基于桩-土界面剪切特性的单桩沉降和承载问题研究

近年来,西北地区出现了许多高填方场地,为减小建筑物基础的不均匀沉降,基础类型广泛使用桩基础。与一般场地不同,黄土填方场地中的单桩桩周土受力后仍会产生较大的变形,该类场地单桩沉降机制复杂。桩顶总沉降计算是桩基设计的重要依据,为此,建立了高填方黄土场地单桩桩顶总沉降计算模型。基于传统的荷载传递法和剪切位移法,分别考虑桩-土界面的桩-土相互作用和桩-土界面外剪切带土体的剪切变形。依据桩端边界,将单桩类型分为摩擦桩和端承摩擦桩,分别建立桩周土弹性阶段和塑性阶段的桩身位移控制微分方程,结合边界条件进行求解,得到桩身位移、轴力、侧摩阻力,并通过弹塑性理论求解了桩周土剪切带土体剪切变形,进而通过叠加原理求得桩顶总沉降。用桩长与桩周土塑性发展深度的比值,定义了桩基承载力安全系数K。通过算例分析与现场试验数据对比分析,研究结果表明:使用新的模型计算得到的桩顶总沉降与现场试验结果相近;当桩顶荷载较小、桩周土处于弹性阶段时,桩端边界对桩身轴力、位移和侧摩阻力影响很小,但桩周土进入塑性滑移阶段后,桩端边界的影响开始变大,考虑桩端土的承载能力会极大提高单桩极限承载力;建立了将荷载传递法和剪切位移法综合起来的计算模型,不仅可以考虑桩-土界面的相对滑移,还可以计算桩-土界面外土体剪切带的剪切变形,使得桩顶总沉降计算更加精确,可为类似场地中单桩沉降的分析与控制提供一定的参考。

采用位移-时间分析法的材料局部性能检测系统

通过双孔微剪切法、传感器和MSP430F149单片机,快速方便地获得材料的屈服剪应力、最大剪应力数据.并分析了材料局部强度数据,获得材料的性能,其屈服应力平均值的分布趋势与硬度值基本相似.相比传统材料检测方法,这种微创、简便、适用范围广的检测系统是材料性能检测研究的一种创新.在数据处理方面,提出了一种新的位移-时间曲线分析方法,较以往传统的分析方法更为准确、便捷.

桩土界面荷载传递双曲线函数的一种确定方法

围绕桩刚度计算中荷载传递函数的参数取值问题,进行了系统的研究。首先介绍了桩刚度计算方法位移协调法的原理,并自编了VBA计算程序。利用VBA计算程序分析了荷载传递双曲线模型桩侧土起始剪切刚度、极限桩侧摩阻力以及桩端土起始抗压刚度和极限桩端阻力等4个参数对桩刚度曲线的影响。结果表明,起始剪切刚度和起始抗压刚度控制着桩的前期刚度,而极限桩侧摩阻力和极限桩端阻力影响着桩的后期刚度,且桩侧土的起始剪切刚度、极限桩侧摩阻力对桩刚度的影响远比桩端土起始抗压刚度和极限桩端阻力的大。最后,对汉口滨江国际商务区地下环路工程12根试桩进行了桩的刚度计算,结果显示桩的计算刚度一般较实测结果小,并推断其原因在于依据规范确定的起始剪切刚度偏小。为此依据设计经验,合理地选取了试验数据,得到桩刚度实测值Kst与对应各级荷载下桩刚度计算值K的散点对,并进行了线性拟合,依据拟合结果,给出了一种简便的参数标定方法。该研究成果将对武汉地区桩基设计提供一定的依据。

桩-网复合地基桩与土的相互作用解析法

本文采用荷载传递法和剪切位移法分析桩-网复合地基中单桩与桩间土的相互作用,得出单桩的桩身位移、轴力公式。根据力的平衡及位移协调原理,推导出桩与桩、桩与土之间的相互作用系数,从而得出群桩与土的柔度矩阵表达式。采用ABAQUS软件进行不同桩长下的群桩复合地基有限元计算,计算值与解析公式计算出的结果接近;将文献中的现场实测数据与解析计算结果比较,解析计算的相互作用系数和实测数据较吻合,说明本文的解析法计算公式准确性较好,对工程有一定的参考价值。

花岗岩单节理剪切-渗流耦合特性试验研究

在介绍JAW-1000型岩石单节理剪切-渗流耦合试验系统的结构和各项功能的基础上,应用该系统对4组花岗岩节理试件进行了常法向荷载和常法向刚度2种条件下的剪切-渗流耦合试验,分析花岗岩节理剪切过程中的剪切应力、法向位移及水力开度的变化规律。结果表明,花岗岩节理的剪切应力、法向位移及水力开度均呈现2个阶段的变化规律;随着剪切次数的增加,节理面的峰值剪切应力及残余值降低,剪胀点延迟,节理面的初始水力开度显著提高,法向位移和水力开度变化曲线逐渐趋于平缓。

基于双曲线模型的抗拔桩荷载传递分析方法研究

实际工程中,建筑物并不总是产生沉降,当受到地下水浮力、地震荷载以及风荷载时,建筑物也可能产生向上移动的趋势,承受上拔荷载的抗拔桩就是用来抵抗这部分作用力的有效方法之一。然而相对于抗压桩而言,目前关于抗拔桩的研究不够深入。该文将荷载传递法应用到抗拔桩的变形分析,即建立了基于双曲线模型的荷载传递方程,应用边界条件、连续性条件推导出抗拔桩的荷载-位移关系式。

基于损伤理论的预应力锚索荷载-变形特性分析

根据损伤理论的基本原理,分别定义了岩体剪切损伤变量和受拉浆体材料的损伤变量,确定了各自相应的损伤演化方程;推导了基于浆体材料损伤的锚索锚固段荷载传递控制微分方程;并将岩体剪切损伤理论与常规剪切位移法相结合,研究了拉力型预应力锚索锚固段的荷载-位移特性、侧阻力分布特性以及轴力分布特性等。将一工程实例的计算结果与实测结果进行了比较,结果表明,该方法是可行的,特别适合描述预应力锚索处于较高应力水平时的工作特性。

双层非均质地基中V-T联合受荷桩承载特性分析

为探讨近海环境双层非均质地基中预制型单桩基础在桩顶竖向荷载V和扭矩T联合作用下的承载特性,假定单层地基土体剪切模量随深度呈幂函数分布,考虑桩–土接触面上极限摩阻力沿深度的非线性变化,并计入桩–土接触面上的位移非协调性,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立出桩身位移控制方程,由此导得不同加载顺序（V→T或T→V）和受力阶段下的桩身内力位移解答,进而获得桩身承载力包络图。通过与已有成果的对比分析,验证了模型与解答的合理性。最后,通过参数分析获得了桩身长径比（L/D）、加载顺序以及地基土剪切模量幂函数分布系数（m1,m2与n）等参数对桩身承载变形特性的影响规律：桩身承载力随L/D与n的增大而逐渐减小;V→T加载时m1的影响范围主要为z/L≤0.4,m2影响范围随Tt/Tult的增加而增大;T→V加载时m1基本无影响,而m2的影响范围为0.6≤z/L≤1.0;桩顶可承受的竖向力随扭矩增加不断减小而趋于零,且V→T加载时的承载力包络线始终处于T→V承载力包络线外侧。

岩土工程半解析半数值方法若干进展

总结了笔者等近年来有关岩土工程半数值半解析方法方面的研究进展,重点介绍了有限层方法、析解法、等积变换法、广义剪切位移法、广义荷载传递函数法等5个方面,充分显示了半数值半解析方法良好的应用前景。

嵌岩桩负摩阻力现场试验与计算方法研究

桩-土剪切位移对桩基负摩阻力发展有重要的影响。在既有研究的基础上,通过桩周土体沉降与桩身应变的监测结果建立了计算桩-土剪切位移量的方法。利用该方法对浅中层桩-土监测数据进行分析,确定了在桩顶自由条件下该试验场地桩-土剪切位移量在4~5 mm;对于深层桩-土没有达到该剪切位移量,负摩阻力则无法发挥至极值。根据负摩阻力的发挥特征,改进了规范中嵌岩桩负摩阻力的计算方法,该方法同时考虑了桩周土竖向有效应力与桩土剪切位移的影响。使用该方法计算的负摩阻力与实测结果较为吻合,获得的下拉荷载能够达到安全与经济的效果,可供工程设计参考、借鉴。

非均质地基中V-T联合受荷桩承载力分析

为探讨非均质地基中V-T联合受荷桩的承载特性,考虑地面处桩周土体剪切模量为非零值且随深度呈幂函数分布,计入桩-土接触面处位移非协调性及加载顺序的影响,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立桩身位移控制方程,并引入相应力和位移边界条件,导出桩周土体在不同受力状态下桩身的内力位移解析解,进而推导出不同加载顺序下V-T联合受荷桩的承载力,从而得到其承载力包络图。V-T联合受荷桩参数分析结果表明:桩身承载力随长径比L/D增大而增大,而随桩侧土体剪切模量与极限摩阻力分布常数比n、桩土弹性模量比λ增大而减小;桩顶所受扭矩T不断增大时,其能承受的竖向力V随之变小并最终趋于零,且T→V承载力包络线始终处于V→T承载力包络线内侧。

群锚作用的受力浅析

通过对群锚作用下的作用机理、荷载传递进行分析,使用剪切位移—传递函数法进行荷载传递位移计算。

分层地基群桩沉降简化计算模型

针对群桩解析算法用于大型群桩非线性分析时计算量过大的问题,建立一种分层地基中的群桩沉降简化计算模型。该模型基于单桩荷载传递函数和两桩相互作用剪切位移函数,对桩侧阻力和桩端阻力进行简化,将单桩迭代算法改进后用于群桩计算分析。分析结果表明:计算模型可以较好地预测群桩荷载-沉降关系,以及不同位置桩基的内力与变形。采用单桩迭代分析代替群桩整体控制方程求解,避免对大规模群桩满秩矩阵进行求逆运算,有效提高了算法的计算效率。

材料局部性能检测系统

采用双孔微剪切法、传感器和MSP430F149单片机,快速方便地获得材料的屈服剪应力、最大剪应力的数据;并分析了材料局部强度的数据,其屈服应力平均值的分布趋势与硬度值基本相似。相比传统的材料检测方法,这种微创、简便、适用范围广的检测系统是材料性能检测研究的一种创新。在数据的处理方面,提出一种新的位移—时间曲线分析方法,较以往传统的分析方法更为准确、便捷。

Gibson地基中V-T联合受荷桩承载力分析

为探讨桩顶竖向力(V)和扭矩(T)共同作用时的桩身受力特性,于桩顶先作用V后施加T,视桩周土为Gibson地基,并考虑桩-土接触面上的位移非协调性,基于剪切位移法和桩身荷载传递函数建立出桩身位移控制方程,引入力和位移边界条件后,推导出桩周土处于不同受力阶段时的桩身内力位移解析解,由此求得不同V-T组合作用下的桩身承载力,进而获得桩身承载力包络图。进一步的参数分析表明,对于V-T联合受荷桩:保持桩身长径比m0不变,桩身承载力随桩长L的增加而变大,而L不变时,桩身承载力随m0增加而增加;随桩土刚度比λ、桩侧土体剪切模量和极限摩阻力分布常数比值n的增大,桩身承载力逐渐减小;随桩顶扭矩的增加,桩顶所能承受的竖向力不断减小,且减幅先快后慢,最终趋于零。

深厚软土区超长群桩有效桩长确定方法

将单桩有效桩长概念延伸至深厚软土区超长群桩基础中以确定其有效桩长。首先,引入剪切位移法推导得出群桩中各基桩桩侧摩阻力在桩周土中产生的位移场,并考虑因各桩的存在所引起的位移折减效应,建立了基于桩-桩相互作用的桩侧单位厚度土等效刚度系数表达式。在此基础上,基于荷载传递法建立了各基桩的荷载传递微分方程,并考虑超长桩的荷载传递特性,建立了群桩有效桩长与桩顶容许沉降量之间的关系式,从而得出基于沉降控制的深厚软土区超长群桩有效桩长计算方法,并通过算例验证了该方法的可行性。最后,基于该方法对影响深厚软土区超长群桩有效桩长的各主要设计参数进行了对比分析。结果表明:桩顶荷载、桩土相对刚度及桩径对群桩有效桩长的取值较为敏感,其中,群桩有效桩长随桩顶荷载、桩土相对刚度的增大而呈非线性增长,但随桩径的增大而减小;桩间距对群桩有效桩长的影响相对较小。

弯梁桥中V-T联合受荷桩承载力分析

为探讨弯梁桥中基桩在竖向力V和扭矩T共同作用下的受力特性,考虑土体剪切模量和桩侧极限摩阻力沿深度线性增加(Gibson地基),并计入加载路径和桩-土接触面位移非协调性的影响,基于桩身荷载传递函数和剪切位移法建立桩身位移控制方程,引入相应的力和位移边界条件后,导出桩周土处于不同受力状态时的桩身内力位移解析解,由此求得不同加载路径下V-T联合受荷桩的承载力,进而获得桩身承载力包络图。研究结果表明:对于V-T联合受荷桩,桩身承载力随长径比增加而增加,但随桩侧土体剪切模量与极限摩阻力分布常数之比和桩土刚度比的增大而逐渐减小;桩顶可承受的竖向力随扭矩增加不断减小而趋于0,且V→T承载力包络线始终处于T→V承载力包络线外侧。

均匀地基中的单桩竖向抗压刚度

本文基于单桩竖向受压性状分析的传递函数法和剪切位移法,推导了均匀地基中单桩竖向抗压刚度的解析表达式,说明均匀地基中单桩竖向抗压刚度是确定地基条件下单桩本身固有的力学性质,取决于桩身刚度与桩周土层的地基弹性参数,并以工程实例对比了单桩竖向抗压刚度理论值与静载试验实测值。分析了桩长、桩径、桩身材料模量、桩侧土弹性模量、泊松比及桩端地基的基床系数对单桩竖向抗压刚度的影响。讨论了不同地基弹性参数及单桩几何尺寸与材料时提高单桩竖向抗压刚度、减少单桩沉降的工程措施。