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。

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-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。

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。

液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用大型振动台模型试验研究

大型振动台模型试验是目前研究土 -结动力相互作用的一种极其有效的手段。以 1976年唐山地震中倒塌的胜利桥为原型 ,开展 1∶10模型的液化场地桩 -土 -桥梁结构动力相互作用大型振动台模型试验研究 ,很好地再现了自然地震触发地基砂土液化的各种主要宏观震害现象 ,并且模型桩的试验破坏状况与其原型的实际震害情况也比较吻合。主要介绍有关此次大型振动台模型试验的相似设计、操作技术及试验结果等方面的若干关键科学问题 ,以飨同仁。

桩-土-结构动力相互作用的分析模型与方法

针对桩-土-结构动力相互作用问题中桩的分析模型、群桩效率和整个体系的分析方法等问题总结了其发展现状,讨论了今后的发展趋势,并就有待深入研究的问题提出了作者的观点。

桩-土动力相互作用分析模型的对比分析

本文对常用的刚结模型、铰结模型、接触模型、简化模型和弹簧模型五种桩-土动力相互作用分析模型进行了对比研究,分析发现:不同的分析模型有不同的适用范围,在桩-土动力相互作用分析时应根据所关心的问题选用不同的分析模型。本文给出了选择模型的建议,一般优先采用接触模型,次优为铰结模型。

冻土-桩动力相互作用模型试验系统研制

桩基础是冻土区大型结构物的主要基础型式,但目前学者对冻土环境中桩基动力特性的研究甚少。在比较分析国内外在该领域研究现状的基础上,设计了一套冻土-桩动力相互作用模型试验系统,主要包括动力加载系统性能参数的确定与设计、模型试验箱的设计与制冷效果分析、加载工作架的设计及其与试验箱的拼接等。试验结果表明,所设计的试验系统能为试验提供所需的冻土环境,结构牢固,能较好地模拟分析冻土-桩动力性能,此外该试验系统还可应用于其他冻土问题的试验研究。

地震作用下承台桩-土动力相互作用数值模拟分析

基于已开展的非液化场地-群桩基础-结构体系动力响应大型振动台模型试验,进行三维全时程动力数值模拟分析。采用修正的Davidenkov模型反映土体在地震反应过程中的模量衰减,通过“捆绑边界”模拟模型箱的层状剪切运动。通过对比试验中土-结构体系加速度响应时程、土体位移和桩基内力等,验证数值模型的有效性。利用已验证的数值模型,开展承台尺寸对桩-土-上部结构动力响应影响研究。结果表明,承台厚度的增大会导致上部结构和桩顶惯性效应减小;地震作用下沿激振方向前桩大于后桩,随着承台厚度的增大,前桩与后桩峰值弯矩差值率为16.1%~32.1%,群桩效应影响增大;随着承台厚度的增大,承台-土动土压力增大了3~6倍,承台与桩基水平荷载分担比增大,桩基弯矩反弯点位置上移了0.50 m;承台-土的相互摩擦作用会降低结构整体动力响应。

软土-桩-结构动力相互作用振动台模型试验研究

目的分析探讨软土-桩-结构动力相互作用的机理.方法通过软土-桩-结构相互作用体系和刚性地基上建筑结构两个振动台模型试验,研究了相互作用对结构的动力特性和地震反应的影响.结果通过振动台试验得到了软土-桩-结构相互作用体系和刚性地基上结构体系的自振周期、阻尼比、加速度反应和位移反应曲线等.结论结果表明,软土-桩-结构动力相互作用对结构的动力特性和地震反应有较大的影响:建筑结构自振频率减小,阻尼增大;在地震作用下,考虑相互作用的结构加速度、位移较基础固定的结构大.

基于弹塑性模型的群桩-土-结构动力非线性数值分析

提出一种群桩-土弹塑性模型,结合动力文克尔理论,推导出了与桩(筏)-土属性及SSI体系频率相关的各项弹簧-阻尼单元动力阻抗,建立了三维框架土-结构相互作用有限元简化分析模型。针对不同地震激励,在不同桩-土条件下对模型进行了动力非线性时程分析,结果表明,在某些地震动和土-基础条件下,上部结构非线性作用效应结果可能大于固基假定情形,且桩-土弹塑性模型对上部结构柔弱层位置产生影响。应用本文简化方法可以快速、较准确有效地进行复杂的上下部结构动力时程分析及抗震评估。

基于Opensees的桩土动力p-y曲线模型研究

桩土动力p-y曲线法在岩土工程中已得到广泛应用。通过Opensees软件中内嵌的Pysimple1材料模型,利用p-y单元建立了土-单桩-承台相互作用简化模型。分析在砂土和黏土p-y单元中的桩身和桩头承台动力响应特点,同时对不同自由场土体长度下桩身和桩头承台动力响应进行了分析。结果表明,砂土p-y单元的桩头承台加速度峰值大于黏土单元,位移峰值小于黏土单元,桩身的剪力、弯矩都比黏土要大。自由场土体长度越短,承台的位移和加速度就越大,当自由场土体长度达到300 m时基本满足计算精度要求。

基于动力BNWF法的冻土-桩相互作用模型研究

基于水平循环荷载作用下不同负温冻土环境中单桩动力特性模型试验结果,在已有分析桩-土-结构相互作用的动力BNWF模型的基础上,提出改进的冻土-桩基动力相互作用非线性反应分析模型。在该模型中,利用改进的双向无拉力多段屈服弹簧考虑桩侧冻土的水平非线性力学特性,同时兼顾桩侧与冻土间的竖向非线性摩擦效应、桩尖土的挤压与分离作用以及远场土体阻尼对桩基动力特性的影响。其中桩侧水平多段屈服弹簧参数根据冻土非线性p-y关系获得,该关系曲线以三次函数曲线段及常值函数段共同模拟,并由室内冻土压缩试验结果确定。最后基于改进的动力BNWF模型,提取动位移荷载作用下该桩顶力-位移滞回曲线及桩身不同埋深处的弯矩动响应数值分析结果,并与相应的模型试验结果对比,二者具有较好的拟合度,表明本文所提出的改进模型在分析冻土-桩动力相互作用时有较好的适用性。

大型液化天然气储罐桩基抗震设计中桩-土动力交互作用的影响

大型液化天然气储罐通常采用群桩基础。国内群桩基础抗震设计中,桩体水平及抗弯承载力计算采用的m法仅考虑了上部结构在地震作用下产生的惯性力与桩体及桩侧土的交互作用。而群桩基础抗震设计相关国际标准针对软土地基,还将桩-土动力交互作用的影响纳入了设计考虑。以某220000 m^(3)预应力混凝土全容罐的桩基设计为例,对比分析了m法设计与考虑桩-土动力交互作用设计的桩身内力计算结果,认为在埋深较大的软土地基或存在深层软弱土夹层的地基中,考虑桩-土动力交互作用设计时,桩体下段确实存在较大弯矩和剪力,不应予以忽略。

土体液化过程中桩-土动力相互作用p-y曲线模型

桩-土动力相互作用分析是解决液化场地桥梁桩基抗震设计问题的有效途径。鉴于此,本文依托OpenSees有限元数值模拟平台,分析了桩径、孔压比、砂土相对密度等因素下砂土动力p-y曲线的变化规律,建立了不同孔压比下砂土的动力p-y曲线簇,提出了动力p-y曲线骨干线的修正方法;最后,以孔压比为控制因素,发展了能够表征土体液化过程的动力p-y曲线模型。研究结果对液化场地桩-土动力相互作用分析具有重要借鉴意义。

基于桩-土非线性动力分析改进的Winkler模型

一种数值模型用来研究地震作用下桩基础反应,在Winkler模型基础上,考虑了桩的柔性与能量耗散及辐射。模型用来研究桩-土-结构共同作用分析,包括桩土非线性效应,考虑桩土体系非线性及其在强震作用下会产生大的变形,桩采用材料与几何非线性的梁-柱元相同,而土体假想为沿桩长段均匀的非线性弹簧-阻尼器,进而采用修正的Ramberg-Osgood模型。利用剪切模量与阻尼一个关系导得土的阻尼。为了模拟土中辐射阻尼效应,桩与土采用粘性阻尼器连接。模型同文献中的振动台测试对比表明,该模型与测试结果较吻合,进而为强震作用下桩土分析提供一种数值分析方法。

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。

基于T-P模型的桩-桩水平振动相互作用研究

为精确揭示桩-土动力相互作用,弥补动力Winkler地基-Bernoulli-Euler梁模型(E-W模型)在桩-桩水平振动分析中的不足。考虑土体剪切效应和桩身剪切变形,建立Pasternak-Timoshenko模型(T-P模型)模拟桩-土动力相互作用,推导水平动力和竖向荷载共同作用下的主动桩水平振动解析解。在此基础上,根据桩-桩动力相互作用原理,建立被动桩水平振动控制方程,运用传递矩阵法考虑土体分层特性,利用初参数法计算桩-桩动力相互作用因子;与已有文献进行对比,验证计算结果的正确性。通过参数分析表明:土体剪切效应对水平动力相互作用因子有增强效果;在给定桩土参数的情况下,主动桩和被动桩存在“有效桩长”(L_(d)=10d~15d);当桩身长径比在L/d=5~10范围内时,不宜忽略桩身剪切变形对动力相互作用因子的影响;竖向荷载对水平-摇摆耦合作用因子的影响最为显著。

桩-土-结构相互作用分析中土动力模型的修正

提出桩-土-结构体系等效线性模型的修正方法.确定了近场区域的范围,并将该区域土的剪切模量乘以修正系数,得到修正等效线性模型.分析大量模型并求出相应修正系数,然后对所有修正系数进行回归分析,得到经验拟合算式.结果表明:强震作用下,土体采用等效线性模型能大幅提高桩-土-结构体系动力分析的精度.