一步从细观角度对不同工况土拱效应进行分析,以揭示“应力拱”和“位移拱”的演化过程。研究表明:密砂和松砂中的水平土拱的动态演变过程均表现为3个演化阶段,分别对应于密砂和松砂的剪切性状,即应变软化和应变硬化现象,揭示了砂土边坡桩间土拱效应的演变规律。此外,讨论了宏-微观DEM模拟参数对土拱形成过程与土拱效应性能的影响,结果表明拱跨对于荷载传递效率的影响最大。

嵌岩低桩承台锁口钢管桩围堰设计与施工技术

昌九高铁扬子洲赣江公铁大桥西支主桥为(48+144+320+144+48)m无砟轨道钢箱桁组合梁斜拉桥。桥塔墩位于通航河道内,桥位处河床覆盖层浅,基岩强度高,基础由大直径钻孔桩和矩形嵌岩低桩承台组成,承台采用锁口钢管桩围堰施工方案。G33号主墩围堰平面设计尺寸54.56 m×28.52 m,锁口钢管桩采用Q345B材质∅1020 mm螺旋钢管,长28 m,钢管桩之间采用C-T形锁扣连接;围堰设置4层内支撑,单层内支撑设3道对撑,内支撑四角设型钢斜撑;基底设置混凝土垫层参与围堰结构受力。围堰采用XR360旋挖钻机在岩层中引孔,孔内换填细砂后插打钢管桩,钢管桩壁内、外两侧换填砂采用高压旋喷注浆加固。围堰设置智能化监测系统,对围堰受力、变形等进行实时动态监控。实践证明,该桥围堰结构安全可靠、止水效果良好、施工快捷高效。

基于界面本构模型的砂土中单桩荷载−沉降响应预测方法

基于界面本构模型提出了一种新的砂土中单桩荷载沉降响应的预测方法。首先,从土−结构界面本构模型出发推导了严格的桩−土界面非线性荷载传递模型,该模型承继了界面本构模型特征,能够模拟桩−土界面上发生的应变硬化/软化、剪胀与应力路径依赖性等行为。此外,采用双曲线荷载传递模型模拟桩端−土相互作用的非线性应力−位移关系。上述荷载传递模型所需参数可以通过室内界面剪切试验和土工试验进行校准。继而,基于荷载传递法,提出了单桩荷载沉降响应分析的一维计算模型,并采用迭代算法进行数值求解。最后,将理论解答与已报道的模型试验、自主开展的模型桩试验以及数值模拟结果进行比较,以验证所提出的理论方法的正确性。试验结果表明,预测值与实测值吻合较好,且该方法能够很好地预测非位移桩与位移桩的荷载沉降响应。提出了一个基于界面本构模型的单桩荷载沉降响应分析框架,为竖向荷载下砂土中单桩优化设计提供了理论参考。

下穿地下构筑物群桩富水砂层盾构通道MJS预加固施工技术研究及应用

下穿地下构筑物群桩富水砂层盾构通道MJS预加固施工技术包括技术原理、实施思路和具体施工步骤,其由密布群桩富水砂层水平引孔、富水砂层水平引孔砂土流失控制、常规水平MJS注浆加固3个环节组成。技术采用引孔机钻杆+外套管进行水平引孔,实现立柱桩和高强度管桩的穿越,以及富水砂层中的长距离成孔,引孔过程中通过双液注浆对注浆线路进行一次加固,同时利用洞口安装的法兰盘+止回阀来进行砂土流失控制,减少引孔对地下构筑物和周边环境的影响,引孔完成后,进行常规MJS注浆加固,达到预加固目标,并形成具体的下穿地下构筑物群桩富水砂层盾构通道MJS预加固施工步骤指导施工,大幅减少对地下构筑物和周边环境的影响,减少泥浆浪费,提高施工效率,经济社会效益较好,具有较好的推广应用价值。

砂土边坡的速凝高聚物微型抗滑桩加固效果研究

针对常规混凝土凝固较慢、工期长、施工复杂等缺陷,提出速凝高聚物微型抗滑桩加固边坡的新思路,开展高聚物微型抗滑桩加固砂土边坡的模型试验与数值模拟研究。结果表明,在数值模拟中,将Mohr-Coulomb强度参数转换为Drucker-Prager强度参数时,应力洛德角取0能够更准确地反映边坡岩土体的强度特征;模拟得到的各边坡工况的位移、变形发展过程和破坏特征都与试验结果较为吻合,在一定程度上验证了数值模拟的准确性;在施加了5级水平推力(1 500 N)后,单排高聚物微型抗滑桩加固后的坡脚、坡中和坡顶的实测位移分别比加固前减小了33.4%、33.3%和33.3%,而双排桩加固后的坡脚、坡中和坡顶的实测位移分别比加固前减小了55.9%、53.4%和43.4%。加固前的坡面呈现波浪状的变形特征,加固后的坡体变形显著改善。在水平推力达到1 800 N时,单排桩工况中的桩体断裂,而当水平推力达到2 400 N时,双排桩工况中的后排桩首先发生断裂。研究结果验证了速凝高聚物微型抗滑桩在边坡加固中具有一定有效性和可行性。

基于扰动状态概念的砂土-混凝土桩接触面荷载传递模型研究

基于扰动状态概念理论,考虑砂土密实度对扰动函数的影响,建立混凝土桩-砂土接触面荷载传递模型。用混凝土板表征桩侧粗糙度效应,采用大型直剪仪开展不同密实度的砂土-混凝土桩接触面力学行为的试验模拟,研究砂土密实度对混凝土桩-砂土接触面的力学特性的影响规律,分析接触面模型初始剪切系数、模型扰动参数(A和Z)对桩-砂土接触面荷载传递模型的作用机制。研究结果表明:1)混凝土桩-砂土接触面易呈现应变软化,在低法向应力条件下,混凝土桩-密砂接触面的应变软化程度最大。2)模型扰动参数Z在数值上近似等于孔隙比。模型扰动参数A越大,砂土与混凝土桩接触面的软化显著程度越大。参数A随着密实度增大而增大。随着法向应力增大,密砂的扰动参数A呈近似线性衰减,松砂和中密砂的扰动参数A近似呈双折线衰减。3)初始剪切系数k_s随着法向应力增大而增大,密实度越大,增速越快。4)基于扰动状态概念的桩-砂土接触面荷载传递模型可靠、参数的物理意义明确且易确定,能很好地表征桩-砂土接触面的应变软化及硬化等力学特征。

基于桩侧砂土圆锥型修正应变楔模型的p-y曲线

基于桩侧砂土三维圆锥型应变楔的变形特征,提出砂土中水平受荷桩的非线性p-y曲线。构建圆锥型楔形体前表面应力体系并引入土体应力-应变双曲线模型,进而考虑应变楔的水平受力平衡得到桩侧土反力的表达式。在此基础上,结合弹性地基梁有限差分数值分析,建立了水平受荷桩非线性p-y曲线的理论推导方法。将该理论用于钻孔桩和打入桩模型试验的算例分析,结果表明:相对于API规范的p-y曲线、双曲线型p-y曲线以及传统非圆锥型应变楔模型得到的p-y曲线,本文方法得到的非线性p-y曲线与模型试验结果更为接近。通过比较本文圆锥变形模式与传统非圆锥型应变楔模式的差异以及桩-土参数的影响分析,进一步论证了该方法的优点。