温度影响下能量桩-土接触面剪切特性试验研究

能量桩工作过程中,桩体受温度变化影响会产生热变形,进而引起桩周土体的循环剪切作用,弱化地基承载力,给桩基的正常使用带来风险。由于传统直剪仪无法模拟能量桩工作过程中的温度变化,因此对桩-土接触面力学特性受温度影响的变化规律研究较少。对传统直剪仪进行改造,使其可以改变剪切试样温度;所用土体从重庆某施工现场取样,开展不同温度变化下桩-土接触面的室内土工直剪试验,分析单次温度变化和循环温度变化对桩-土接触面力学性能的影响,并对温度影响下桩-土接触面力学特性与土体力学特性的差异进行比较。结果表明,能量桩-土接触面的抗剪强度受温度影响较大;随着温度的升高,能量桩-土界面摩擦角和黏聚力先减小后增大;低法向应力下温度循环对桩-土接触面力学特性影响较大,而高法向应力下温度循环对桩-土接触面力学特性影响不显著;土体的抗剪强度、黏聚力和摩擦角随温度变化规律与桩-土界面类似。

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。

温控桩-土接触面三轴试验系统研制与验证

为探讨温度对桩-土接触面力学性质的影响,自主研制了一套温控桩-土接触面三轴试验仪。基于常规土工三轴仪压力腔,搭建桩-土接触面构件,分别增设桩体和土体温度控制系统,实现非等温条件下桩-土接触面热力耦合特性测试。开展了不同类型、温度荷载等级下桩-砂土接触面热-力耦合特性三轴试验,实测了桩体与土体温度控制精度、桩-土接触面剪切应力、不排水条件下的孔隙水压力以及排水条件下的体积变化等规律,初步验证了试验系统的可靠性和准确性。该试验系统结构简单、拆装方便,可实现温控桩-土接触面三轴试验与常规/温控三轴试验的自由切换。相关研究成果将为桩-土接触面热-力耦合机制与本构模型的建立提供技术支撑。

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题,以某桥梁工程为背景,通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性,建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型,分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态,探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明:在强震作用下,桩-土间会产生较强的接触非线性,在本文模型中,这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移;考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。

桩-土接触面静动力特性研究进展

寻求合适的方法对接触面的微观变形机理展开深入和系统的研究,阐明桩-土接触面力学特性的本质;开展特殊土与桩接触界面的静动力特性研究,提高桩基在复杂地质条件下的可靠度。简要回顾了国内外有关桩-土接触面静动力学特性的研究进展,阐述了桩-土接触面在静力和动力试验、接触面本构模型、接触面单元以及桩-土接触模型试验和现场试验中所取得的成果,并分析了以上研究中存在的问题与不足,对有效把握桩基承载性能及类似工程的研究具有重要的意义。

竖向受荷桩的桩-土接触面简化模型

将桩-土接触面由一个理想弹塑性的切向弹簧简化为一层薄壁单元,通过理论分析的方法,在Desai薄层单元法的基础上进行改进,考虑桩径与薄壁单元厚度对单元参数的影响,给出一种弹簧切向刚度与薄壁单元剪切刚度的换算式。数值模拟结果表明,该模型在薄壁单元厚度和桩径在一定范围内变化时模拟结果稳定,其竖向位移分布规律与接触面弹簧模拟结果非常相似;通过改变薄壁单元的强度参数,可以模拟桩-土接触面的强度性质,从而能够较合理地预测桩-土接触面在竖向荷载作用下的变形性状。

能量桩桩-土接触面力学特性室内试验研究

基于地源热泵桩埋管形式的能量桩技术逐渐在工程中得到推广应用;但是,针对冷热交换影响下能量桩的承载力特性研究相对较少,尤其针对能量桩-土接触面的摩擦力学特性研究相对更少。基于室内土工试验和南京地区3种具有代表性的典型土样,针对能量桩-黏土、能量桩-粉土和能量桩-砂土接触面的摩擦力学特性进行室内土工直剪试验;着重分析不同桩体温度和桩周土体含水率等情况下能量桩-土接触面力学特性。研究结果表明,相同含水率情况下,能量桩-黏土接触面的温度效应最明显、能量桩-粉土接触面的温度效应次之、能量桩-砂土接触面的温度效应最小;相同桩体温度情况下,桩周土体含水率的大小对能量桩-黏土接触面力学特性的影响最明显、对能量桩-砂土接触面力学特性的影响最小;相关研究成果为能量桩承载力的设计与计算提供一定的参考依据。

不同桩侧粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响研究

从桩的承载机理来看,桩-土间的相对位移是桩侧阻力发挥的必要条件,而影响相对位移一个非常重要的因素就是桩表面的粗糙度,在不同的粗糙度下,桩-土接触面间表现出明显不同的力学特性。本文采用大型直剪试验研究了不同粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响。试验结果表明:随着剪切位移的增大,剪切应力增长速度越来越小,最后趋于平缓,且粗糙度的变化,对曲线形态的影响不大;存在一临界粗糙度,当粗糙度小于临界粗糙度时,剪切应力的峰值随粗糙度的增大而增大,反之,随粗糙度的增大而减小。

基于扰动状态概念的桩-土接触面荷载传递模型

基于扰动状态概念(DSC),假定桩-土接触面单元中相对完整(RI)状态部分的抗剪强度服从线弹性理论,完全调整(FA)状态部分的抗剪强度服从理想塑性理论,进而建立桩-土接触面荷载传递模型.针对桩-土接触面进行了大型直剪试验,试验结果表明:桩-红黏土接触面剪切过程中,接触面表现出应变软化特性,且随着法向应力的增加,软化现象越明显;桩-粉质黏土接触面剪切过程中,接触面表现出轻微应变硬化特性.利用桩-土接触面荷载传递模型计算得到的剪切应力-剪切位移曲线(τ-s曲线)与直剪试验得到的τ-s曲线吻合较好,验证了基于DSC的桩-土接触面荷载传递模型具有较好的准确性与适用性.

单桩竖向抗拔静载试验的桩-土接触分析

本文借助有限元软件ABAQUS/Standard对管桩抗拔静载试验进行数值模拟分析,建立桩土分析模型,提取模型的频率并计算添加桩周土阻尼系数,对桩-土接触面选用摩擦模型,计算得到了桩顶Q-s曲线,最后通过与抗拔静载试验数据做对比,得到了摩擦模型接触面的计算结果较好反应实际观测的结论。

三维弹塑性桩-土接触面单元及其在ABAQUS中的开发及应用

大直径超长钻孔灌注桩往往表现为摩擦桩,基桩承载力主要由桩侧摩阻力贡献。然而现有的计算方法由于无法考虑桩-土接触面剪切过程中的特性,对桩侧摩阻力的估计不准确。文章在弹塑性理论框架内推导了一种接触面本构关系,合理考虑了接触面在剪切过程中的剪胀等现象。基于隐式欧拉后退法推导了本构积分方程和相应的一致切线模量,并用ABAQUS所提供的UEL子程序接口,编写了接触面单元。通过与公开文献中的直剪试验进行对比,验证了文章所提出的接触面模型合理性以及本构积分算法的可靠性。最后将接触面单元用于三维桩土接触分析,结果表明传统的摩阻力计算公式偏于保守。

桩-土接触面剪切性质室内单剪试验研究

土与混凝土桩的接触面力学行为随土的含水量变化。进行了17%、20%、24%共3组含水量的土与混凝土桩接触面室内单剪试验,每组试验考虑5个法向应力。试验结果表明,在含水量一定时,接触面强度破坏仍遵循摩尔-库仑破坏准则;接触面的抗剪强度、摩擦角随含水量的增大非线性单调减小,粘聚力则先增大后减小。随着含水量和法向应力的增大,接触面的破坏位置逐渐由几何接触界面向土体内部过渡。法向应力较小时,含水量对接触面应力应变曲线的初始段影响不大。试验结果可供相关工程数值分析参考。

桩-红黏土接触面温控测试及应力-应变关系研究

在对能量桩承载特性进行设计与计算时,能量桩桩-土接触面力学特性十分重要;已有桩-土接触面力学特性研究中考虑温度效应的仍相对较少。采用重庆地区重塑红黏土,通过室内温控直剪试验测试其桩-土接触面力学特性,并与土体本身直剪强度特性进行对比;基于能量耗散原理推导的桩-土接触面模型,分析红黏土温度效应试验结果,归纳形成两个温度因子η1、η2,建立考虑温度效应的桩-红黏土接触面模型。通过新模型模拟结果与实测值的对比,验证文中所建立的桩-红黏土接触面温度效应模型的准确性和可靠性。研究结果表明,文中试验条件下,温度升高,桩-红黏土接触面的剪切强度略有增大;桩-红黏土接触面温度效应模型可以较好地模拟不同法向应力下的接触面应力-应变曲线,并且可以在一定程度上反映温度对接触面力学特性的影响。

混凝土桩-泥皮-砂土接触面力学特性试验研究

为研究泥皮、粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响规律,根据灌注桩成孔后的孔径-深度曲线,应用统计分析法获得了桩侧凸出尺寸和粗糙度的分布频率规律,以此构建了表面光滑和梯形凹槽混凝土板来模拟实际桩侧表面粗糙度。在此基础上,开展了不同泥皮厚度、粗糙度条件下的混凝土-砂土接触面大型直剪试验。其研究结果表明:无泥皮条件下粗糙接触面,其剪切应力-切向位移关系曲线呈软化型;泥皮厚度为5、10 mm条件下,呈硬化型。剪切模量G0.02随泥皮厚度增加而衰减。对光滑混凝土板,其接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加呈指数关系衰减;对粗糙混凝土板,峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加近似呈线性衰减。初始泥皮越厚,试验后的泥皮土和泥皮越厚,接触面剪切强度越低。无泥皮条件下粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律:存在一个临界粗糙度I_(cr)=10 mm,当混凝土板的粗糙度I<I_(cr)时,接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随粗糙度的增大而增大;当I≥I_(cr)时,二者随着接触面粗糙度的增大而减小,泥皮存在会影响改变这一规律。

冻土-桩接触面剪切特性试验研究

针对冻土-桩接触面剪切特性问题，基于控温直剪试验，分别分析了不同温度和不同主应力条件下冻土-桩接触面的剪切特性、计算并分析了各条件下接触面抗剪强度参数。其研究成果可为冻土区桩基设计提供参考依据。

桩-珊瑚砂接触面剪切力学特性试验研究

珊瑚砂桩基工程在岛礁建设中备受关注,其赋存环境对桩基承载特性的影响不容小觑。为研究不同环境下桩-珊瑚砂接触面剪切力学特性,采用自主研制的温控桩-土接触面三轴试验仪,对取自南海海域的珊瑚砂进行不同温度、围压和盐度的三轴排水剪切试验。结果表明:桩-珊瑚砂接触面的剪切应力-位移曲线有明显的应变软化特征;温度对桩和珊瑚砂的表面特征影响并不显著,进而对二者接触面的剪切特性影响亦较小;围压与接触面剪切强度呈线性正相关关系,100~300 kPa围压下,由于剪切过程中珊瑚砂颗粒重排列和破碎,接触面内摩擦角减小,残余强度约为峰值强度的70%~80%,在较高围压下剪切强度损失更为显著;相对淡水环境,盐水环境一定程度上会弱化接触面的剪切强度。

大比例模型的桩基-土-框架结构相互作用有限元分析

以大比例模型为基础，以大量试验实测数据为依据，利用通用有限元程序MARC对桩-土-上部结构相互作用体系进行了三维有限元计算分析。计算中土体选用线性Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，钢筋混凝土采用随动双线性硬化本构模型，计算得到相互作用体系的基频及牵引释放时程曲线与试验结果吻合较好，表明所采用的计算模型和计算方法是合理可行的。从计算分析的角度探讨了考虑结构-地基动力相互作用时体系地震反应的有关规律，主要从体系的加速度、桩身等效应力、桩土接触压力及摩擦力等方面进行了分析，为结构-地基相互作用的进一步研究提供了依据。

温度影响下透明土-混凝土接触面摩擦力学特性试验研究

基于室内土工试验,针对目前国内外常用的2种透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)与混凝土材料之间接触面的摩擦力学特性开展研究,着重分析混凝土温度变化对透明土-混凝土材料接触面摩擦力学特性的影响规律;为了对比分析,开展相同情况下砂土-混凝土材料接触面摩擦力学特性室内试验。研究结果表明,熔融石英砂和烘烤石英砂两种透明土材料-混凝土材料接触面摩擦力学特性与砂土材料-混凝土材料接触面摩擦力学特性相似,说明该2种透明土材料可以较好地模拟天然砂土-混凝土材料接触面特性;温度因素对透明土材料-混凝土材料接触面摩擦力学特性有一定影响,但影响并不明显。

刚性长短组合桩的非线性沉降计算分析

为了更加准确地预测长短组合桩基的沉降,考虑桩土相对位移、桩-土接触力学行为的非线性,推导均质土层中单桩的沉降计算公式,并应用于成层土中.基于计算不同桩长相互作用系数的方法修正了长短桩桩顶相互作用系数,应用Mindlin位移解计算求得长短组合桩桩端相互作用系数,从而得到长短组合桩基中单桩的沉降.结合某工程实例对单桩沉降计算方法进行验证,计算结果和实测结果吻合较好;由该方法计算得到长短组合桩的受力性状与ABAQUS有限元计算结果较吻合,验证了该方法的正确性.

群桩基础的竖向承载能力及群桩效应的三维数值计算

用有限元方法对模型试验进行了数值计算,并在计算中利用了局部非协调网格来加密桩及桩周围土体,把所得群桩竖向极限承载力及群桩效应系数结果与《建筑桩基技术规范》中对模型试验统计结果进行了比较,验证了计算的合理性。