深厚软基复合地基中桩与桩间土的协同作用初探

针对目前在深厚软基处理中十分常用的复合地基,对其桩和桩间土之间的协同作用进行深入分析,提出使两者达到良好协同需要满足的条件及要求,旨在为实际的复合地基施工提供可靠的技术参考,使复合地基发挥出应有的作用效果。

考虑竖向荷载作用时液化土中群桩基础水平动力响应

基于Biot饱和多孔介质理论,考虑液化土的流动特性,建立考虑竖向荷载作用的部分埋入群桩水平振动模型,通过分离变量法、算子分解法,引入桩土耦合及位移连续条件,得到复杂条件下液化土中高桩桩间相互作用因子解和群桩水平动阻抗解.通过参数分析,表明液化土特性和竖向荷载对桩间水平相互作用因子、群桩动阻抗有显著影响,指出同一频率下,群桩水平动刚度随着表层液化土厚度的增加而下降,当液化厚度较大时,动刚度随频率上升显著下降,并出现负刚度;桩顶竖向荷载会降低液化土中的群桩动刚度,液化土厚度越大,削弱效果越明显.

考虑桩-土相互作用的超大型单桩式海上风机结构地震响应

为了解决桩-土相互作用对超大型单桩式海上风机结构地震响应影响的问题,基于IEA 15 MW的固定式单桩海上风机原型,使用Abaqus建立考虑桩-土相互作用与泥面固定2种风机结构模型,桩-土相互作用通过一组非线性弹簧模拟。考虑风-波浪与地震联合作用,分析桩-土相互作用对超大型固定式单桩海上风机结构动力响应的影响。结果表明:针对超大型海上风机,桩-土相互作用效应使风机支撑结构的特征频率降低3%~6%;考虑桩-土相互作用的大兆瓦风机动力响应远大于泥面固定风机模型的动力响应;海上风机尺寸越大,桩-土相互作用引起的海上风机结构动力响应偏差越显著。

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.

桩土作用模拟方法对防撞桩动力响应特性的影响研究

文中建立了2 000 t级船舶与单桩碰撞的有限元模型,通过提取桩顶位移时程曲线及撞击力时程曲线,探讨了采用固定端约束模型、桩土面面接触模型两种不同桩土作用模拟方法对于船-防撞桩碰撞结果的影响.结果表明:船舶与防撞桩的碰撞过程经历了四个阶段,当桩土作用采用固定端约束模型时,响应特性受桩长影响较大,在一定条件下可用于等效模拟船桥碰撞、采用桩土面面接触模型能更加真实地反映桩土之间相互作用,桩埋深、船舶初始速度对桩动力响应具有较大的影响.

桩-土-结构动力相互作用影响因素分析

为了研究桩-土-结构动力相互作用机理,分析其影响因素,采用振动台试验和数值模拟分析相结合的方法,对不同上部结构质量、不同输入波频率和加速度峰值输入下的桩-土-结构体系的水平动力反应规律进行了分析和讨论。试验地基土体模型为中硬土,剪切波速约为213 m/s;群桩基础由5根长1.35 m、直径0.1 m的基桩“十”字型布置;上部结构模型采用质量块模拟。研究结果表明:桩身的弯矩与剪力在桩-承台连接处最大,并且随深度增加而减小;随着上部结构质量的增加,土体与桩基的加速度反应增大,桩身的弯矩与剪力也增大;随着输入正弦波幅值和频率的增大,桩-土运动相互作用变大,桩身弯矩与剪力变大;最后比较各种影响因素引起的反应发现,上部结构质量的变化对桩-土-结构体系动力相互作用的影响最大,幅值的影响次之,频率的影响最小。

成层土中考虑桩侧土竖向作用的螺纹桩动力响应

螺纹桩与桩侧土的作用相对复杂,为研究竖向荷载作用下螺纹桩的振动特性,从桩侧土的三维波动出发,考虑土体的成层特性和桩侧土的竖向作用,对滞回阻尼地基中螺纹桩纵向振动特性进行研究。基于三维波动理论建立桩侧土波动方程,采用Laplace变换和修正阻抗函数传递法得到桩土完全耦合条件下的螺纹桩振动响应解。将理论计算结果与现场实测曲线进行对比,证明螺纹桩-土相互作用模型的合理性。结果表明:相比桩侧土为均质体的假定,考虑土体的成层特性可以充分考虑应力波在分层界面的反射和折射现象,更符合实际情况;在有效桩长范围内,随着桩长的增加,桩侧土对螺纹桩的侧摩阻力越大,阻尼效应越明显;螺纹桩螺牙的存在对桩体具有一定的减振效应,且随着螺牙外径的增加,桩顶复刚度曲线的振幅水平和共振频率均显著减小。理论模型能较好地模拟螺纹桩与成层土的相互作用机理,为螺纹桩的应用提供理论支撑。

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。

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。

地震作用下桩-土-核电结构相互作用的异步分析方法

为拓展核电厂的选址范围,有必要对非基岩场地桩基情形的核电结构进行地震安全性评估。在目前的桩-土-结构相互作用分析方法中,Winkler地基梁模型以及p-y法都将桩-土-结构相互作用问题进行了简化,难以反映复杂地基情形。整体有限元法可考虑复杂地基情形,但计算量较大,效率较低。本文基于高效的三维时域土-结构相互作用分区分析(Partitioned Analysis of Soil-Structure Interaction,PASSI)方法,实现桩基与土体分别采用不同时间步距的计算方法,避免土体采用桩基相对较小的时间步距而增加不必要的计算量。本文以AP1000核岛结构作为研究对象,建立了桩-土-核电结构相互作用的三维有限元模型并对其进行分析。通过输入脉冲波验证了该异步算法的有效性,并结合运动相互作用和惯性相互作用,分析了桩身最大剪力和最大弯矩的特点。分析了桩-土-核电结构在地震波输入下的响应。由于桩的自由度数相对于土体的自由度数可以忽略不计,采用桩-土异步算法时,桩附加的计算量可以忽略,这种高效方法有望用于大型核电结构的桩-土-结构动力相互作用分析中。

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。

桩基尺寸对砂土中水平受荷桩-土作用力的影响

p-y曲线法在水平受荷桩的设计中得到了广泛应用,然而近年来在海上风机超大直径单桩基础设计中受到了学术界和工程界的质疑,当前研究表明,桩基尺寸是产生这一问题的主要原因。本文通过三维数值仿真技术,研究了砂土地基中水平受荷桩-土作用特征的演变规律,探讨了当前超大直径单桩设计方法存在的主要问题及产生的原因。计算结果显示:超大直径单桩基础因其桩径大、长径比(入土长度与直径的比)小的尺寸特征,在水平荷载作用下桩土作用具有明显的三维空间效应,即除受水平向土反力外,还受到桩端水平向的摩擦力、沿桩身不均匀摩阻力产生的抵抗力矩及桩底不均匀土反力提供的抵抗力矩;进一步研究表明,后三类抗力对桩基水平承载力的贡献占比与桩基尺寸有关,即桩基直径越大、长径比越小,这些抗力的贡献越大。因此,在水平受荷超大直径单桩承载特性计算与分析的过程中,除当前水平向p-y弹簧提供的抗力外,还应考虑桩底的水平剪力、桩身摩擦力和桩底反力不平衡产生的抵抗力矩。

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。

基于离心机实验的海上风力机大直径单桩桩土作用研究

地基基础是海上风电结构所受载荷的最终承载者,针对中国沿海软弱超固结软土地基开展力学特性研究。通过离心模型试验方法对单桩基础形式的静力特性进行分析和对比。研究结果揭示通过离心模型试验模拟桩基础的有效性,该方法能准确捕捉现场地基的应力分布及桩与土体之间的相互作用特性。在软黏土环境中,针对不同直径的单桩进行的分析表明,其变形行为及桩土相互作用机制呈现出显著的差异性。规范中的p-y曲线不适用于中国近海土质,据试验结果提出地基无量纲水平抗力系数随埋深变化和与循环应力幅值相关的循环弱化因子计算模型。

地震作用下考虑桩-土-结构相互作用的冲沙闸响应分析

为了研究地震作用下桩-土相互作用对冲沙闸结构的应变响应规律的影响,验证冲沙闸抗震验算中考虑桩-土相互作用的必要性,开发合理高效的桩-土-结构相互作用的计算模型,采用3种方案对冲沙闸结构进行抗震验算,并对3种仿真方案下结构关键部位的配筋量进行了计算。结果表明,相较于土弹簧法,地基刚度法将导致结构水平向位移及最大第一主应力被高估,垂直向位移则被低估,完全固结法的水平向及垂直向位移均小于土弹簧法,但最大第一主应力大于土弹簧法;不考虑桩-土-结构相对作用时,结构的基底应力将被高估,同时冲沙闸关键部位的配筋量将被极大高估,地基刚度法甚至无法为灌注桩进行配筋。综上所述,冲沙闸抗震验算中考虑桩-土结构相互作用很有必要,土弹簧法可以有效考虑桩-土-结构相互作用。

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。

基于透明土的不同间、排距抗滑桩边坡滑移特征

为探讨不同间、排距抗滑桩支护下边坡的滑移规律和特征,采用透明土模型试验并结合粒子图像测速技术,进行不同间、排距抗滑桩加固下边坡透明土试验,以探讨坡顶受荷下抗滑桩边坡土体的整体移动规律和滑移破坏特征。通过不同间、排距抗滑桩加固边坡土体的位移矢量图、位移等值线图以及荷载-位移曲线特征分析。结果表明:抗滑桩边坡的滑移过程可分为稳定、匀速和加速变形3个阶段,边坡极限承载力随桩间、排距的减小有所增大;抗滑桩加固边坡的滑动层深度随桩间、排距的扩大而加深,间、排距为3 b时,出现坡面浅层和桩身中部位置的两个深浅不一的滑动面,表现为越顶剪切和桩土体系共同倾覆破坏。基于研究结论,对边坡防护提出以下建议:对于重要边坡防护工程,方形抗滑桩间、排距不宜超过桩截面边长的3倍和4倍,对于承载力要求不高的边坡工程,可适当增加桩间、排距以减小施工成本。

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。