桩土界面荷载传递模型的改进及其数值实现

目前,在数值模拟中,桩土界面的刚度缺乏简便可靠的确定方法。针对这一问题,本文提出了桩土界面改进双曲线模型,该模型中初始刚度由极限剪应力和极限相对位移的比值来确定,可考虑桩土相对滑移和土体深度效应的影响,并以有限差分软件FLAC3D为平台,利用其内嵌的FISH汇编语言编程,将改进双曲线模型应用到FLAC3D的桩土相互作用的模型中。最后,通过实例验证,将本文方法的计算值、FLAC3D内嵌理想弹塑性模型的计算值与相关文献中的结果进行对比。结果表明:本文提出的改进双曲线模型及数值实现是合理的,能够更为合理地模拟桩土共同作用。

基于扰动理论修正的桩-土接触面荷载传递模型及其应用

利用硬化模型、双曲线模型、指数模型以及软化模型模拟的桩-土接触关系存在参数取值困难、误差大的问题。为深入研究土-结构接触面的强度与变形机理,基于扰动理论,假定完整状态接触单元的抗剪强度服从线弹性模型,而扰动部位则服从塑性模型,建立修正的桩-土接触面荷载传递模型。该模型参数分析表明,参数k、η对模型τ-s曲线形态影响大,而参数τf、ζ对模型τ-s曲线形态影响很小;并通过大型桩-土接触面室内直剪试验,量化接触面上剪切应力与剪切位移的关联性,进一步确定修正桩-土接触模型内部计算参数。结果表明模型τ-s曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性。扰动桩-土接触模型既能描述桩侧应变软化也能描述硬化特性,有助于理解复杂应力条件下桩-土接触面的强度计算与变形机理。

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。

改进的桩土界面荷载传递双曲线模型及其在单桩负摩阻力时间效应研究中的应用

桩土界面荷载传递模型对预测桩的承载变形性状有重要影响。本文在总结前人研究成果的基础上,改进了反应桩土界面荷载传递性状的双曲线模型。改进后的模型可以描述随着地基土的固结,桩侧土初始剪切刚度随时间增长及桩土界面的加载、卸载循环剪切特性。利用该模型分析了大面积堆载下,在桩顶作用大小不同的竖向荷载以及桩侧土达到不同固结度时再施加桩顶荷载情况下,桩身摩阻力的发展变化规律。研究结果表明:随着地基土的固结,桩身中性点位置处于一个变化过程中,桩顶作用的荷载大小不同,桩身中性点位置也不同;地基土固结一段时间后再打桩能减小桩侧负摩阻力。

不同桩-土界面摩擦系数对水平荷载下大直径单桩变形特性影响研究

为研究不同桩-土界面摩擦系数对水平荷载下大直径单桩变形特性的影响,根据现场试验及室内循环剪切试验结果,采用Abaqus软件及可考虑软土软化效应的本构模型进行数值模拟。结果表明:提高桩-土界面摩擦系数可在一定程度上减少桩顶位移,其减少程度与桩土相对位移呈正相关。桩-土界面摩擦系数变化区间为0.1~0.5,在水平静载作用下,桩-土界面摩擦系数对桩顶位移的影响随荷载的增大而增大,随桩径的增大而减小。水平循环荷载作用下,桩-土界面摩擦系数对桩顶位移及桩周土体软化程度的影响随荷载峰值、荷载频率、循环次数的增大而增大,桩顶位移减小值最大可达25.85%,桩周土体软化程度最大可达17%。

桩顶荷载及温度循环对黄土地基中能量桩承载性状影响研究

为对比分析未经过温度循环的普通桩与能量桩竖向承载变形性状,开展黄土地基中能量桩温度循环试验。模型桩为现浇钢筋混凝土灌注桩,黄土为人工配制重塑黄土。研究结果表明:温度循环弱化黄土地基中能量桩桩身侧阻、增强能量桩桩底端阻,温度循环过程中桩顶工作荷载越大,桩侧阻的弱化作用及桩端阻的增强作用越大,这导致能量桩的竖向抗压承载力比普通桩有明显的提高。另外,根据模型试验结果,通过数据拟合建立桩土界面摩阻力-桩土相对位移及桩端土反力-桩端沉降双曲线函数模型,并确定模型参数,其函数计算结果与试验结果对比表明本文模型能合理反映温度循环及桩顶工作荷载大小对桩基承载力的影响。研究结果可为黄土地区能量桩的安全设计提供一定参考。

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。

桩土界面荷载传递双曲线模型的改进及其应用

首先,在总结前人土–结构相互作用试验研究成果的基础上,改进反应桩土界面荷载传递性状的双曲线模型,改进后的模型能够描述随着地基土固结、桩侧土初始剪切刚度随时间增长以及桩土界面的分阶段加/卸载循环剪切特性。然后,利用改进模型对文献中的算例进行分析,计算结果与文献结果比较接近,验证了改进模型的合理性。最后,利用该模型分析大面积荷载下,在桩顶作用大小不同的竖向荷载以及桩侧土达到不同固结度时再打桩情况下,桩身摩阻力、中性点位置及桩承载力的发展变化规律。研究结果表明,桩身中性点位置、桩身负摩阻力随地基土的固结逐渐变化;在地基土固结过程中,桩承载力逐渐减小。该研究成果可为桩基工程设计提供有益的参考。

关于“改进的桩土界面荷载传递双曲线模型及其在单桩负摩阻力时间效应研究中的应用”的讨论

笔者近日有幸拜读了发表于《岩土工程学报》2007年第6期的“ 改进的桩土界面荷载传递双曲线模型及其在单桩负摩阻力时间效应研究中的应用”一文。笔者意欲在以下几点向原文作者请教和商讨。

对“改进的桩土界面荷载传递双曲线模型及其在单桩负摩阻力时间效应研究中的应用”讨论的答复

非常感谢孔纲强先生等对“改进的桩土界面荷载传递双曲线模型及其在单桩负摩阻力时间效应研究中的应用”（以下简称“原文”）的关注和讨论。现就讨论文中提出的问题进行答复,不妥之处,敬请批评指正。

循环荷载作用下单桩动力模型试验与桩土界面特性研究

通过开展红黏土中单桩轴向循环振动模型试验,研究不同循环荷载比和加载频率对桩长期动力特性的影响,从桩侧土剪切刚度和侧阻退化两方面出发,对循环荷载作用下桩顶累积沉降机制进行分析。在FLAC3D中,实现能够反映剪切刚度疲劳退化的修正Hardin-Drnevich(H-D)模型,并对常法向刚度(CNS)循环剪切下侧阻退化进行数值模拟。试验发现,循环荷载幅值是桩顶累积沉降变化的重要影响因素;桩顶动刚度在加载初期要先经历一个迅速降低的短暂过渡阶段,之后则不随振次的增加而改变;桩身振动在桩周土中引起的超孔压较小,有效应力的降低不足于使侧阻力发生较大程度的退化;随着加载速度的增大,桩顶动刚度和加速度均随之增大。采用修正H-D模型得到的理论滞回曲线与数值结果基本吻合,验证了程序编制的正确性。

不同土层对支盘桩荷载传递影响的模型试验研究

根据挤扩支盘桩的实际工作性状,设计了一个室内模型试验装置来研究支盘桩在不同土层中的荷载传递规律。试验表明,双盘桩中的两盘无论是设在同一种土层还是不同的土层中,盘底压力的增长与荷载的增加并不成线性关系,同时两盘承载力的发挥也不是同步的。当上下两盘处在不同土层时,两盘的荷载传递规律相差悬殊,处在同一土层时相对比较接近,但在桩达到极限承载力时,两盘并不能发挥相同的承载力。因此,在计算支盘的端阻时不能简单地把其最大承载力相加。另外,本试验还比较了3种不同土层情况下双盘桩的承载力和变形差异。

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。

桩土荷载传递的测试分析和模型研究

在滑动测微计测得３根桩的轴向应变的基础上，分析了桩的荷载传递性状。提出非线性弹簧片组合模型，对实测Ｐ－Ｓ曲线进行拟合．取得了较好的结果。

基于扰动状态概念的桩–土相互作用的新荷载渐进性传递模型

结合扰动状态理论(DSC),详细地分析了桩–土相互作用的荷载渐进性传递机制,提出基于DSC的荷载传递函数及其参数辨识方法。基于Matlab编程,重点分析了模型参数对τ-s曲线的影响规律。分析结果表明,参数η对桩土界面的强度特性的影响具有决定性作用,反映了桩土界面单元强度分布的集中程度,合理地选取参数η可以较好地描述桩–土界面的硬化、软化及弹塑性特性;参数ξ、τ-f对界面的强度特性影响较小,参数的改变只对最大侧摩阻力值产生影响,ξ、τ-f越大,侧阻力的极值也越大,但对τ_s曲线的线形几乎无影响;参数k对界面强度特性和τ-s曲线的线形都有一定的影响,k越大峰值强度越大,界面强度越高,达到侧摩阻力峰值所对应的界面位移越小。结合依托工程,理论模型计算结果与现场试桩实测值吻合较好,检验了该模型的正确与可靠性,对工程实际具有重要指导意义。

考虑桩土界面相对位移与界面外土体剪切变形抗拔桩荷载传递分析

传统理论分析方法在分析桩体荷载位移关系时,都存在各自不同的缺陷。剪切位移法假定桩土界面不产生相对滑移,荷载传递法的分析计算是基于一种表征桩侧摩阻力与桩体总位移关系的桩土荷载传递模型之上,但事实上桩侧摩阻力是由桩土界面相对滑移产生的。通过对抗拔桩变形模式进行分析发现,桩体总位移可以分为桩土界面相对位移与桩土界面外土体位移两部分。因此,通过建立一种表征桩侧摩阻力与桩土界面相对位移关系的桩土界面荷载传递模型,结合使用桩土界面荷载传递原理与剪切位移法对两部分位移量进行计算,从而得到了不同荷载作用下桩体总位移。通过与工程实例进行对比,证明了本方法的合理性。

柔性基础下等芯型水泥土复合桩荷载传递特性分析

为探讨柔性基础下等芯型水泥土复合桩的荷载传递规律,首先深入分析了它在竖向荷载作用时的受力变形模式,并基于试验研究成果,引入双指数函数型荷载传递模型刻画芯桩-水泥土界面的剪切软化过程,同时引入理想弹塑性荷载传递模型描述水泥土-土界面的剪切变形特性;然后将桩划分为若干个单元体,基于荷载传递法,建立了芯桩、水泥土桩、桩周土之间的荷载传递分析模型,导出了各部分单元体应力与变形计算递推公式;再采用迭代计算法,构建了芯桩、水泥土桩和桩周土的轴力、侧摩阻力以及界面相对位移的计算流程,从而提出了一种柔性基础下等芯型水泥土复合桩的荷载传递规律分析计算方法;最后,通过与现场试验结果和工程案例进行对比分析,验证了本文方法的可靠性,同时基于计算结果分析得到了柔性基础下等芯型水泥土复合桩的侧摩阻力和轴力分布规律.研究成果可为柔性基础下等芯型水泥土复合桩的工程设计提供参考.

膨胀土中桩的荷载传递模型试验研究

通过室内模型静载实验,研究和分析了不同荷载下的膨胀土地基中桩的荷载传递特点、桩侧摩阻力和桩端阻力的变化以及二者的荷载分担比例关系等。试验表明:膨胀土中桩的静载试验所得到的P-s曲线存在明显的拐点;桩身轴力随桩顶荷载的增加在桩身中部以上迅速递减,且桩身轴力增加与桩顶荷载增加几乎呈线性关系,桩中部以下几乎变化很小;该模型桩的荷载传递是以侧摩阻力为主的;桩侧摩阻力和桩端阻力均随桩顶荷载的增加也呈近似线性关系,但桩侧摩阻力和端阻力在荷载分担比方面存在一个极值。

能源桩与周围土体之间荷载传递模型的改进及其桩身承载特性研究

桩-土相互作用问题是岩土工程桩基础问题的关键点与难点,目前针对桩身在循环温度荷载与上覆结构荷载双重作用下的能源桩承载特性研究较少。在传统理想弹塑性模型及双曲线模型的基础上,采用分段非线性的方法对桩-土荷载传递骨干曲线进行了修正,并基于Masing’s循环准则,提出了适用于能源桩的桩-土荷载传递模型。利用改进的桩-土荷载传递模型对能源桩承载特性进行数值分析,着重研究了桩-土荷载传递参数比R对能源桩受力情况的影响。此外,为了探究在上覆结构荷载及循环温度荷载双重作用下,能源桩与周围土体之间的真实荷载传递关系及其结构热力学特性,开展了针对能源桩与周围土体之间相互作用问题的室内模型试验,监测了其桩身轴向应力及侧摩阻力随温度及深度变化的趋势,并与基于改进荷载传递模型的数值计算结果进行了对比。室内模型试验监测及数值计算结果显示:能源桩在上覆结构荷载及温度循环荷载双重作用下,其受力行为受改进的桩-土荷载传递循环曲线控制;基于改进的桩-土荷载传递循环曲线而建立的数值模型计算结果与试验结果基本吻合,改进的桩-土荷载传递模型能够较好发地反映能源桩实际的承载特性。