Estimation of Axial Pile Bearing Capacity According to Shear Strength Parameters of Soil

At pesent, it is very popular to estimate pile bearing capacity by use of empirical formula and physical indexes of soil provided in the design codes for civil construction in China. This paper attempts to apply mechanical indexes of soil and semi-empirical formulas, which are based on soil mechanical theories and were summarized and presented by Meyerhof in 1976, to calculate the axial pile bearing capacity. Loading test results of 24 single piles in Tianjin area have been collected and compared with the proposed calulation approach.

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。

旋转剪切式青花椒采摘装置设计与试验

针对基于“下桩”采摘方法的青花椒采摘设备存在喂入困难、易堵塞而造成采摘效率低的问题,该研究设计了一种旋转剪切式青花椒采摘装置。首先基于花椒枝物理、力学特性确定旋转剪切式青花椒采摘过程包括花椒枝旋转驱动、花椒枝导向喂入和剪切采摘,剪切采摘功能由往复式切割器实现。并设计双动刀往复式切割器及其传动机构,确定了剪切采摘装置的结构和运动参数。进一步地,运用ANSYS/LS-DYNA构建花椒枝剪切仿真模型,确定最优齿形参数为:刀齿切割角20°,刀齿刃角50°,刀齿厚度2.5 mm,该条件下峰值切割力为3.739 N。最后通过单因素试验确定了花椒枝喂入角度、花椒枝喂入速度、花椒枝旋转速度的取值范围分别为40°~60°、20~40 mm/s、20~40 r/min;并采用BoxBehnken设计法制定三因素二次回归正交组合试验方案,运用Design-Expert 12对试验结果进行方差分析和响应面分析,得到旋转剪切式青花椒采摘装置的最优工作参数为:花椒枝喂入角度55°,花椒枝喂入速度33.21 mm/s,花椒枝旋转速度30 r/min;通过试验验证得出在最优工作参数下,单人单枝喂入时青花椒平均采摘效率为10.95 kg/h,平均采净率为95.57%,平均伤果率为12.87%。研究结果可为青花椒采摘机的研发提供技术参考。

埋深和水土含量对松散岩堆抗剪强度的影响

针对松散岩堆剪切力弱会引起滑坡、崩塌等严重自然灾害的问题,运用相似理论,以石英砂为基本岩块、黏性土为填充土,配置相似材料,分别控制不同填充土含量和含水率并进行三轴试验,研究不同埋深下填充土的含量和含水率对松散岩堆抗剪强度的影响。结果表明:填充土的含量和含水率是松散岩堆咬合力和内摩擦角的关键影响因素,咬合力受影响程度更大;填土中的水对于松散岩堆的剪切力起着削弱作用;岩堆剪切力随着埋深的增加而增加,不同埋深处岩堆有相同的最佳填充土含量和含水率;在恒定岩堆土重度情况下,抗剪强度和埋深呈线性关系。

基于桩-土界面剪切特性的单桩沉降和承载问题研究

近年来,西北地区出现了许多高填方场地,为减小建筑物基础的不均匀沉降,基础类型广泛使用桩基础。与一般场地不同,黄土填方场地中的单桩桩周土受力后仍会产生较大的变形,该类场地单桩沉降机制复杂。桩顶总沉降计算是桩基设计的重要依据,为此,建立了高填方黄土场地单桩桩顶总沉降计算模型。基于传统的荷载传递法和剪切位移法,分别考虑桩-土界面的桩-土相互作用和桩-土界面外剪切带土体的剪切变形。依据桩端边界,将单桩类型分为摩擦桩和端承摩擦桩,分别建立桩周土弹性阶段和塑性阶段的桩身位移控制微分方程,结合边界条件进行求解,得到桩身位移、轴力、侧摩阻力,并通过弹塑性理论求解了桩周土剪切带土体剪切变形,进而通过叠加原理求得桩顶总沉降。用桩长与桩周土塑性发展深度的比值,定义了桩基承载力安全系数K。通过算例分析与现场试验数据对比分析,研究结果表明:使用新的模型计算得到的桩顶总沉降与现场试验结果相近;当桩顶荷载较小、桩周土处于弹性阶段时,桩端边界对桩身轴力、位移和侧摩阻力影响很小,但桩周土进入塑性滑移阶段后,桩端边界的影响开始变大,考虑桩端土的承载能力会极大提高单桩极限承载力;建立了将荷载传递法和剪切位移法综合起来的计算模型,不仅可以考虑桩-土界面的相对滑移,还可以计算桩-土界面外土体剪切带的剪切变形,使得桩顶总沉降计算更加精确,可为类似场地中单桩沉降的分析与控制提供一定的参考。

考虑剪切速率影响桩土界面力学特性模拟研究

文中通过大型直剪仪研究了黏性土与混凝土界面的界面摩擦阻力,测定了不同剪切速率和法向应力下黏性土-混凝土界面摩擦阻力以及剪切速率与剪切破坏位移的关系.结果表明:黏性土与混凝土界面的剪应力-剪切位移关系受剪切速率和法向应力的影响.剪切速率对界面附着力和界面摩擦角均不存在影响,界面剪切破坏位移与剪切速率之间没有明显的相关性,但剪切速率对桩-土界面剪切破坏位移有一定的影响.因此,静压桩沉桩速度范围内,剪切速率对桩土界面力学特性影响不大.

某高层剪力墙结构不均匀沉降分析及处理

无新增荷载情况下的持续不均匀沉降常常发生在地基有缺陷的高层建筑中,该类沉降产生的破坏是缓慢持续的。地基不均匀沉降会导致建筑物开裂、倾斜,进一步发生结构安全事故。依据某高层剪力墙结构以及不均匀沉降监测数据,采用ABAQUS建立该高层剪力墙结构三维有限元计算模型,分析不均匀沉降工况下上部结构的内力分布及整体变形发展规律。结果显示,有限元计算得到的模型内力增大位置与实际外墙主要开裂位置相吻合,整体沉降变形发展规律与现场实测数据基本一致,证明上部结构三维有限元模型的可行性。进一步建立剪力墙结构-桩筏基础-地基耦合计算模型,开展不同筏板厚度对整体结构不均匀沉降的影响分析。同时结合实际案例制定“增设筏板+补桩”处理方法,加固完成后监测数据显示房屋处于稳定状态,变形与裂缝均无发展。

循环荷载作用下钢桩-软黏土接触面剪切特性研究

目前,中国海上风电工程的建设已进入快速发展阶段。海上风电机常采用大直径钢管桩作为基础,然而现在的桩基承载力设计预测方法往往基于小直径柔性桩,不适用于大直径刚性桩。因此需要研究海上桩基桩-土界面的相互作用,来对海上大直径刚性桩基的设计预测方法进行优化。使用循环荷载作用下钢桩-软黏土大型接触面剪切试验数据,建立法向循环荷载作用下钢与黏性土接触面剪切试验的离散元模型,对各个细观参数进行标定,分别研究动荷载频率和幅值对剪切特性的影响,并进行了细观机理分析。数值模拟结果表明动荷载频率和幅值越大,钢与黏性土接触面强度越小,其中动荷载幅值的影响较为明显。通过细观机理分析可以发现:动荷载频率和幅值越大,接触面处黏性土的颗粒位移越小;静荷载下黏性土的颗粒间作用力大于动荷载下的颗粒间作用力;动荷载会导致颗粒间的扰动,从而使接触面强度减小。研究结果可以为海上风电桩基承载力的准确预测提供理论基础。

砂岩-混凝土结构面剪切特性试验研究及离散元模拟

为从宏、细观角度揭示常法向刚度(Constant Normal Stiffness,CNS)条件下锯齿状砂岩-混凝土结构面剪切机制,首先采用湖南大学自主改造的CNS岩石直剪仪开展3组砂岩-混凝土结构面室内剪切试验.在此基础上,采用刚性墙替代法建立与室内试验相应的离散元数值模型,并引入3个显式运动学方程控制砂岩试样运动轨迹从而实现CNS条件加载,将数值模拟与试验结果对比验证了模型的合理性.随后,开展16个工况的数值剪切试验,通过观察剪切裂纹扩展和力链演化形态,从细观角度揭示结构面破坏模式和荷载传递机制,并从宏观角度分析锯齿几何尺寸(半波长λ、起伏角θ)和加载边界条件(初始法向应力σn0、法向刚度K)对剪切强度和法向膨胀的影响.结果表明:剪切裂纹按照“平稳增加—急剧增加—增幅减小”的发展趋势由结构面区域逐渐向岩石内部扩展,结构面破坏模式随起伏角的增大由滑移磨损向剪断破坏过渡,剪切强度随λ、θ、σn0和K的增加呈指数函数型增加.

大型梁式承台模型试验及跨中挠度简化计算方法研究

为了解大型梁式承台的力学性能,以某快速化改造工程的大型梁式承台为背景,按照缩尺比1∶10制作梁式承台模型进行力学性能试验,结合有限元计算,分析梁式承台结构受力、破坏模式、开裂情况等,并研究不同跨高比条件下梁式承台的受力特性。结果表明:在跨中荷载作用下,梁式承台受力大致可以分为线弹性阶段、裂缝发展阶段和屈服阶段3个阶段;线弹性阶段截面应力分布已不满足平截面假定,剪切效应对结构变形的影响不可忽略;模型最终破坏模式为弯曲破坏;裂缝主要表现为跨中弯曲裂缝和斜裂缝;跨高比越小,梁式承台剪切刚度越大。为考虑剪切效应对梁式承台变形的影响,拟合得出梁式承台跨中挠度的简化计算方法,将该方法计算值及规范计算值与试验值进行对比,可得在裂缝发展阶段,规范计算值与试验值偏差较大,所提方法计算值与试验值偏差较小,该方法可用于线弹性阶段及裂缝发展阶段梁式承台跨中挠度的初步估算。

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。

隧道穿越岩堆体围岩剪切特性及分级

为解决隧道穿越岩堆体围岩分级不准确的问题,通过相似材料直剪试验分析岩堆体的直剪特性,将含水率和填充土含量两个因素带入熵权可拓物元法,并结合地质指标进行分级研究。结果表明岩堆体的抗剪强度随着含水率、填充土含量的增大,先增大后减小,最终趋于平稳,过高或过低的含水率和填充土都会“弱化”岩堆体的抗剪强度。根据岩堆体的特点,选取岩石单轴饱和抗压强度、节理裂隙密度、岩体完整性系数、含水率和填充土含量作为分级指标,结合熵权可拓物元法,将所选指标和熵权可拓物元法结合并在工程实例进行验证,分级结果比原方法准确性更好,证明研究提出的围岩分级方法是合理可行的。研究结果能够为岩堆体隧道的围岩分级提供指导,为施工设计和支护方式提供依据。

岩石山区输电线路微型桩抗剪性能有限元分析

微型桩具有结构简单、施工周期短和绿色环保等优点,在山区输电线路工程中具有广泛的应用前景,也符合电网建设机械化施工的发展方向。利用有限元分析方法,建立了岩石山区输电线路微型桩的抗剪力学模型,研究了微型桩在水平荷载下的承载能力,讨论了不同桩径、桩身弹性模量以及岩石地质参数对微型桩抗剪性能的影响。研究结果表明:除了岩石地质参数,山区输电线路微型桩的抗剪性能还受桩体几何结构参数的影响。随着桩径和桩身弹性模量的增加,微型桩的抗剪性能相应提高,其中桩径对微型桩水平承载力影响最大;当土体弹性模量、摩擦角和黏聚力增加时,桩身位移将非线性递减,其中摩擦角对桩身水平位移的影响最大,土体弹性模量影响最小。

冲刷条件下桩基础水平承载特性研究

为了研究冲刷条件下桩基础水平承载力学性能,文中建立了冲刷条件下群桩基础的有限元模型,分析冲刷深度对群桩桩身的水平位移、桩身弯矩以及桩身剪力的影响。结果表明,前排桩的水平位移随着桩深度增加的降低速率为4.85 mm/m,后排桩的水平位移随着桩深度增加的降低速率为4.21 mm/m。与无冲刷条件相比,冲刷后桩身的水平位移显著增加,前排桩桩身弯矩和剪力的反弯点位置均下降;桩身的弯矩及反弯矩值明显增加,前排桩的最大弯矩值增加了75.8%,后排桩的最大弯矩值增加了72.7%;桩的转身剪力反弯点位置降低,桩身的剪力及反剪力值明显增加,前排桩的最大剪力增加了89.3%,后排桩的最大剪力值增加了72.1%。

基于Spencer法的抗滑桩加固边坡地震稳定性分析

针对抗滑桩加固边坡地震稳定性分析问题,根据拟静力分析和极限平衡理论,提出抗滑桩加固边坡地震稳定性分析的扩展Spencer法,得到桩身剪力与边坡稳定系数之间的关系曲线,进而确定满足指定稳定性设计安全系数要求的滑面处桩身剪力。通过实例分析表明:桩身剪力随水平和竖向地震影响系数的增大而增大,水平地震影响系数比竖向地震影响系数对桩身剪力影响显著,桩身剪力随桩位靠近坡顶呈非线性减小趋势。

考虑锚杆拉剪破断特性的锚固系统数值模拟与应用

基于FLAC3D数值模拟软件,考虑锚杆拉剪破断特性,通过FISH语言将pile单元进行修正,反映了锚杆的拉剪破断特性;并且引入了锚固界面的黏结滑移模型,模拟了锚固界面的应变软化行为。将修正的锚杆模型进行验证分析,与室内试验结果吻合良好,且能够较好地反映锚固界面的黏结滑移力学行为和锚杆杆体的破断行为。以中关铁矿为研究对象,开展了修正锚杆模型的应用研究,研究结果可为地下锚固工程稳定性分析提供借鉴。

带接头PRC管桩抗剪性能试验研究

为研究接桩方式对混合配筋混凝土管桩(PRC管桩)抗剪性能的影响,考虑两种接桩方式(抱箍式和卡箍式)及钢套箍厚度为设计参数,对设计制作的3个带接头的PRC管桩和1个不带接头的PRC管桩进行四点弯曲试验。现行图集中抗剪承载力计算公式可用于PRC管桩抱箍式接桩验算,而卡箍式接桩方式易在端板与混凝土交接处形成应力集中,导致其受力性能变差。因此,接桩时建议采用抱箍式接桩方式,并避免采用卡箍式。

预制装配墩柱-桩基础承插节点冲切性能研究

承插连接由于具有整体性能好、施工工序简单和拼装容许误差大等优点,成为预制装配桥墩节点的有效连接方式之一。为探明桩基础承插节点的冲切失效模式及承载力计算方法,采用ABAQUS有限元软件建立预制装配墩柱-桩基础承插节点数值计算模型,通过UHPC-NC直剪试验和墩柱-桩基础轴压试验进行了数值模型校验,研究了底板、接缝和承插连接参数对预制装配墩柱-桩基础承插节点的冲切传力机制、承载能力和失效模式的影响规律,提出了预制装配墩柱-桩基础承插节点冲切承载力计算公式。数值模拟结果表明,预制装配墩柱-桩基础承插节点的传力路径沿墩柱底部到桩的顶部;峰值荷载过后,承台底部混凝土开裂失效;接缝承载力和UHPC与混凝土之间的接触面积呈正相关,承台的冲切承载力与底板高度呈正相关。此外,当承插深度与底板高度之比由0.60增大到2.08时,接缝承载力提升了80.2%,而承插连接以及底板承载力分别降低了27.7%、52.9%,承插连接参数与底板参数具有相同的变化趋势,且底板承载力对承插连接承载力的占比较大,说明底板对承插节点承载力的贡献起主导作用。通过对已有试验和数值模拟分析,将底板和接缝的贡献系数分别取为1.00和0.92,为类似预制装配墩柱-桩基础承插节点冲切承载力的计算提供了依据。

黏性土-混凝土界面抗剪及残余强度试验研究

文中采用自制的大型试验系统,通过直剪试验对粉质黏土-混凝土界面在不同粗糙度条件下的剪切特性展开研究,探明预制桩桩-土界面的力学参数与粗糙度之间的关系。结果表明粗糙度是预制桩桩-土界面的剪切强度和剪切刚度等力学性质的重要影响因素。界面抗剪强度、界面摩擦角、界面附着力、界面剪切刚度和界面剪切破坏位移等力学参数均随着混凝土表面粗糙度的增大而增大,其中剪切破坏位移增幅较为显著,最大增幅达55%;界面附着力随粗糙度增大呈先减小后增大的趋势,最大增幅23.7%。试验结果对静压桩的工程实践具有重要意义。

格形钢板桩结构稳定性计算研究

格形钢板桩结构广泛的应用于码头、人工岛、护岸、防波堤、围堰等多种水工结构,其设计工作的关键是结构稳定性计算。文章重点梳理讨论了国内外规范中格形钢板桩结构环向拉力、内部剪切稳定性、抗倾覆稳定性等计算项目及计算方法,对比分析了各种计算方法的适用性。围绕内部剪切稳定性计算,在北岛修正法的基础上,通过理论分析,基于微元法推导了墙体内部水平剪切抗力矩计算公式,并与规范中计算方法对比,提出的抗力矩计算公式具有一定的适用性,并提出了与计算公式相匹配的抗力系数建议值,研究成果可为格形钢板桩设计及研究提供技术支撑。