现浇X形桩竖向承载特性足尺模型试验研究

X形桩是一种利用截面形如X形的钢模,经过沉管、浇注混凝土、养护成形之后所形成的现浇混凝土桩。该桩具有承载力高、经济适用、施工方便等优点,对于高速公路、铁路等工程中的软土地基处理具有较好的适用性。采用河海大学自行研制的大型桩基模型槽试验系统,通过竖向静载试验,研究了X形桩与圆形桩的极限承载力、桩身侧摩阻力、桩端阻力与桩侧摩阻力的荷载分担比的变化规律。结果表明:与圆形桩相比,X形桩在相同混凝土用量下能够显著提高截面利用率及承载力水平。研究成果可为进一步研究X形桩的各种工程特性提供重要依据。

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。

无砟轨道X形桩–筏复合地基动土压力分布规律试验研究

基于1∶5的轨道–路基–桩筏复合地基模型,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无砟轨道X形桩–筏复合地基的动力特性模型试验,研究不同激振频率引起的轨道–路基–桩筏复合地基中的速度和动土压力,测得了速度响应、动土压力随深度和激振频率的变化规律。研究结果表明:在路堤横截面方向上,振动响应主要集中在轨道–路基结构中,基床表层中的动土压力在路堤横截面方向呈"W"形分布,地基表面的动土压力呈"U"形分布。基床表层中的动土压力荷载放大系数随激振频率的增加而逐渐增加。相关研究成果可为无砟轨道X形桩–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。

振动波型对X形桩桩–筏复合地基动力响应影响的模型试验研究

基于大比例模型试验系统,开展砂土地基中现浇X形桩桩–筏复合地基的模型试验研究;分析正弦波与"M"波荷载作用下X形桩桩–筏复合地基的累计沉降、动位移幅值、动刚度、振动速度等的变化规律,初步揭示X形桩桩–筏复合地基动力响应机理。试验结果表明,桩筏复合地基的沉降s与荷载循环次数N的关系曲线可近似用对数函数描述;动位移幅值和动刚度与荷载形式和振幅有关。振动速度随深度增加而逐渐衰减,碎石垫层在振动速度向地基土传播过程中起到了良好的减震作用。研究成果为X形桩–筏复合地基的应用提供了参考依据。

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。

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。

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。

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。

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。

水平荷载下X形桩承载特性简化计算方法

X形桩具有单位材料桩-土接触面积大、桩侧摩阻力高等技术特点;然而,工程设计与计算中缺少有效的X形桩水平向承载力的简化方法,一定程度上限制了其在工程中的推广应用。基于常规圆形桩p-y曲线计算方法,考虑异形截面折减系数,建立水平荷载作用下X形桩的简化理论计算方法;通过与大比尺模型试验结果的对比分析,验证本文所建立理论模型的准确性和可行性。最后,分别针对桩长、桩周土性、p-y曲线选择以及荷载等级等因素开展影响因素分析。研究结果表明:考虑异形截面折减系数,X形桩水平承载力也可以采用圆形桩的p-y曲线方法进行估算。

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。

现浇X形桩桩承式加筋路堤三维有限元分析

桩承式加筋路堤在高速公路软基处理中得到了广泛应用,但目前对其承载变形机制还缺乏深刻认识。结合南京长江第四大桥北接线段软基加固工程,基于数值方法对现浇X形桩桩承式加筋路堤中桩土沉降、桩土应力、桩身轴力及超静孔隙水压力的发展变化规律进行了分析。研究结果表明,受土拱效应影响,路堤填筑荷载主要由桩体承担,桩及桩间土土压力在路堤填筑过程中均逐渐增大,在软基固结过程中,桩顶土压力继续增大而桩间土土压力逐渐减小,最终趋于各自的稳定值;路堤填筑过程中桩身轴力增长较快,现浇X形桩桩身上部较大部分区段存在负摩阻力,桩身中性点位置经历了先逐渐上移、而后向下移动,最终趋于稳定的过程。

路堤荷载下现浇X形桩复合地基承载特性数值分析

以江苏省南京长江第四大桥北接线工程N1标段现浇X形桩软基加固段为工程背景,建立了路堤荷载作用下现浇X形桩复合地基数值分析模型,开展了现浇X形桩复合地基承载机理的分析,并采用现场实测沉降曲线验证了分析方法的合理性。就填土期和运营期地基土固结对现浇X形桩桩身轴力和桩侧摩阻力的影响进行分析,探讨了褥垫层模量、褥垫层厚度、桩体模量、桩端土模量对桩身轴力、桩侧摩阻力和桩土应力比的影响。结果表明:随着路堤的填筑和地基土的固结,桩土应力比先快速后缓慢增加并逐渐趋于稳定,中性点逐渐下移;褥垫层模量和厚度的增加对调节现浇X形桩桩土应力分配有明显的作用;由于现浇X形桩为摩擦刚性桩,桩顶荷载主要由桩侧摩阻力承担,桩端土模量和桩体模量对桩身轴力和中性点位置的影响较小;路堤荷载下现浇X形桩的桩土应力比可在30左右,褥垫层模量建议取为20～50MPa,厚度为30～50cm。

高速铁路X形桩桩网复合地基动态响应分析

桩网复合地基在高速铁路建设中的应用越来越广泛,但其在动态列车荷载作用下的响应机制尚不甚清楚,这使得对高速列车荷载作用下桩网复合地基的研究显得十分迫切。为此,建立了大比尺X形桩网复合地基模型,研究了地基土-X形桩-加筋垫层-路堤-轨道系统的动态响应特性。结果表明:随着列车速度和轴重的增加,动土压力、动位移、动应变、振动速度等的响应幅值均在增大。由于波在桩-土界面的反射作用,桩底动土压力大于桩顶动土压力。与无桩无网的路堤相比,桩网复合地基减振效果显著。桩顶正上方格栅动应变响应幅值的增长幅度约是桩间土正上方格栅动应变响应幅值增长幅度的2倍。X形桩桩身中部和桩底的瞬态动应变较大。同一位置处,加载频率对振动速度的影响远大于加载幅值对其影响;与路堤表面相比,复合地基内部振动速度的增长幅度受加载频率的影响更大。在地基面以上路堤部分检测到了"类共振"现象,在铁路建设中可以通过改变路堤刚度避免出现此现象。

列车荷载作用下X形桩-网复合地基动力响应研究

基于大比例X形桩‑网复合地基模型,开展了高速铁路列车荷载下桩‑网复合地基的动力特性试验研究,分析了不同车速情况下地基土的振动速度、动应力和动位移的分布特性,探讨了循环荷载下轨道路堤地基系统的振动响应和路堤内部动应力的分布特征和衰减规律。采用PLAXIS 3D建立数值分析模型,研究了不同列车轴重及振动频率对路堤振动速度响应的影响,对比了无筋路堤与双层土工格栅加筋路堤在动荷载作用下桩顶与桩间土竖向应力的分布规律。结果表明:轨道板表面处竖向位移随时间呈“M”形周期性变化;竖向速度响应在路堤表层处最大,沿地基横向及深度方向逐渐衰减,在路堤中衰减了近90%。随着加载频率及加载幅值的增大,土体振动速度逐渐增大。动荷载对无筋路堤影响显著,土拱效应明显减弱,桩土应力比值随加载频率的提高逐渐减小。土工格栅加筋路堤张力膜效应能够减小动荷载对复合地基的影响。

不同车速下高速公路X形桩网复合地基动力特性研究

基于大比例模型试验系统,开展高速公路车辆荷载作用下X形桩网复合地基动力模型试验研究;测试了不同车速作用下桩网复合路基的动力响应,包括路基内部动应力分布、动应力扩散、格栅动应变、格栅累积应变、桩土差异沉降等的变化规律。结果表明,高速和低速状态下,动应力均会在格栅处产生波动,并且高频车速对车辆附加荷载贡献较小;当车速达到高速状态时,格栅的动应变变化较小,路肩处的垫层应力传递系数要小于路基中心处;格栅动应变比与格栅应变增量比存在线性关系,并且格栅的累积变形主要是在低速状态下产生的;车速越快,X形桩身动应力幅值越大,其桩身轴力小于圆形桩。

车辆载重与动荷载对X形桩桩-网复合地基动力特性影响的试验研究

基于大比例模型试验,采用半正弦波模拟移动车辆荷载,通过开展不同车辆载重和动荷载作用下X形桩桩-网复合地基的动力特性模型试验,分析桩身动应力、土拱效应、动土压力、垫层应力传递系数、格栅动应变等的变化规律,初步揭示了车辆载重和动荷载对X形桩桩-网复合地基的影响机制。试验结果表明,车辆动荷载对X形桩桩身动应力的影响深度约为2 m;车辆载重和动荷载的增加会导致桩间土承受更多的动应力,并且会降低路肩处土工格栅的作用;但是,路基中心的垫层应力传递系数几乎保持不变;土工格栅的动应变比超过0.048时,格栅累积变形会随着车辆载重和动荷载的增加迅速增大。

循环加载下X形桩竖向承载特性模型试验研究

实际工程中桩基经常受到各种动荷载作用,如高铁路基中的加固桩长期承受列车行车时产生的循环动荷载作用,桩基在循环荷载作用下的承载特性研究对动荷载下的工程设计至关重要。X形桩是一种在传统圆形截面桩基础上发展而来的新型异性桩技术,其承载机制不同于传统圆形截面桩。为了深入研究X形桩在循环荷载作用下的动力特性和荷载与沉降规律,开展了砂土中X形桩竖向循环加载大比尺模型试验。试验结果表明,随着循环加载的进行,X形桩顶产生累计沉降,且循环荷载比越大,加载频率越高,桩顶沉降越快;循环加载初期,X形桩顶动刚度降低,桩身轴力响应增大,桩侧摩阻力发生弱化,之后逐渐趋于稳定,且桩身下半段侧摩阻力较大;在同等加载条件下X形桩与等截面圆形桩相比,承受动荷载能力较强,桩侧摩阻力较大,长期循环加载作用下产生的累计位移较小。研究结果可为X形桩在动荷载作用下的工程设计提供参考依据。