考虑桩-土-结构相互作用下的跨地铁隧道基坑和基础设计与分析

本项目为跨既有地铁隧道的高层建筑,通过对基坑及转换基础进行精细化的设计与分析,保证地铁隧道和高层建筑的安全。采用考虑桩、土、上部结构相互作用的m法建立整体模型,对不同的m值结果进行对比,得出桩和转换梁的合理内力进行设计;运用Midas/GTS软件分析基坑开挖和主体结构施工对跨下地铁隧道的影响,对比基坑底采用格构式加固和满堂式加固对地铁隧道隆起的影响,同时运用Midas/GTS软件对桩和转换梁进行有限元实体分析。研究表明,当m值较大时,对桩更为不利;当m值较小时,对转换梁更为不利;地层加固形式和开挖顺序对隧道的变形有一定影响,本项目格构式加固有效减少隧道隆起且经济性较优;整体模型有限元实体分析的结果与m法计算结果有一定可比性。

局部冲刷下砂土中桩-盘复合基础H-T联合承载特性

海上风机基础工作时既承受复杂组合荷载作用,也受波流冲刷影响。单桩-摩擦盘复合基础同时结合了单桩与重力式基础的特点,摩擦盘还可起防冲板作用。为探讨砂土地基中H-T联合作用时局部冲刷对这种复合基础承载特性的影响,首先基于室内水槽试验装置,完成了一系列模型载荷试验;获得了冲刷前后桩-盘复合基础的荷载-位移曲线,经无量纲化处理与曲线拟合,获得H-T联合受荷桩-盘复合基础的承载包络线及其简化计算公式。然后,采用有限元细化分析了主要冲刷参数(冲刷深度、冲刷宽度、冲刷角度)及加载点高度对复合基础承载特性的影响,结果表明:冲刷坑的存在使复合基础的横向及扭转抗力明显降低,削弱程度分别可达25%及45%;进一步分析表明,桩身弯矩值随加载点高度的增加而显著增大,随预加扭矩的增加呈下降趋势;局部冲刷会明显削弱复合基础的承载力,同时H-T联合作用时相应的承载力包络线向内发生不同程度的收缩;其中,冲刷深度的影响最大,对横向抗力与扭转抗力的削弱程度分别可达约35%及60%,冲刷角度次之,冲刷宽度的影响最小;此外,不同加载路径下桩-盘复合基础承载力包络线呈现一定程度的差异。

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。

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。

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。

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。

土-承台动力相互作用对砂土场地桩基桥梁地震反应的影响

在桩基桥梁的地震反应分析中,桩-土动力相互作用是个重要的问题,而对于采用低桩承台基础的桥梁,承台埋在土面以下,还存在土与承台之间的动力相互作用。目前,地震反应分析中一般不考虑土-承台动力相互作用的影响,相关研究也很少。为此,利用OpenSees有限元分析程序,基于p-y曲线建立了土-结构一体化桩基单墩模型,选择40条实际岩石场地地震记录作为输入,开展了考虑土-承台动力相互作用的桩基桥梁地震反应分析。结果表明,考虑土-承台动力相互作用后,结构的基本周期会减小,墩底曲率会明显增大,桩顶曲率会大幅减小,但墩顶位移的减小可以忽略。

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。

基于桩-土相互作用的软土地区结构抗震影响分析

从兰州市某医院的桩-土-结构耦合体系出发,使用有限元软件ABAQUS建立与该建筑所对应的桩-土-结构耦合的三维有限元模型,其中混凝土柱、梁、桩及土体皆使用实体单元(C3D8R)进行模拟,土体使用Drucker-Prager本构模型,桩土接触之间采用主从接触面法来模拟,通过对三种不同地基土工况的整体模型及仅考虑上部结构地基刚接模型进行模态分析与地震时程响应分析,研究了上述四种工况在3条地震波激励下的上部结构动力响应特征。计算结果表明:在考虑桩-土-结构相互作用后其模型自振周期均大于仅考虑上部结构刚接;随着土体弹性模量的降低,其自振周期会有所提升;框架结构的医院虽然楼层较低,但在考虑桩-土-结构相互作用后,对结构的地震响应表现出放大效应;其顶点加速度、顶点位移、层间位移角、基底剪力均大于仅考虑基底刚接;并且随着土体弹性模量的减少,土体的软化,其上部结构的地震响应均有不同程度的放大。

基于三维有限元分析的某高层项目地基-基础-上部结构共同作用分析

依托孟加拉国某项目,系统性介绍了采用三维有限元方法进行考虑地基-基础-上部结构共同作用的分析实例。首先,采用数值模拟方法,对现场非后注浆常规单桩静载荷试验进行反演分析,探讨了通过控制桩侧接触面强度折减系数及桩端接触面刚度来模拟桩端后注浆技术对桩侧及桩端加固效应的可行性。然后,依据孟加拉国家建筑规范(BNBC-2020)荷载组合值,采用流-固耦合分析方法进行了考虑短期加载效应及长期固结效应的地基-基础-上部结构共同作用分析,重点分析了群桩基础基桩轴力及竖向位移分布模式、单桩及群桩的基桩刚度对比、单桩与群桩的沉降比、桩土荷载分担比以及长期固结效应对沉降和筏板应力的影响,分析结果表明:(1)群桩基础下基桩桩端承载力占比约10%,整体表现为摩擦型桩,基桩轴力及桩身竖向位移延桩轴向自桩顶至桩底均表现为近似梯形衰减的分布。(2)采用共同作用分析方法计算结果的群桩效应显著,考虑长期效应共同作用分析的平均群桩基桩刚度约为350MN/m,单桩与群桩分析的沉降比约为0.25。(3)考虑长期固结效应后,筏板下桩土发生应力重分布现象,群桩整体沉降最大值增长约20%,筏板压应力最大值增长约10%。地基-基础-上部结构共同作用分析,宜采用考虑长期固结效应的流固耦合有效应力参数进行计算,以考虑排水固结的过程,以得到更为准确的筏板内力及基桩反力。

上砂下黏地层中桩-筒复合基础V-H承载特性

海上风机基础不仅受自重等竖向力V作用,也因水流、波浪和风等影响而承受水平荷载H。为探讨上砂下黏地层中一种由单桩和吸力筒组成的新型海上风机桩-筒复合基础受V-H组合作用时的承载特性,自主设计完成了一系列室内桩-筒复合基础V-H组合加载模型试验,获得不同组合参数下桩-筒复合基础的荷载-位移曲线和桩身弯矩分布曲线,并绘制出V-H承载力包络线。在此基础上,采用ABAQUS建立了上砂下黏地层中桩-筒复合基础三维数值分析模型,经模型验证与参数分析,进一步讨论了砂土厚度、筒径、筒高以及加载高度等参数对桩-筒复合基础承载特性的影响曲线,并拟合出桩-筒复合基础承载力简化计算公式,分析结果表明:桩-筒复合基础能显著提高桩身水平承载力,增幅达30%~90%,且增加筒径比增加筒高更有利于提高基础水平承载力;上部砂土层较厚时,桩-筒复合基础存在一个使复合基础水平承载力达到最大的预加竖向荷载最佳值,其值随不同载荷工况在(0.4~0.7)Vult范围内变化。

短桩基础桩-土共同作用的原位测试与数值分析

通过对湖沼平原一个6层建筑的短桩原位测试和数值分析,研究了短桩基础的荷载传递与变形特性。试验结果表明,桩基的实际承载力大于计算值,而沉降远小于计算值。桩顶反力和基底土压力的观测结果显示:地基土所分担的荷载较小。对短桩基础的桩-土共同作用进行数值分析,得到了地基土层内的附加应力和分层沉降变化情况。研究结果表明,湖沼平原短桩基础的沉降以桩端以下土层的压缩变形为主。浅部硬土层既作为短桩的持力层,又有利于附加应力的扩散,从而减小了沉降。

考虑桩-水-土耦合的船桥碰撞损伤特性

船桥碰撞问题是一种复杂的非线性动力学问题,现存规范经验公式只能对其最大碰撞力进行预测,无法全面预测船-桥结构的损伤特性,而有限单元法可有效地对这一不足进行补充。通过LS-DYNA软件研究考虑桩土作用和流固耦合效应的船桥碰撞损伤特性,通过数值仿真与试验结果、AASHTO规范公式的对比分别验证钢筋混凝土材料模型的准确性以及桩-水-土耦合方法的有效性;分析典型碰撞场景下船舶和桥墩桩基结构的碰撞损伤特性;讨论船速和船撞角度等因素对船桥碰撞损伤的影响。结果表明:典型船桥碰撞场景下船舶和桥墩结构的损伤均较为严重;船撞速度、角度越大,碰撞力峰值也越大;桩土作用和流固耦合效应均不可忽略。该结果可为船舶和桥墩结构设计提供一定参考。

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。

刚性基础-桩-土非线性共同作用的近似分析方法

提出了一种刚性基础-桩-土共同作用非线性分析更为简便的近似方法。刚性基础基底单元(桩或土单元)本身受力变形的非线性关系采用静载试验得到的Q-s曲线,这种单元自身非线性及单元之间线弹性共同作用,可同时用迭代法计算。算例表明,这种方法方便、实用,能较好地反映桩、土非线性特性对基础受力变形的影响。

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。

桩筏基础-土-上部结构非线性共同作用程序实现

基于子结构法提出了桩筏基础-土-上部结构非线性共同作用分析方法,介绍了相应的计算程序的实现过程,给出了程序计算框图。通过算例分析,验证了程序的正确性。研究了非线性共同作用中基础沉降和上部结构次应力的变化。考虑共同作用将减小基础沉降的最大值和沉降差,尤其对降低沉降差有明显作用,而优化布桩对沉降与沉降差的影响要比共同作用的影响大。采用不利布桩方式时,基础产生较大的盆形沉降,上部结构中产生了可观的次应力。提出了零差异沉降控制地基基础的理论和方式。

非饱和黄土场地桩-土动力相互作用试验研究

为了研究非饱和黄土场地桩-土动力相互作用,利用土工离心机振动台进行桩-土动力模型试验.获得桩身弯矩、桩侧土抗力、桩-土相对位移及动力p-y曲线,分析加速度幅值、桩基埋深对动力p-y曲线的影响.基于非线性文克尔地基梁模型,建立考虑远场阻尼效应、桩-土间隙效应的非线性动力p-y单元,通过有限元分析结果和该试验记录对动力p-y单元的有效性进行验证.结果表明,随着加速度幅值的增加,桩-土体系的耗能增强,土体刚度逐渐退化;桩侧土抗力与桩-土相对位移之间存在滞后性;采用建立的动力p-y单元,能够相对真实地模拟非饱和黄土场地的桩-土动力响应.

统一硬化本构在海上风电大直径单桩桩-土分析中的应用

[目的]文章旨在推动海上风电基础的优化设计,将理论更加完善,模拟结果更加符合实际的高级岩土本构模型推广至实际工程应用。[方法]首先介绍了一种高级本构模型:UH模型(Unified Hardening model,统一硬化本构模型)的理论框架,随后对其进行了面向实际工程应用需求的修正,最后将修正后的模型应用在大直径单桩桩-土分析中,并对结果进行了宏观和单元层面的分析以验证其有效性与实用性。[结果]经过修正和验证,得到了适用于实际工程问题的UH_G0模型。该模型将原始UH模型中的参数“初始孔隙比”替换为“超固结比”;并引入Andersen经验公式,将剪切模量与本构参数κ解耦,显著提升了原始UH模型的初始剪切刚度,使得UH模型对变形(刚度)敏感的边值问题具有适用性。[结论]UH模型作为理论框架清晰,参数物理意义明确的高级本构模型具有较好的实际工程应用潜力。研究进行的面向工程设计需求的两项修正是必要的,二者分别提高了UH模型实际应用于边值问题的便捷性和初始刚度计算的准确性。修正后的UH_G0模型在有限元模拟过程中表现出对实际工程问题良好的有效性与实用性。

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。