分层介质中桩端刺入的室内模型试验及颗粒流数值模拟

利用自行设计的可视化模型试验装置,进行分层介质中桩端刺入的宏细观试验,研究上覆软弱夹层对桩端刺入过程中桩端砂土变形的影响。试验表明,分层介质中桩端刺入存在端阻临界埋深,侧阻渐变趋势不同使得分层介质中达到极限端阻所需刺入深度小于纯砂介质。分层介质在细观上表现出桩端颗粒定向性的不同的演化规律。利用开发的三维非圆颗粒模块,对分层介质中桩端刺入的室内试验进行颗粒流数值模拟,数值模拟结果与室内试验具有良好的一致性。研究成果为进一步揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏细观演化机制打下基础。

基于三维离散-连续耦合方法的分层介质中桩端刺入数值模拟

使用离散-连续耦合的方法模拟分层介质中桩端的刺入过程,即在桩端刺入影响较大的区域采用离散元模拟,在离桩较远的区域采用连续单元模拟,开发FLAC3D和PFC3D的结合模块,通过交界处离散颗粒与连续单元的相互接触位移作用实现耦合。通过与有关的数值模拟和离心机试验比较可知,离散-连续耦合方法能高效且合理地模拟分层介质中桩端的刺入过程。研究表明分层介质中桩端刺入存在桩端阻力极限值,上覆软弱层对极限桩端阻的大小的影响效果不明显,但上覆软弱层的存在使得分层介质中桩端阻力达到极限值所需刺入深度远小于纯砂中。综合分析桩端土体宏细观参数的变化规律可得:(1)与桩端接触的土体被逐渐压密,与桩端连成整体,颗粒基本不旋转,以竖向位移为主;(2)与桩侧接触的土体颗粒,沿刺入方向发生滑动,颗粒基本不旋转,以竖向位移为主;(3)稍远区域的颗粒受剪胀作用影响剧烈旋转,以斜向下挤扩运动为主。

考虑桩端刺入沉降的桩土自平衡式复合地基设计

复合地基的本质是增强体与地基土通过变形协调共同承担上覆荷载。褥垫层的设置起到了协调桩土变形的作用,但褥垫层工作性状及变形特性尚不明确,其厚度设计仍然参考规范依靠经验判断,往往不能充分发挥地基土的承载作用。目前复合地基设计通常采用褥垫层调节桩土变形,而忽略了桩端刺入沉降协调桩土变形来发挥地基土的承载作用,为了利用桩端刺入沉降协调桩土变形,充分发挥桩间土承载的作用,减薄褥垫层或不设褥垫层并减小设计桩长,以期降低地基处理费用,实现桩土共同承担荷载的目的,建立了通过控制桩端刺入沉降协调桩土变形的自平衡式复合地基设计方法。通过与褥垫层方法对比以及工程实例计算,结果表明,该方法可更好地发挥桩土承载作用,为复合地基优化设计提供参考。

不同刺入深度下桩端受力模型试验及数值模拟

通过自行设计的可视化模型试验,采用高清相机、显微数码及图像分析等技术,对纯砂中桩端埋入持力层不同深度的桩端刺入试验进行宏、细观研究.对随桩端刺入深度不同而产生相应的桩端刺入的受力、砂土的位移场和应变场及其细观机理进行分析研究.通过开发三维非圆颗粒,重点对纯砂中桩端刺入的室内试验进行PFC软件三轴数值模拟,将土体细观参数变化与宏观力学响应相联系,揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观演化机理.指出端阻力的发挥在细观上主要表现为桩端附近颗粒接触力的变化:桩端下部颗粒的压密范围、桩脚附近土体孔隙率和接触数变化趋势是端阻随埋深而变化的主要因素;达到极限端阻后,承载力的略微增加在细观上主要表现为持力层中桩侧颗粒孔隙率减小、接触力增大.

桩端刺入的离心机试验研究

采用可视化模型箱,进行桩端刺入离心模型试验。考虑纯砂土、分层介质两种土体情况,研究上覆软弱夹层对桩端刺入的桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状及阻力随沉降的发展模式的影响。试验表明:分层介质中达到极限桩端阻力所需的桩端刺入量约为纯砂土中的一半,且当桩土相对位移很小时,桩端附近的土体的横向位移和沿深部方向的影响范围基本形成,桩端砂土有比较明显的椭球孔形扩张态势。

地下水位上升和降雨对桩-网软弱地基变形特性影响研究

基于非饱和土力学理论,结合Bishop非饱和土强度公式,研究路基在地下水水位上升和不同降雨时长条件下变形特性,利用Midas GTS有限元软件,以某路基为例进行研究。结果表明:堆载预压情况下路基垫层顶部沉降小,垫层底部沉降大,地基易产生空洞现象,并随水位降低,加剧空洞效应;土工格栅兜提效应减少沉降12%左右;地下水位变化对路基总体沉降影响较小;降雨初期桩网地基表面会发生大幅度沉降,3 h路基表面沉降可占降雨影响总沉降的70%,3 h降雨桩端刺入量可达到稳定刺入量的84%,24 h是路基表面沉降与桩端刺入量速率明显分界点。

基坑降水施工引起高速铁路复合地基沉降的计算分析

基坑降水施工会引起邻近地基及建筑物的沉降变形。为保证施工安全,基于桩端刺入量理论计算分析法和现场试验监测,对高速铁路枢纽宽大站场内基坑降水施工引起的复合地基沉降量进行计算分析。分析结果表明:桩端刺入量理论分析法计算得到的沉降量较实际值偏大,需引入地基沉降系数进行修正,经修正后计算得到的地基沉降值与现场监测值基本吻合,两者相差平均值为4.2 mm,可在工程实际中借鉴运用。