软基中多向受荷大直径单桩桩土相互作用试验研究

为了研究多向循环受荷大直径单桩的水平变形响应及桩土相互作用机理,开展多向受荷大直径单桩的1g大比尺模型试验,探讨不同竖向和水平循环荷载比下的桩侧受力及变形响应.试验结果表明,施加竖向循环荷载会增大桩身水平位移的发展速率;最大弯矩出现在2.0倍桩径深度处,随着循环次数的增大,桩身弯矩表现出减小的趋势;在循环荷载作用下,最大土抗力所在的位置随着循环次数的增大逐渐从1.5倍桩径深度处向2.0倍桩径深度处移动,循环土体抗力-桩身水平变形(p-y)曲线的退化主要发生在表层土体;施加竖向循环荷载会增大桩土界面的初始刚度,但同时也会加速桩土体系的刚度退化.建议在海上风电大直径单桩的设计中,特别注意竖向循环荷载对长期循环荷载作用下桩身位移及桩土相互作用的不利影响.

考虑土体强度参数随机场的横向加载管-土相互作用分析

输水管道受滑坡、地震、断层活动等影响将产生横向运动,埋地管道的管-土相互作用问题可归结于管-土接触界面的接触压力研究。基于Abaqus有限元模拟及其二次开发功能,通过土体强度参数随机场模拟土体非均质性,研究受横向荷载的埋地管道与土体之间相互作用,并对3种变异系数工况进行模拟;将模拟结果与均质土条件的确定性结果进行对比,对随机分析模拟结果进行参数分析及概率研究。研究表明:所提方法可以较好地模拟横向荷载条件下管-土相互作用;土体抗剪强度空间变异条件下的管-土结构承载力小于确定性分析结果,土体非均质性对横向荷载作用下浅埋管道破坏机制的影响表现为土体破坏沿强度薄弱的区域发展;土体不排水抗剪强度随机参数水平相关距离对管-土结构承载力影响显著;管道达预设位移时管-土结构承载力服从对数正态分布;考虑工程容许荷载设计,随着安全系数的增大,管-土结构失效概率显著减小,当安全系数取2.5时失效概率小于1%,达到工程可靠水平。

桩-土相互作用弹簧对倾斜液化场地-群桩-上部结构体系的影响

桩-土-上部结构体系的动力相互作用是一个复杂的过程,尤其是在倾斜液化侧向扩展流动(侧扩流)场地中,由于地震过程中场地产生地面永久大变形,桩土间有可能产生错动滑移与开裂等非线性反应,因此桩-土相互作用模拟至关重要。为了探究桩-土非线性接触对倾斜液化场地-群桩基础-上部结构体系动力响应的影响,本文基于OpenSees分别建立了考虑桩-土相互作用弹簧和桩土结点之间直接绑定的有限元数值模型。结果表明:考虑桩-土相互作用Pyliq弹簧时,土体加速度幅值略微降低,桩基对土体的约束明显变弱,土体残余位移增大。同时,具有Pyliq弹簧的模型能较好地模拟桩的曲率响应,而采用桩土结点直接绑定的模型高估了桩顶曲率,进而无法准确估计桩基抗弯最不利位置。桩-土相互作用弹簧对上部结构动力响应的影响较小。

钢板桩加固岸坡变形与桩土相互作用机理研究

针对航道开挖过程中护岸边坡板桩变形及桩土相互作用机制,通过选取典型断面进行现场试验的方法,对板桩结构位移、土压力及临近土体变形等关键物理量参数进行监测,并结合理论计算方法对板桩结构及后方岸坡土体稳定性进行了详细分析,探究了复杂地质条件下桩后土体变形与主动土压力的内在关联,得到了部分有益结论。板桩护岸后方边坡土体水平位移随开挖进行逐渐增加,边坡达到平衡状态时不同深度土体位移约为0.8~1 mm,板桩桩顶水平位移变化量约为1.2 mm。航道开挖过程中板桩主动侧土压力随开挖的进行逐渐减小,不同埋深位置桩侧土压力减小值约为1 kPa,与理论计算结果比较发现现场试验结果均较小,说明上述理论计算方法对于本试验结构形式而言土压力计算略偏保守。

考虑不同桩-土相互作用模型的海上升压站抗震性能分析

由于海上升压站上部平台设有许多大质量专业设备,使其呈现“头重脚轻”的特征,直接借鉴传统海洋平台的设计方法难以准确评价海上升压站结构的承载能力与变形能力,其中桩-土相互作用对于地震作用下的结构动力响应分析的影响尤为显著。以国内某位于地震高烈度区的海上升压站为对象,分别基于等效线性桩长法、API规范p-y曲线法、修正p-y曲线法建立3种不同考虑桩-土相互作用的计算模型,对比中震作用下结构的抗震性能。结果表明,基于3种模型校核该海上升压站结构均符合抗震设防要求;海上升压站结构受竖向地震作用影响较明显;在砂土层占比较高的地基条件下,使用修正p-y曲线方法可以更合理地模拟桩-土相互作用。

钢渣混凝土桩土相互作用机理试验研究

通过设计桩土相互作用可视化试验装置,模拟钢渣混凝土桩加固吹填土地基,对桩周土体的水分含量、孔压值以及桩体对土体的扰动情况进行监测分析,并利用宏观、细观和微观相结合的试验手段,深入研究桩土间产生的物理化学反应及其产物。试验结果表明,桩体具有膨胀挤密土体的作用;桩体能够加快土体的排水减压过程;桩土间产生的物理化学反应及其产物对地基稳定性有着正向加强作用。

考虑桩-土相互作用的深水桥墩地震响应分析

深水桥梁往往为桩基础形式,其地震作用下桩-土相互作用效应显著,掌握桩-土相互作用对深水桥墩地震响应的影响,有助于指导深水桥梁结构的抗震设计。该文通过附加质量方法考虑动水压力作用,采用精细化模型模拟桩-土相互作用,引入动力松弛技术完成初始地应力平衡,建立了考虑桩-土相互作用的深水桥墩地震响应数值模拟方法,并通过离心机振动台试验验证了其正确性。利用已验证的数值模拟方法分析了不同地震强度和不同场地土体强度对深水桥墩地震响应的影响,结果表明:随着场地土体强度提高,桥墩的地震位移响应减小,水体的存在不会改变此规律;软弱土场地的动水压力对桥墩和桩基的地震响应影响较小,最大影响程度在10%左右;中硬土场地的动水压力明显增大桥墩和桩基的地震响应,且地震强度越大,增大效应越明显,因此强震作用下处于硬土场地的动水压力作用在桥梁结构抗震设计中必须予以考虑。

桩土相互作用对桥轨系统近场脉冲地震响应的影响分析

为研究桩土相互作用(PSI)对高速铁路桥梁-无砟轨道系统近场脉冲型地震响应的影响,采用ANSYS软件建立了该桥轨系统有限元模型,从系统自振特性、系统各层结构及层间关键构件震后残余位移和震时包络位移三个方面,分析PSI对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:考虑PSI会使高速铁路桥梁-无砟轨道系统的自振周期延长;考虑与不考虑PSI,主梁、底座板、轨道板及钢轨各层结构震后残余变形和震时峰值包络变形均存在差异,沿着里程方向,简支梁、连续梁桥上轨道各层结构震后残余变形和震时峰值包络变形交错变化;PSI对扣件、砂浆层、滑动层及侧向挡块等关键构件的影响较为明显,其中对刚度较小的关键构件的影响尤为显著。抗震验算时,应重点关注PSI对桥梁-无砟轨道系统层间关键构件的影响。

某曲线梁桥桩土相互作用对抗震性能影响的分析

为了深入研究桩土相互作用对曲线梁桥抗震性能的影响,以一座三跨预应力混凝土曲线箱梁桥工程为例,进行了曲线梁桥-桩土相互作用模型的构建及抗震性能分析,同时还设置了不考虑桩土相互作用的工况1和考虑桩土相互作用的工况2进行对比分析。结果表明,考虑桩土相互作用后,桥梁结构的自振周期明显延长,振动型式发生改变,位移响应增加,内力响应降低。因此,在桥梁抗震设计中应充分考虑桩土相互作用的影响,以确保桥梁结构的抗震性能。

密砂中刚性管-土相互作用的多尺度模拟

实际工程中,埋地管道和周围土体间的相对运动会对其结构完整性和服役性能产生重大不利影响。目前学者对竖直向下运动的管-土作用研究很少。为加深对管道相对土体向下运动时管土相互作用问题的理解,文中基于耦合有限元法和离散元法的多尺度方法,研究了刚性管道相对于砂土发生竖直向下运动时的土体力学响应和破坏模式。分析结果表明,土体承载力和破坏模式受管道埋深影响明显,当管道埋深较浅时,土体表现出整体破坏特征,而当埋深较深时,则出现局部破坏现象。研究结论可为工程中评估穿越地质灾害地区埋地刚性管道的服役性能提供借鉴意义。

水平荷载作用下刚性桩桩土相互作用弱化规律和分布模式研究

目前,海上风力发电在中国发展非常迅速,“十四五”规划中我国海上风力发电装机容量将达到50 GW。超大直径单桩基础是当前全球海上风电场应用最为广泛的基础形式之一,占已建成海上风电场基础的75%。目前水平荷载对桩基竖向承载力的影响鲜有研究,桩周土压力水平是影响桩基竖向侧摩阻力的关键因素之一。为研究海上风电超大直径单桩基础水平承载特性,针对粉土中的刚性桩,开展了1 g模型试验,观察和分析水平荷载作用下的桩土相互作用弱化和沿桩身的分布规律,建立桩周土压力-变形弱化表达式,提出水平受荷后桩周土压力变化分布模式。结果表明:水平循环荷载作用下,随着循环次数的增加,主动区土压力逐渐降低,被动区土压力稍有增加;桩身发生水平变形后,主动区土压力变化可分为3个阶段,即急剧下降段、缓慢下降段和稳定阶段;桩身变形后,桩周土压力可沿桩身分为脱开区、弱化区、稳定区3个区域。

基于温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土相互作用拟静力试验研究

由于环境温度使主梁发生胀缩变形,导致整体桥桥台水平往复运动及桥台-土、桩基-土的相互作用。本文以某整体桥为工程背景,开展基于昼夜温度、季节性温度变形效应的整体式桥台-H型钢桩-土体系的低周往复位移荷载拟静力试验,分析试件的滞回性能、骨架曲线、桥台转角等变化规律。试验结果表明:试件全年滞回曲线可视为季节性温度作用、昼夜温度作用的滞回曲线叠加。从季节性温度作用来看,受春夏季升温影响,MTS水平力先快速增大,随后持续升温,水平力增速放缓;受夏秋季、秋冬季连续降温的影响,水平力先急剧减小,而随后持续降温,水平力降低减缓;受冬春季升温影响,水平力先急剧增加后增速放缓,其增速与第一次春夏季升温时相似,但由于台后土发生累积效应,产生的水平力更大。从昼夜温度作用来看,当环境温度较高时(夏季),夜晚降温对体系相互作用的影响大于白天升温时的影响;当环境温度较低时(冬季),白天升温对体系相互作用的影响大于夜晚降温时的影响。从骨架曲线来看,受中长期环境温度影响,整体式桥台-桩-土体系相互作用中存在由非线性向线性不断转化的过程。在加载初期,桥台转角与加载位移变化规律基本一致,随着环境温度变化,两者逐渐偏离,特别是在次年的第一季度,两者已产生较为明显的正方向偏移。

考虑土体弹性半空间的水-桩-土相互作用系统在SV波作用下的解析解

近海结构单桩基础所在海洋环境复杂,地震作用下近海桩基础结构工程可能遭受严重的破坏。针对桩基础结构在地震作用下的动力响应问题,建立了一种地震作用下考虑土体弹性半空间的水-桩-土相互作用系统简化解析解;首先,桩体假设为黏弹性材料,可在水-桩-土相互作用系统中分为多个桩段,土体和水体分别假设为线黏弹性介质和声学介质;然后,基于亥姆霍兹分解、分离变量法和水-桩-土连续性条件,得到了整个桩体的位移表达式;之后,把解析解退化为两种情况,分别与无水有土情况下的子结构方法以及有土有水情况下的刚性解析解方法进行了对比,从而验证弹性解析解的合理性;最后,通过使用本弹性解析解进行了一些参数分析,以此研究水体、土体和桩体3种参数对桩体位移动力响应的影响,研究结果对海上桩基设计有一定的参考价值。

桩⁃土相互作用下的桥梁高墩地震易损性复合参数分析

为更准确地预估桥梁高墩在地震作用下的损伤情况以及桩‑土相互作用对高墩地震易损性的影响,以考虑高阶振型贡献的复合参数作为地震动强度参数,以综合位移延性比和弹塑性耗能差率的复合指标作为高墩的损伤指标,建立了墩柱、承台及桩‑土结构体系模型,基于增量动力分析方法对上述体系进行非线性动力时程分析,绘制基于复合指标的桩‑土相互作用下的桥梁高墩地震易损性曲线。结果表明:以所选复合参数作为指标进行地震易损性分析,可有效评估高墩抗震性能和损伤状态;考虑桩‑土相互作用可更准确捕捉地震作用下结构损伤概率变化情况;桩‑土相互作用对较强地震动作用更为敏感。可为较高烈度地区的高墩桥梁抗震设计施工提供参考。

考虑桩-土相互作用的高架桥抗震性能研究

以一座主跨跨径50 m的典型三跨高架桥为例建立有限元模型,利用ANSYS的二次开发平台APDL进行时程分析,研究墩底固结与桩-土相互作用下桥梁的地震响应。结果表明,考虑桩-土相互作用后,结构的自振频率明显降低,基频降低50%,关键截面的位移和内力变化显著,位移最大变化量接近500%,梁的内力最大相对增幅约45%,在高架桥抗震设计时需考虑桩-土相互作用。

预应力UHPC/RC阶梯桩-土相互作用的拟静力试验研究及数值分析

整体式无缝桥中的混凝土基桩侧向刚度过大,难以满足桥梁的纵向变形,提出一种UHPC/RC材料串联形成的阶梯桩来满足整体桥纵向变形需求。设计制作了2根UHPC/RC阶梯桩模型(无、有预应力),并对其进行水平低周往复荷载试验,通过桩身破坏特点、滞回曲线、骨架曲线、等效黏滞阻尼比、刚度退化等研究其耗能能力及抗震性能。结果表明:无预应力阶梯桩的破坏位置在3倍桩径的埋深位置,桩身开裂时桩顶的位移荷载为8~10 mm;有预应力阶梯桩的破坏位置在6倍桩径的埋深位置,桩身开裂时桩顶的位移荷载为10~15 mm。说明预应力的施加能有效提高阶梯桩抗裂能力及抗震性能,并满足整体桥水平变形需求。采用OpenSees软件对阶梯桩支承的整体桥进行参数分析发现,预应力度、桩上下段长度比与刚度比增大均可提高阶梯桩的水平承载力与变形能力。

基于PIV技术的水平桩土相互作用试验研究

桩基属于隐蔽性工程,桩土变形难以用常规手段直接进行观测。为从可视化角度研究桩身刚度特性和土体密实度对水平桩土相互作用的影响,在砂土中开展了系列水平受荷桩模型试验,基于粒子图像测速(PIV)技术,揭示了桩身变形特性和桩周土水平应变分布与发展规律。结果表明:桩身变形特性与桩土相对刚度密切相关,即桩身变形特性取决于桩身自身和土体特性;随着桩顶水平荷载的增大,桩前被动区土体的变形均由近及远、由浅层向深层逐渐发展,且该区域土层对桩身水平变形的影响占主导地位。因此,为增强桩基的水平承载特性,特别需要加强中上层桩前土体的强度和抗变形能力。

搅拌桩复合地基桩土相互作用及变形特性数值仿真

水泥搅拌桩复合地基可以有效地解决地基承载力不足的问题,在市政工程中的使用日益广泛。目前,针对水泥搅拌桩复合地基的研究还未广泛开展,其承载机理和受力特性有待阐释。通过数值模拟的方法研究模拟单桩荷载传递规律,并基于对不同工况的模拟数据,阐释搅拌桩复合地基的变形特性。结果表明:水泥搅拌桩的单桩承载力要考虑其桩长和桩土界面摩擦角;桩长不足时考虑增加搅拌桩处理范围或者联合其他地基处理方法,以减小沉降。

桥梁桩土相互作用的集中质量模型及参数确定

桩土相互作用是桥梁抗震研究中的难点 ,计算模型的选用和参数确定直接影响计算结果的精度 .为此 ,提出一种改进Penzien模型及其参数的确定方法 ,并以此模型采用动力反应时程方法对国外某桥进行了实例计算分析 。

寒旱环境灌木植物根–土相互作用及其护坡力学效应

通过在试验区将4种护坡灌木植物种植在PVC管内,分别对土体、4种灌木根–土复合体试样做直接剪切试验,对比非含根土体与4种灌木含根系土体抗剪强度指标,评价试验区生长时间为1 a灌木根系的护坡力学效应;通过对比4种灌木根–土复合体抗剪强度,评价生长时间为1 a的4种灌木根–土复合体的护坡力学强度增强效应。试验结果表明:(1)4种灌木根–土复合体当其含根量、含水量一定时,抗剪强度随垂直压力的增大而呈线性增大,表明试验区灌木根–土复合体抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;(2)4种灌木根–土复合体的黏聚力显著大于素土的黏聚力,而内摩擦角?的变化不显著;(3)四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺灌木根–土复合体的黏聚力与素土相比,其增长幅度分别是76.3%,62.7%,45.8%,22.0%。试验区灌木根–土复合体剪应力与剪切位移关系反映出灌木根–土复合体受剪力作用开始段近似线性,接近剪破时呈圆滑曲线,达到剪破后近似为水平线,灌木根–土复合体剪应力随着垂直压力的增大而呈显著增加趋势;剪应力的增大开始阶段基本呈线性,接近剪破时呈非线性。根据试验区4种灌木植物根–土复合体强度,它们的护坡贡献按由大至小分别是:四翅滨藜、柠条锦鸡儿、霸王、白刺。