水平受荷桩“p-y+M-θ”分析方法

中国近海海上风电机组开发建设中,大直径单桩基础形式使用占比超70%。现行p-y曲线设计方法主要适用于小直径柔性桩,对大直径单桩侧向及桩底受荷描述能力不足,导致其严重低估刚柔性桩和刚性桩(分别常用于中国和欧洲的近海风电工程)的变形和承载能力,过于保守的设计给海上风电降本带来挑战。为此建立了能以统一的方式预测柔性、刚柔性和刚性单桩水平单调受荷响应的“p-y+M-θ”模型,并将该模型推广到循环荷载下单桩的响应分析。通过与相关试验结果比对发现,“p-y+M-θ”模型能较为准确地预测桩基水平加载响应。力图为水平受荷单桩工程设计提供简洁而可行的响应分析方法。

基于桩侧砂土圆锥型修正应变楔模型的p-y曲线

基于桩侧砂土三维圆锥型应变楔的变形特征,提出砂土中水平受荷桩的非线性p-y曲线。构建圆锥型楔形体前表面应力体系并引入土体应力-应变双曲线模型,进而考虑应变楔的水平受力平衡得到桩侧土反力的表达式。在此基础上,结合弹性地基梁有限差分数值分析,建立了水平受荷桩非线性p-y曲线的理论推导方法。将该理论用于钻孔桩和打入桩模型试验的算例分析,结果表明:相对于API规范的p-y曲线、双曲线型p-y曲线以及传统非圆锥型应变楔模型得到的p-y曲线,本文方法得到的非线性p-y曲线与模型试验结果更为接近。通过比较本文圆锥变形模式与传统非圆锥型应变楔模式的差异以及桩-土参数的影响分析,进一步论证了该方法的优点。

基于被动区土弹簧刚度降低过程的基坑围护结构计算增量法及软化p-y曲线

基坑围护结构的计算常采用基于杆系有限元的增量法,被动区土弹簧刚度在基坑开挖作用下发生动态降低导致土抗力软化,目前缺少在非线性地基模型基础上对该问题的研究。通过引入两个刚度变化系数来综合量化被动区土弹簧参数随基坑开挖的动态变化过程,建立了基于该过程的基坑围护结构计算增量法。针对非线性地基模型,提出了细化增量法进行数值计算。采用线弹性、理想弹塑性以及双曲线3种基本土弹簧模型计算得到被动区软化p-y曲线,对比显示,基于双曲线基本模型得到的等效水平抗力系数变化曲线更符合实际规律。工程实例计算显示,基于基本土弹簧为双曲线的计算结果与不同开挖阶段墙的位移监测数据对应更好。参数分析显示,与被动区土体极限抗力pu相关的刚度变化系数对计算结果影响较大,采用此方法应着重关注被动区pu的计算方法及开挖卸荷对pu的影响。

嵌固点法与P-Y曲线法高桩码头计算对比研究

对于高桩码头桩基受水平力的计算,国标和美标规范中给出了m法,嵌固点法,P-Y曲线法等计算方法。本文以美洲地区某高桩码头为例,在美标规范下,分别应用嵌固点法和P-Y曲线法对码头整体结构进行计算分析,并将得出的桩基受力结果、钢截面设计校核值进行对比分析。结论表明,两种方法对于计算的整体趋势是一致的,嵌固点法的结果偏为保守。

海上风电基础修正p-y曲线模型研究

单桩基础是海上风电基础中应用范围较广的基础形式,目前工程中在分析桩土相互作用及单桩位移时常采用API规范推荐的p-y曲线模型进行计算。随着桩土理论的不断发展和进步,现有的API规范推荐的p-y曲线模型在应用于大直径桩的分析和计算时,其结果低估了不同深度处土体的极限土抗力,高估了初始地基反力模量,因而降低了计算结果的准确性。该文针对该问题,分析了现有p-y曲线法中影响极限土抗力和初始地基反力模量的因素;通过建立桩土相互作用的有限元数值模型,对不同桩径和土体深度的计算模型进行分析和数据回归,引入修正系数来考虑大直径桩的尺寸效应,并讨论了不同因素影响指数的变化规律,最终建立了适用于大直径单桩基础的修正p-y曲线模型。最后通过与模型试验和现场试验的结果对比,修正后的模型对极限土抗力和初始地基反力模量的计算更加符合实际情况,从而验证了修正p-y曲线模型的可靠性与合理性。

基于静力触探的黏土中桩基p-y曲线研究

将华能灌云海上风电场试桩试验实测数据与4种基于CPT测试的黏土p-y曲线方法的理论计算结果进行对比。对比显示:传统的p-y曲线因其原始试验的局限性会显著低估桩侧土体的极限土反力,使桩基设计偏于保守;而双曲线型的p-y曲线虽然高估桩侧土反力,但是对桩侧土体初始刚度预测较准。根据以上对比分析结果,采用Matlab回归函数进行模型集成,将传统型p-y曲线模型与双曲线型p-y曲线模型结合,提出一种基于CPT测试的适用于黏土的复合p-y曲线模型。最后通过与已有工程实例实测数据进行对比,验证了新提出方法的可靠性。该方法可为黏土中水平受荷桩基计算提供新途径。

深厚软黏土地基中大直径单桩基础现场水平受荷试验及p-y曲线适用性研究

基于某海上风电场开展的单桩水平受荷特性现场试验,研究了深厚软黏土中2.4 m大直径钢管桩荷载-位移响应、桩身挠度及桩身弯矩规律;探讨了m法、API规范法和双曲线型p-y曲线在软黏土地基中的适用性,并建立数值模型对不同直径单桩基础的水平承载力贡献因素进行分析。结果表明:API规范法与双曲线型p-y曲线在浅层土中p-y曲线初始刚度与桩周土抗力偏大,双曲线型p-y曲线在一定深度下能够较好地预测土反力随位移的变化关系,m法与双曲线型p-y曲线计算得出的水平位移较实测值偏小,结果偏向不安全,API规范法计算结果相比实测值较大,计算结果较为保守;随着桩径增大,单桩基础的侧摩阻力和基底抗力对水平承载力贡献也会随之增大,双曲线型p-y曲线会严重低估单桩的水平承载力。

水平荷载作用下砂土中非柔性桩的p-y曲线修正

中国近海风机大多采用长径比10~20范围内的非柔性桩基础,而现有规范方法主要针对长径比大于20的柔性桩,对我国风机基础的适用性一直存在争议。本文利用有限元法研究砂土中非柔性桩的水平受荷响应,主要关注容许范围内的桩基倾斜,因此采用硬化土小应变本构模型描述砂土的应力应变关系。建立钢管桩-土三维有限元模型进行变参数分析,探究土体相对密实度、桩基直径对初始地基反力模量的影响;讨论了正切双曲线函数和双曲线函数描述土体弹簧刚度(即p-y曲线)的合理性;最终提出了适用于砂土中非柔性桩的修正p-y曲线表达式,并通过与三种不同砂土相对密实度与桩基组合工况下的有限元结果对比,验证了修正p-y公式的合理性。结果表明:土体相对密实度、桩基直径与初始地基反力模量均呈正相关;双曲线函数更适合描述非柔性桩的p-y曲线;修正后的p-y公式提高了水平荷载作用下非柔性桩响应的预测精度。

负斜桩顶部水平受拉响应及p-y曲线特征试验研究

为研究倾斜桩的水平受拉响应特征,在模型砂土中设置0°、10°、20°倾斜桩及桩底嵌岩20°倾斜桩,桩顶施加水平拉力,拉力方向与倾斜方向相反,测试4根模型桩的水平位移、应变片与土压力盒应变,获得桩身水平位移、弯矩、土抗力和p-y曲线特征随倾斜角和桩底约束条件的变化规律.结果表明:1)桩顶水平受拉时,随着倾斜角的增加,负斜桩顶部水平位移逐渐增大,弯矩峰值随之增大,而土抗力峰值逐渐减小,土抗力峰值点位置逐渐降低,单桩的水平承载力随之降低,抗弯能力减小;2)随着桩底约束程度的提高,负斜桩顶部水平位移减小,桩身弯矩峰值、土抗力峰值减小,单桩水平承载力增大,抗弯能力增强;3)水平荷载作用下,本模型的负斜桩破坏模式为“转动+弯曲”,转动点位置随倾斜角的减小或桩底约束程度的提高而下降;4)0°~20°负斜主动桩p-y曲线可采用p/p_(ub)=α(y/y_(50))^(β)进行拟合,倾斜角与桩底约束程度对α影响不大,倾斜角对β值变化幅度影响较小,β值变化幅度随桩底约束程度提高而降低.

砂土中单桩横向承载的边界面塑性p-y模型研究

在海洋工程实践中,横向承载桩通常采用非线性温克尔地基梁法进行分析,其中土与结构相互作用通过p-y曲线进行模拟,但目前API/DNV规范的p-y模型仅适用少量的土性和桩型,没有给出循环荷载下的p-y滞回曲线。提出了一个适用单调和循环荷载的简化砂土边界面塑性剪应力-剪应变模型,介绍了一种从剪应力-应变响应构建p-y曲线的方法,该方法将应力和应变分别比例换算为相应的土反力p和桩挠度y,具有较好的理论基础。根据API规范中砂土的p-y曲线,采用Masing法则构建了API p-y滞回曲线,并与边界面塑性p-y曲线进行了对比,分析了割线刚度、阻尼比等随位移幅值的变化特性。最后采用模型试验结果验证了所提出的p-y曲线的有效性。

膨胀土浸水前后单桩p-y曲线研究

为研究膨胀土地基中水平受荷桩浸水前后的承载性能,分别进行了浸水前后的水平受荷桩室内模型试验,探究了桩周土抗力(p)、桩的水平位移(y)和桩身弯矩的变化规律;分别建立了浸水前后水平受荷桩的p-y曲线计算公式,并通过模型试验验证了所提公式的正确性。研究表明:浸水前后的土抗力随着水平位移的增加而逐渐增大,最终趋于稳定;浸水前后桩身弯矩均是先增大后减小,最大值位置分别为埋深0.10 m(4D)和0.12 m(4.8D)附近,当水平荷载相同时,浸水后的桩身弯矩较浸水前的有所增大。

地震弱化土石混合体地基单桩p-y曲线

为研究不同强度地震作用下土石混合体地基中的桩-土相互作用力学行为,文中以白鹤滩水电站库区某高桩码头建设工程为背景,根据现场试验获得的土体参数建立了桩-土相互作用有限元模型。通过数值模拟分析,研究了土石混合体地基中桩周水平土抗力与桩身水平位移之间的关系,分析了土体等效动剪切模量对p-y曲线初始刚度和桩周极限土抗力的影响。利用Davidenkov函数,引入等效地基模量,建立了地震弱化土石混合体地基的单桩p-y曲线模型。将文中模型的计算结果与有限元数值模拟和现场试验结果进行了比较,表明模型能够有效模拟不同强度地震作用下土石混合体地基的p-y关系,从而验证了模型的合理性。

基于p-y曲线法的深埋桩桩-土相互作用研究

为了研究超长桩在承受水平荷载下的桩侧水平位移和桩侧土压力的理论计算方法,根据有限杆单元的等效荷载求解原理得到与p-y曲线相适应的非线性弹簧的设置方法,建立了超长桩非线性有限杆单元的理论模型;以实际工程为建模背景,通过ABAQUS软件模拟受到水平荷载时的桩侧水平位移和桩侧土压力,并与实际测得的数据进行对比,以验证数值模拟计算结果的准确性。结果表明:当桩端受到水平荷载作用时,桩侧土压力呈“M”型分布;数值模拟结果与实际工程测量数值之间误差较小,通过数值模拟计算得到的桩侧水平位移和桩侧土压力与实测值之间的相对误差分别在5%和2%以内;通过p-y曲线模型计算得到的桩侧土压力曲线与桩侧水平位移曲线与数值模拟计算得到的各点之间的相关系数R^(2)分别为0.97和0.92,两种方法得到的计算结果基本一致;且利用p-y曲线模型进行计算比通过ABAQUS三维有限元软件计算节约了将近60%的计算时间。在实际工程中,可考虑p-y曲线模型作为超长桩的分析计算模型或作为一种辅助验证方法用以验证通过其它方法计算的准确性。

水平荷载下单桩 p-y 曲线简化计算方法对比研究

对现有的p-y曲线简化计算方法进行了归纳与总结.通过在水平静力荷载作用下淤泥质黏土中钢管桩的模型试验研究,并结合实际工程案例分析,比较采用各类计算方法对实验数据处理后的土抗力分布,以及拟合p-y曲线.结果表明,采用分段3次拟合法得到的土抗力分布曲线更为合理.各类计算方法拟合的p-y曲线均低于API建议曲线.随着土层深度的增加,采用分段3次拟合法得到的p-y曲线更加贴近于实际理论曲线分布.

p-y曲线法在海上风电基础桩土作用计算中的适用性研究

p-y曲线能够反映桩土非线性特征，是API，DNV等规范推荐的-类桩-土相互作翔分析方法，其计算公式是根据现场试桩数据归纳所得，但多为3m直径以内的试桩，对于直径4-6m甚至更大的海上风电单桩基础结构而言，p-y曲线法的适用性值得商榷。然而，直接针对这类大直径单桩进行现场试验来获取p-y曲线并对规范推荐公式进行验证或修正难度较大，为此，采用数值仿真技术，通过有限元模拟，对p-y曲线法的适用性进行了计算和分析。结果表明，规范给出的p-y曲线用于海上风电大直径钢管桩桩-土仿真分析误差较大。

砂土地基斜桩水平承载特性p-y曲线法

基于Reese建议的砂土p-y曲线,提出了适用于斜桩水平承载特性分析的修正p-y曲线及相应的有限元分析方法。根据桩前土体受力特点,假设桩前浅层土体达到极限破坏状态时桩侧被动破坏区为一个三维楔形体,采用极限平衡分析方法导出了斜桩桩侧极限土抗力表达式,对比研究了斜桩倾角、桩-土界面摩擦系数等因素对极限土抗力的影响规律,并给出了斜桩初始地基反力模量确定方法。在此基础上,修正Reese提出的直桩p-y曲线,提出了砂土地基中斜桩p-y曲线确定方法。利用虚功原理,导出了斜桩水平承载特性分析的有限单元列式,编制相应的分析程序,通过算例验证了方法的合理性和有效性。最后,采用修正的p-y曲线法对一离心机模型试验进行了模拟分析,结果表明,计算与试验结果吻合得很好。

输电塔基础斜桩非线性p-y曲线

为了解黏性土中斜桩对侧向荷载作用的响应规律,利用非线性p-y(土抗力-挠度)曲线法研究了斜桩特性.基于试验得到的斜桩土抗力分布曲线,将斜桩理想化为梁单元,土体离散为弹塑性弹簧单元,通过自编计算机程序对斜桩非线性p-y曲线进行了计算和分析.结果表明:计算得到的p-y曲线与试验结果吻合较好,轴向荷载引起的负斜桩沉降小于正斜桩;在相同侧向荷载作用下,负斜桩桩身挠度和内力均小于正斜桩;负斜桩具有侧向承载力大而变形小的工程特性,工程设计应尽量采用负斜桩布置形式.

基于应力增量的单桩p-y曲线分析方法

p-y曲线研究进展一直缓慢,究其原因是缺乏一套成熟的理论体系作支撑。通过考虑桩侧土的实际应力状态,引入Vesic圆孔扩张理论对水平受荷桩p-y曲线进行研究,建立了新的基于应力增量的p-y曲线分析方法。该方法综合考虑了桩侧土体径向应力增量、纵向应力增量效应及桩体深层转动挠曲对水平土抗力的贡献,是一种考虑多种因素的p-y曲线解,可适用于不同桩型条件下的单桩受力分析。算例结果表明:基于应力增量的p-y曲线分析方法在水平受荷桩应用中赋有很好的正确性和准确性,较Reese法、API法和Kim法对大变形问题有更高计算精度。以上研究成果对p-y曲线的发展及深入研究具有重要意义。

基于p-y曲线法的承重阻滑桩内力及位移分析

承重阻滑桩在山区高速公路建设中应用广泛,具有承重与阻滑双层作用,其受力性状远比抗滑桩和平地上受荷桩复杂,此外,桩岩(土)之间的相互作用呈非线性特征,传统的有限元方法建模较为复杂且难以收敛。通过对此类基桩受力特性及荷载传递机制的深入探讨,将桩周岩(土)体视为外部荷载施加,并采用p-y曲线描述桩–岩(土)界面接触的非线性问题,建立考虑多种影响因素的微分方程并得到相应的有限差分解。实例分析表明,以该方法分析承重阻滑桩的内力及位移是可行的,其计算简捷,精度较高,便于工程实际应用。

基于API规范的液化土层桩基p-y曲线修正计算公式

基于小型振动台拟静力试验和往返动荷载试验,将得到的静力p-y曲线及滞回曲线与基于静力方法提出的API规范方法进行对比研究,指出了采用目前API规范中的折减系数方法进行液化土层中桩基横向承载力计算时与实际不符并导致工程设计无法接受的原因。进行四种不同相对密度可液化土中大型振动台桩?土?承台动力相互作用大型振动台试验,考虑到API规范方法在工程中的广泛应用性和可接受性,在不改变其基本模式前提下,提出其中土体初始模量和极限土阻力两个修正参数,以地震波输入下的振动台试验对构建的公式进行验证,结果较为吻合。