现浇X形混凝土桩沉桩挤土效应现场试验研究

挤土型桩的挤土效应一直是工程界研究和关注的热点问题之一。结合南京长江四桥北接线段现浇X形桩软基处理工程,首次开展现浇X形混凝土桩(简称X形桩)沉桩过程现场试验,测得不同X形横截面方向、不同距离及深度处的水平位移、侧向土压力以及孔隙水压力的分布规律,研究X形桩挤土效应规律。研究结果表明,最大水平位移发生在桩顶,距离5倍等效桩径处的土体水平位移可以忽略不计;随着桩中心距的增加,挤土压力和孔隙水压力逐渐减小,并且尖角方向的挤土压力大于凹弧方向的挤土压力。现场试验数据为X形桩的布置形式以及桩间距的选择提供有力的设计参考依据。

现浇X形混凝土桩与圆形桩承载性状对比试验研究

通过现浇X形混凝土桩与等截面圆形桩、等周长圆形桩足尺模型静载试验,对比分析了试验各桩桩身轴力分布、桩侧摩阻力以及桩端阻力的发展情况,并对X形桩的荷载传递机理进行了深入研究。试验结果表明:对于本次研究对象的X形桩,与等截面圆形桩相比:其极限承载力及桩身单位体积混凝土极限承载力均为等截面圆形桩的1.32倍,与等周长圆形桩相比:其极限承载力及桩身单位体积混凝土极限承载力分别为等周长圆形桩的0.84倍与1.47倍。从提高桩基承载力,节约桩身混凝土用量角度来看,X形桩是一种具有较高的竖向承载力且造价低的新型桩,因此该桩在软土地基中有广泛的推广和应用价值。

现浇X形混凝土桩竖向承载性状模型试验研究

为研究现浇X形混凝土桩的荷载沉降特性及其荷载传递机制,利用河海大学的大型试验模型槽开展X形桩的足尺模型静载荷试验。通过在桩身设置的钢筋测力计及在桩底埋设的土压力盒,实测了在竖向荷载作用下X形桩与土相互作用时的工作性状。试验结果表明:X形桩的荷载沉降曲线为缓变型;桩侧摩阻力与桩端阻力随桩顶沉降的增加均呈递增性;但随着桩顶荷载的增加,桩侧摩阻力分担桩顶荷载比例却呈递减性,其分担桩顶荷载比例由初期的约90%下降到极限状态时的70%左右,而桩端阻力分担桩顶荷载的比例呈递增性,其分担桩顶荷载比例由初期的约10%上升到极限状态时30%左右。研究成果可为今后竖向受荷X形桩的设计与研究提供重要参考。

现浇X形混凝土桩竖向承载特性试验及其极限承载力预测

通过开展大型模型槽足尺模型试验,根据荷载沉降特性和桩身轴力的试验结果,分析了竖向荷载作用下现浇X形混凝土桩的承载特性和桩-土共同作用性状。采用Boltzmann数学模型X形桩荷载-沉降曲线进行拟合,结果表明:用Boltzmann数学模型拟合试验各桩的荷载-沉降曲线效果较好,相关系数均达到了0.999以上;基于该模型的X形桩极限承载力计算值与实测值的误差小于1%。

现浇X形混凝土桩质量检测现场试验研究

现浇X形混凝土桩是高速公路软土地基处理新技术。依托南京长江四桥北接线现浇X形桩复合地基试验段,采用低应变反射波法、静载荷试验法和桩头开挖法对现浇X形桩的质量进行了现场检测。试验结果表明:现浇X形桩低应变检测波形受到高频波干扰,当激振力周期较短时,检测曲线的高频波干扰明显。低应变测试平均波速在3 600 m/s左右,均为I类桩,桩身质量完整。桩长14 m时单桩极限承载力达到600 kN,桩长20 m时的单桩复合地基承载力特征值达到160 kPa,均满足设计要求。在靠近地面的桩头存在往外扩大的趋势,而深度越深,X形桩的成形效果越好。现浇X形桩混凝土的充盈在凹弧处更为明显,而在凸起段不甚显著。现浇X形桩成桩截面与设计截面相比面积增加而周长减小,混凝土充盈系数为1.16～1.32,截面周长比设计截面减小5.1～6.7%。

现浇X形混凝土桩研究进展分析

现浇X形混凝土桩是一种新型异形桩,该桩具有节省桩身混凝土用料,施工简便,单桩承载力高等优点。在现浇X形桩的研发原理、技术特性以及研究成果现状介绍基础上,简要分析了现浇X形桩的足尺模型试验成果和单桩完整性检测情况,并对其应用和前景进行了概述,以期加深人们对现浇X形桩的认识和了解,从而促进对这一新型桩的应用和研究。

现浇X形桩桩-土荷载传递规律现场试验研究

现浇X形混凝土桩(简称X形桩)是为了更好地满足沿海、沿江软土地基处理应用而开发的一种新桩型。该新型桩具有比表面积大、侧向摩阻力高,施工便捷,经济效益高等技术经济优势;但针对其在复合地基中桩-土荷载传递规律特性的研究却相对较少。结合某污水处理厂软基处理工程,开展了X形桩复合地基中桩-土荷载传递规律的现场试验,测得了荷载-沉降关系,桩-土荷载分担比、桩-土应力比,以及桩身轴力等发展情况,分析了不同工况下复合地基中桩-土协调相互作用和中性点位置规律;并将等混凝土用量圆形桩和X形桩的单桩静载荷试验作为对比分析。研究结果表明,本文试验条件下复合地基中X形桩桩侧正、负摩阻力转化发生在0.2倍桩长处,桩侧正摩阻力最大值约为其负摩阻力最大值的140%;相同桩长情况下桩-土应力比随竖向荷载等级增长速率随桩间距的增加而减小。

现浇X形桩产生地基附加应力的修正Geddes应力解

现浇X形混凝土桩(X形桩)作为新型的异形截面桩,其侧摩阻力和端阻力对桩周土体产生的附加应力的计算方法尚未得到系统的研究。传统的Geddes解以圣维南原理作为模型假设的依据,忽略桩截面半径和截面形状对计算结果的影响,误差较大。在Geddes应力解的基础上,对附加应力计算过程引入二重积分,推导得出修正的Geddes应力解。通过2种计算方法对X形桩附加应力进行对比分析,结果表明:桩径越大,异形特性越突出,Geddes应力解的误差越大。用修正Geddes应力解分析X形桩侧摩阻力和端阻力产生的附加应力,可知X形桩对下卧层土体产生的附加应力是等截面面积的圆形桩的1/3左右,而端阻力产生的下卧层的附加应力是等截面面积的圆形桩的1～2倍。在1.05倍桩长以下的大部分下卧层区域内,凹弧段侧摩阻力产生的附加应力大于凸出段。随着凸出段与凹弧段侧摩阻力比值的增大,凹弧段侧摩阻产生附加应力系数逐渐减小,凸出段侧摩阻产生的附加应力系数逐渐增大,但两者之和始终小于圆形桩。对于端阻力,X形桩凹弧区产生的附加应力是凸出区的1～3倍。通过对单桩桩顶沉降对比计算,表明修正Geddes应力解与Geddes应力解相比,更适合解决X形桩地基附加应力和沉降问题。

刚性荷载下现浇X形桩复合地基桩侧摩阻力数值分析

作为异形截面桩,现浇X形桩承载特性主要受侧摩阻力特性的影响。采用有限元软件ABAQUS建立了三维X形桩和圆形桩单桩复合地基计算模型,对比分析了两种桩型的侧摩阻力分布特点和侧阻承载能力的差异。分别分析了X形桩侧摩阻力沿桩周和桩长的分布特性。结果表明:X形桩侧摩阻力和侧阻承载能力都优越于等截面积的圆形桩,在理想成桩条件下,X形桩侧摩阻力在0.9倍桩长深度处比圆形桩侧摩阻力有较大的提高。在水平方向,由于土拱效应,X形桩凸出段侧摩阻力为凹弧段的1.5～3倍。深度方面,X形桩凸出段侧摩阻力与凹弧段侧摩阻力比值沿深度逐渐增大。这些结论为X形桩的承载力设计计算提供了一定的理论依据。

刚性基础下现浇X形桩复合地基桩-土应力比分析

桩土应力比是反映复合地基承载特性的重要参数之一,可反映复合地基的荷载传递和变形机制。做为一种新型桩,目前尚未得出统一的计算X形桩复合地基桩土应力比的公式。沉淀池、滤池等构筑物是典型的具有混凝土底板(刚性基础)的结构,刚性基础下桩复合地基的承载性能有别于柔性基础。故结合南京桥北污水处理厂地基处理工程做现场静载荷试验,应用有限元软件ABAQUS建立刚性荷载板下现浇X形混凝土桩复合地基的模型,模拟不同桩身弹性模量、桩周土压缩模量、桩长、褥垫层厚度和压缩模量等参数下现浇X形混凝土桩复合地基的桩土应力比,结果表明,桩身或褥垫层模量增大、桩周土体模量减小、褥垫层厚度减小、桩长等增加都能使桩土应力比增大;现浇X形桩复合地基桩土应力比理想值为20～25,此时桩身模量取10～20 GPa,碎石褥垫层的厚度为20～40 cm,模量为30～45 MPa。

现浇X形群桩竖向抗拔特性及影响因素分析

结合南京某污水处理厂软基处理工程,开展了现浇X形钢筋混凝土桩(简称X形桩)单桩竖向抗拔承载力现场试验,测得了荷载-位移关系曲线;基于FLAC3D软件建立了竖向上拔荷载作用下X形单桩、群桩特性分析的数值模型,并与现场单桩抗拔试验结果进行对比分析;比较研究了与等效圆形截面桩抗拔承载力的差异,并分析了基桩长度、桩-土摩擦因数以及基桩位置等因素对X形群桩力学特性的影响规律。研究结果表明:X形桩竖向抗拔承载力与其等外包直径的圆形截面桩承载力相近,较等混凝土用量的圆形截面桩承载力提高了近17.4%。

不同激振频率下现浇X形桩桩-筏复合地基模型试验研究

基于大比例模型试验,采用能够近似模拟列车单个轮轴荷载的正弦波荷载,在砂土地基中通过开展不同激振频率下X形桩桩-筏复合地基的动力特性模型试验,研究激振频率对X形桩-筏复合地基动力响应的影响。着重分析了不同激振频率引起的X形桩-筏复合地基的速度、动土压力、桩身动应力等,获得了速度响应、桩身动应力随深度的变化规律。结果发现:筏板的速度响应幅值随着激振频率的增加近似呈线性增加;地基表面动土压力和动力荷载放大系数随激振频率的增大而增大,且增幅逐渐加大;桩顶动应力随激振频率的增大而逐渐增大。相关研究成果可为我国高速铁路桩-筏复合地基的理论分析与计算以及动力荷载放大系数的确定提供参考依据。

高速公路拓宽工程现浇X形桩与圆形桩变形特性数值模拟对比分析

以南京长江第四大桥南接线S1标段采用现浇X形桩加固拓宽路堤为背景,建立拓宽路堤荷载下现浇X形桩和圆形桩ABAQUS三维有限元对比模型,并采用现场实测沉降曲线验证了模型的合理性。对比分析了新路堤荷载下两种桩型加固拓宽路堤时新老路堤的差异沉降、侧向位移、孔隙水压力,并重点分析了新老路堤结合处的桩的桩土差异沉降、桩土应力比、桩身轴力和桩侧摩阻力。研究结果表明:地基的最大竖向沉降与最大侧向位移分别出现在新老路堤结合处和新路堤坡脚处,现浇X形桩与等截面圆形桩相比在减少竖向沉降和侧向位移方面更具有优势;现浇X形桩的异形截面效应使得X形桩的桩身轴力和桩侧摩阻力均比等截面圆形桩大,最多可提高了31%的桩身轴力,因此现浇X形桩的桩土应力比可达到42.5,比圆形桩多承担了46.6%的上部荷载。现浇X形桩对于处理要求施工进度快、工期短和沉降控制要求高的拓宽工程有其自身的优势。

现浇X型混凝土桩的荷载传递机理初探

现浇X型混凝土桩技术是河海大学开发研制的用于地基加固处理的一项新技术。在模型试验的基础上,通过有限元方法研究了现浇X型混凝土桩的荷载传递机理,并与模型槽试验结果进行了对比,分析中考虑了桩和土之间的接触和土的非线性。通过数值分析,揭示了X型桩的截面形式对侧摩阻力分布、端阻力发挥的影响。计算结果表明,由于桩的泊松比效应,X型桩截面周边不同位置的侧阻力大小有所不同;X型桩中出现了类似于H型桩的"半封闭土塞",与圆截面桩相比,桩端附近的侧摩阻力有较明显的增加;X型桩的桩端承载力系数要小于圆截面桩的情况,体现了X型桩截面形状的影响。

刚性荷载下现浇X形桩复合地基极限承载力特性研究

现浇X形桩是通过等截面周边扩大原理,将圆形截面的正拱变为反拱而成的。作为一种新型的异型截面桩,目前对其极限承载力的计算仍采用规范中建议的经验公式。结合南京桥北污水处理厂地基处理工程的现场静载荷试验,应用有限元软件ABAQUS,建立刚性荷载下现浇X形混凝土桩复合地基的模型,模拟不同桩身模量、桩周土模量、桩长、褥垫层厚度和模量等参数下现浇X形混凝土桩复合地基的荷载-沉降关系,从而得出复合地基的极限承载力。结果表明,现浇X形桩单桩复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩单桩复合地基增大20%以上,X形桩4桩梅花形复合地基极限承载力比等截面面积的圆形桩大12.35%。极限承载力随桩身模量、褥垫层模量、桩周土体模量或者桩长的增大而增大,而且在众多影响因素中桩周土体模量对复合地基极限承载力的影响最为明显。

任意角度水平向荷载下现浇X形桩力学特性研究(Ⅰ)：惯性矩

现浇X形桩是为了提高单位混凝土承载力性能而开发的一种新型桩,异形横截面在确保桩周周长的前提下,能有效地减少混凝土用量;但目前针对异形横截面对水平向承载力特性影响方面的研究相对较少。基于X形横截面的3个控制参数:外包圆直径、开弧间距和开弧弧度,建立任意方向轴惯性矩控制方程,并分析X形横截面3个控制参数对截面轴惯性矩的影响规律。最后,提出控制截面面积或周长情况下X形截面惯性矩的最优化设计方案。研究结果表明,X形截面惯性矩随着开弧角度、开弧间距的减小而增大,随着外包圆直径的增大而增大。因此,在等混凝土材料用量或者控制桩周长情况下,适当增大外包圆直径、减小开弧角度和开弧间距有利于提高X形截面轴惯性矩,从而提高X形桩整体水平向承载力。

基于极限平衡法的现浇X形桩群桩负摩阻力计算分析

软弱土及湿陷性黄土等地区桩基负摩阻力计算是桩基础设计与施工必须考虑的问题之一,目前针对群桩负摩阻力计算方面的研究相对较少。采用有效应力法计算单桩负摩阻力,基于极限平衡原理计算负摩阻力群桩效应系数,从而得到群桩负摩阻力计算公式。结合现场试验结果,对现浇X形桩群桩负摩阻力及桩身下拽力进行计算分析,并讨论了群桩基础中各基桩位置对桩身下拽力的影响,以及群桩效应系数随相关影响因素的变化规律。研究结果表明,文中计算结果与现场实测结果具有良好的一致性;地面堆载等级越高,群桩所受的桩身下拽力越大,且群桩效应系数随着桩间距的增大而增大,随着负摩阻力系数和中性点深度比的增大而减小。

水平荷载作用下现浇X形桩桩周土体响应理论分析

现浇X形桩是为了提高单位混凝土承载力性能而开发的一种新型异形横截面桩,但目前针对异形横截面桩在水平荷载作用下桩周土体力学性状的理论研究相对较少。基于保角变换的方法将X形桩孔映射到单位圆上,采用平面弹性力学的复变函数方法得到X形桩在水平荷载作用下桩周土体应力场与位移场分布的平面应变解。续而,基于文克尔地基模型,把桩周土离散为一系列独立的弹簧模型,弹簧的刚度系数采用平面应变解,然后根据欧拉-伯努利梁的挠曲线微分方程推导得到现浇X形桩在水平荷载作用下桩身的变形和内力的计算方法。通过建立的平面应变解计算普通圆形截面桩,并且与Baguelin推导的圆形截面桩在水平荷载作用下平面应变解进行对比分析,验证所建立理论方法的准确性和可靠性。最后,针对一算例进行分析,并与数值模型计算结果进行对比验证。研究结果表明,该理论方法能够较好地模拟水平荷载作用下现浇X形桩桩周土体的力学工作性状,尤其是小荷载作用条件下。

任意角度水平向荷载下现浇X形桩力学特性研究(Ⅱ):截面应力分布

基于现浇X形桩在任意方向轴惯性矩控制方程和异形几何截面特性以及地基反力法的基本原理,分析X形桩在任意水平向荷载作用下截面应力分布规律及其控制参数变量对截面应力集中现象的影响规律,并与同等情况下等周长和等面积的圆形桩、方形桩的力学特性进行对比分析,提出考虑截面应力分布的X形截面设计最优化设计形式,为X形桩截面形式设计提供参考依据。研究结果表明,等面积情况下,X形桩截面的应力随着外包圆直径的增大而减小,随着开弧间距和开弧角度的减小而减小;等周长情况下,X形桩截面的应力随着外包圆直径的增大而减小,随着开弧间距和开弧角度的减小而减小。实际工程中建议外包圆直径可以取0.5～0.7 m左右,开弧间距取0.1～0.2 m左右,开弧角度采用110o～130o左右。

现浇X形桩复合地基拓宽高速公路路基沉降计算方法研究

软土路基沉降计算是高速公路拓宽工程中的重要课题。以南京长江四桥南接线栖霞互通312国道拓宽段采用现浇X形桩处理的软基路段为背景,推导出现浇X形桩拓宽路基的附加应力和沉降计算方法,采用附加应力叠加的方式计算拓宽新路堤引起的附加应力,在沉降计算中引入充盈折减系数以反映异形桩的截面效应,建立了现浇X形桩拓宽路堤的沉降计算简化公式。分析了全部路堤、老路堤和新路堤下附加应力和沉降分布规律并与现场监测结果进行对比,对拓宽工程沉降的主要影响因素进行了讨论,分析了不同拓宽宽度和坡比下附加应力及沉降分布规律。