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。

岩土弹塑性力学硕士研究生课程教学改革实践

岩土弹塑性力学是同济大学土木工程学院岩土工程方向硕士研究生的专业学位课程。在十余年教学经验总结基础上,结合专业学位研究生培养目标和岩土工程实际情况,对教学内容进行重新设计和优化。针对研究生学习中遇到的困难,提出一些教学改革措施,有利于学生系统性掌握专业知识并培养工程分析和开展科学研究的能力。为弥补缺少合适教材的不足,参考现有的弹性力学和塑性力学教材,并加入岩土力学方面的知识内容,编写一部面向全日制专业学位研究生教学的岩土弹塑性力学教材。

上方基坑开挖引起下卧隧道纵向变形分析方法

上方基坑开挖引起下卧隧道纵向响应的分析方法大多将基坑开挖处理为基底简单卸荷作用,采用基底卸荷引起的隧道轴线处自由土体的附加应力作为输入条件,视之为隧道所受到的荷载。然而,这种力输入条件并非隧道受到的真实荷载,导致得不到合理的隧道响应。为此,首先从理论上分析当前的力输入条件的不足以及位移输入条件较为合理的原因,并对两种输入条件下Winkler地基模量进行区分,指出位移输入条件和力输入条件应分别采用被动和主动Winkler地基模量。其次,通过对比有限元和Winkler方法得到的隧道响应,验证了位移输入条件的合理性,而当前的力输入条件会低估隧道的响应。最后,鉴于力输入方法的工程实用性,提出利用荷载放大系数调整输入荷载的大小,以获得合理的隧道响应。利用大量的有限元算例进行研究,确定了荷载放大系数的简化计算公式,通过与工程案例的实测结果对比,验证了所提出方法的可行性。

基坑开挖对邻近地下管线影响的变形控制标准

基坑开挖会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形,甚至会引起管线的开裂破坏。基于位移控制理论,对板式支护体系由于基坑开挖而引起的周边自由土体位移场的分布规律进行了探讨,通过位移控制两阶段简化分析方法与位移控制有限元方法的对比,验证了简化方法的合理性。其次对最近修订的《上海市基坑工程技术规范》的基坑环境保护标准进行了探讨,利用简化方法通过算例计算以分析其仍需改进的方面,在此基础上,基于地下管线的自身承受能力,提出了基坑开挖对管线保护的变形控制标准,给出了为保证管线正常使用,基坑开挖深度与基坑允许侧向变形的关系,从而可以为基坑开挖环境影响评价标准的建设提供相应的理论依据。

基坑开挖对邻近地埋管线的影响分析

基坑开挖会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形。在对现有基坑工程变形规律总结和前人研究工作基础上,首先给出了上海软黏土地区板式围护体系基坑围护墙的侧向变形和土体沉降变形预测方法,其次介绍了分析基坑开挖对邻近地埋管线纵向影响的三维DCFEM法和位移控制两阶段理论分析法,最后通过算例对比,采用上述两种方法对一基坑开挖附近的地埋管线工程进行了分析,验证了本文方法的合理性及适用性,为基坑开挖环境影响评价标准的建设提供了理论依据。

隧道开挖对邻近非连续接口地埋管线的影响分析

隧道开挖引起的地面沉降会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形,甚至会引起管线的开裂破坏。将隧道开挖引起的地面沉降效应作为外界条件施加于地埋管线上,基于改进的Winkler地基模型,并采用虚拟节点以考虑管线接口处的力学特性,提出了刚度非连续接口管线在隧道开挖条件下响应的简化理论分析方法。通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比,验证了该方法的合理性。并通过与层状弹性理论解的对比,得到了该方法在非均质地基中的适用性。参数分析认为忽略管线接口存在的连续管线假设在分析接口地埋管线有不合理处。

基坑开挖引起的邻近建筑物桩基变形受力响应

基坑开挖时处于土体影响区域的邻近建筑物的桩基会受到影响,而产生附加的弯矩和变形。采用两阶段分析方法,将开挖产生的自由土体位移作为输入条件,基于Winkler地基模型以及桩土变形协调条件,建立单桩的水平位移控制方程。基于简化Mindlin方程考虑被动群桩的桩土相互影响得到群桩的遮拦效应,从而建立群桩控制微分方程,并采用有限差分法进行求解。通过与离心机试验结果的对比,验证了本文方法的合理性。

软黏土中水平循环荷载作用下刚性短桩的p–y曲线分析

在反复的水平荷载作用下,桩周土体中不可恢复的塑性变形会随着循环荷载的作用而逐渐累积,从而引起桩土相互作用的弱化。通过软黏土中不排水条件下基于Tresca准则扩展而来的土体弱化模型和离心试验的结果修正静力双曲线形式p–y曲线。从循环荷载下桩土相互作用机理角度考虑水平循环荷载对单桩基础的影响,并与刚性短桩离心模型试验的结果进行了对比分析,验证了该方法的合理性。

砂土中大直径单桩的长期水平循环加载累积变形

海上风电在风载、波浪荷载等长期水平循环荷载作用下的累积变形问题备受重视,因其过大会导致风机无法正常工作。考虑了桩周砂土的循环加载特性对海上风电大直径单桩基础的水平循环响应加以研究。首先采用R-O加载曲线和修正Masing准则构建砂土的加卸载应力应变曲线,基于砂土轴向累积应变显式公式推导了砂土加卸载割线刚度演化模型。其次在长期水平循环受荷桩的有限元数值模拟中对该演化模型加以实现,通过与文献的离心模型试验结果进行对比分析,验证了砂土加卸载刚度演化模型用于水平循环受荷单桩响应的合理性。进一步开展了单桩不同埋深的参数分析,探讨了埋深条件对桩顶累积转角发展的影响。研究表明,基于砂土加卸载割线刚度演化模型的有限元分析能够合理模拟砂土中水平循环加载条件下单桩桩顶累积转角的长期演化规律,为分析海上风电的长期循环响应提供了理论基础。

砂土中大直径单桩风机动力响应模型试验

采用电机伺服随机动力加载设备开展了一系列1g模型试验,研究砂土中大直径单桩基础的风机模型在风暴条件下的动力响应特性。试验结果表明:叶片风机模型,其位移响应极值相比集中质量风机模型大约偏小4%~8%。相比顶部集中质量模型5 Hz左右的单共振峰值,叶片风机模型频响分布含4 Hz与6 Hz对应的2个固有频率共振峰值,分别为塔身固有频率与叶片塔筒耦合固有频率。风暴条件下随着平均风速的提高,风机位移响应极值呈现非线性增长的趋势。采用固定底端的风机模型相比单桩基础,其塔顶位移响应极值偏低约45%,固有频率偏高约11%;能量水平更高、高频分布更多的风谱,其对应风机动力响应极值更高,频域能量水平更高。

砂土中桩土侧向相互作用的应变楔模型修正

提出了砂土中水平受荷单桩的修正应变楔方法。从3个方面对应变楔模型进行了修正,首先假设三维被动土楔后桩身的水平位移呈非线性变化,从而使得楔形体内的水平应变不再是一常量,而是沿深度变化。其次引入了两个双曲线型的模型分别用以模拟楔形体中土体的水平应力增量-应变关系和桩-土界面处桩侧剪应力-位移关系。然后通过算例验证了修正方法的有效性,模拟结果与实测结果吻合较好。最后分析了各个修正因素对计算结果影响,结果显示,非线性位移假设的引入对原应变楔模型计算的水平承载力偏高有明显地改善,新的水平应力增量-应变关系和桩侧剪应力-位移关系的引入使得应变楔方法更加简便有效。

被动状态下地埋管线的地基模量

地下工程基坑、隧道开挖产生的自由土体位移场会引起周边地埋管线(如市政给排水管线、煤气管道等)产生附加变形并受力。基于Winkler地基模型的位移控制分析方法,将自由土体位移作为外部荷载即被动位移施加于管线上,管线与土体的相互作用采用Winkler地基弹簧模拟,弹簧常数一般根据Vesic公式得到。在基于弹性理论的推导中,Vesic公式的前提条件是弹性地基梁置于弹性半空间地表,竖向集中力或弯矩(主动荷载)置于梁的中心位置,这与地埋管线的一定埋深以及位移的施加情况是不一样的。为考虑上述2种因素对Winkler地基模量的影响,进行相应的理论探讨,提出考虑埋深影响的位移作用下地基模量的理论公式,并基于该地基模量进行隧道开挖对邻近地埋管线影响的位移控制理论分析。通过与弹性理论法、离心机试验以及实际工程观测结果的对比,验证该方法的合理性和正确性。

开挖条件下非均质地基中被动群桩水平反应分析

地下工程开挖包括基坑开挖、隧道开挖等,邻近建筑物的桩基因开挖引起的土体位移会产生弯矩和变形。基于两阶段分析方法,考虑土体的非线性,采用Winkler地基模型模拟被动单桩桩土之间的相互作用,运用有限差分法进行求解以考虑地基土的分层特性,并基于简化Mindlin方程考虑群桩的桩–桩相互影响,计算被动群桩的遮拦效应,从而得到开挖条件下被动群桩水平反应的简化分析方法。最后将基于两阶段分析方法的差分解法与边界元解、现场实测结果、离心机实验结果等进行对比,验证了该方法的合理性及实用性。

软黏土中水平受荷桩的静力和循环p–y曲线

首先介绍了构建软黏土中水平受荷桩静力p–y曲线的拟三维分析方法,该方法基于考虑土体特性的二维弹性虚拟加载上限方法和改进的三维极限承载力剖面。基于水平受荷桩的静力p–y曲线,引入土体不排水抗剪强度和塑性累积位移间的关系和Masing准则,建立了水平受荷桩的循环p–y曲线。采用考虑土体应力–应变关系及强度衰减的p–y曲线分析离心机模型试验,计算结果表明本文方法可较好地模拟黏土中水平受荷桩的静力及循环承载特性。经试验标定土性相关参数后,本文循环p–y曲线在不同循环荷载幅值下获得的桩顶荷载–位移滞回曲线及相应桩顶荷载衰减曲线均与离心试验结果基本吻合。

基于应变路径法的黏土中水平受荷桩p–y曲线

水平桩的p–y曲线大多是基于试验数据(A P I规范,双曲线),旨在从理论出发推导桩侧土体的p–y曲线。首先,推导了与上限解等价的分步弹性加载理论,并结合刚性圆盘在环状弹性介质中受水平力作用下的弹性力学解以研究桩身水平位移和桩周平均剪应变间的关系;再应用该平均剪应变和土体的双曲线应力应变关系建立联系以得到桩周土体在加载过程中的平均屈服应力即已发挥的土体强度;以此确立二维情况下桩身位移和桩周土反力的关系即p–y骨干曲线。再进一步根据三维的桩侧初始地基模量和桩侧极限承载力,将其推广至三维。该p–y曲线的优点在于可以考虑土体应力应变关系、桩身刚度和长细比对p–y曲线的影响。最后,将本文p–y曲线和传统p–y曲线分别与工程实例以及有限元结果进行对比,并指出传统p–y曲线的不足及恰当的使用范围。

黏土中两种不同直径单桩水平循环加载模型试验与分析

为探讨海上风机在风、浪等水平往复循环荷载下大直径单桩基础的循环弱化特性,设计了稳定输出长期循环荷载的机械加载装置,开展了软黏土中长期水平循环荷载下海上风电大直径单桩基础和传统长桩基础的模型试验对比研究。根据API给出的骨干曲线和Masing二倍准则构建循环荷载下的p-y(荷载-位移)曲线,并借鉴前人工作,采用累积塑性应变描述软黏土的不排水抗剪强度弱化,提出了分析大周数水平循环荷载下单桩基础循环弱化的理论方法。该方法将循环荷载次数、幅值等外界条件与桩周土体的循环弱化特性建立联系,以适应海洋环境复杂多变的水平循环荷载形式。通过模型试验和理论研究认为,大直径单桩基础因刚度较大,在同样的水平力循环荷载条件下,其抵抗循环荷载的能力明显优于传统长桩。在海上风机大直径单桩的设计中采用基于黏土残余强度的循环后稳定水平承载力更为合理。

基坑开挖对邻近桩基础影响分析的DCFEM法

将DCFEM法运用于基坑开挖对邻近桩基础影响的分析。对目前已有板式支护基坑变形预测公式进行修改,提出基坑开挖对邻近桩基础影响的三维DCFEM法,对基坑开挖条件下基坑外不同距离处单桩及群桩的变形和受力进行了研究。采用DCFEM法模拟了基坑开挖对邻近桩基础影响的离心模型试验,并将二者结果进行比较,验证了DCFEM法的准确性。

根式沉井基础力学分析与施工工艺

为分析根式沉井基础受力机理并总结其施工工艺,对马鞍山长江大桥江心洲Z1号、Z5号、Z9号桥墩基础开展相关研究。分别建立根式沉井在竖向荷载、水平荷载及荷载组合作用下的力学模型,结合经验公式,推导出该类基础竖向、水平承载力及结构变形等的分析方法。对Z5号桥墩基础B进行受力计算,将计算结果与实测结果进行对比得出:在井壁增加根键可有效提高沉井基础的承载力。通过工程实践,确定Z1号、Z5号、Z9号桥墩基础采用以压重为主的助沉方案,根键施工按自下向上的顺序逐层进行,对称顶进。

基于周边既有建筑物承载能力的基坑变形控制标准

邻近既有建筑物由于基坑开挖引起的土体位移作用而产生附加变形。首先提出基坑开挖对邻近既有建筑物影响的位移控制有限元分析方法(DCFEM),通过与离心模型试验的对比,验证其合理性。然后,对新修订的上海《基坑工程技术规范》的基坑环境保护标准进行探讨,通过算例分析,指出其不合理之处。最后,考虑建筑物自身的承载能力,采用DCFEM法进行分析,提出基于周边建筑物承载能力的基坑变形控制标准。

砂土中考虑冲刷的水平受荷桩等效应变楔方法

冲刷引起桩周土体的损失,研究冲刷效应对桩基水平承载特性的影响非常必要。基于桩前土体楔形受力的应变楔方法可以推导桩侧p-y曲线,进而分析水平受荷桩的受力变形特性,但只适于地表水平的情况。基于冲刷坑坑底以上土体的自重荷载对楔形体的开展范围进行深度等效,建立了冲刷条件下砂土中水平受荷桩的等效应变楔方法。通过与文献对比,验证了该方法的可行性。研究结果表明:冲刷深度增加,冲刷坑底宽度增大及冲刷坡角减小均会降低桩基水平承载性能。与仅考虑冲刷引起的桩侧极限抗力削弱的简化方法相比,本研究得到的桩基最大弯矩偏小。将冲刷坑底以上土层全部剥蚀的做法,忽略了冲刷深度内的土层作用,计算结果会偏于保守。