砂土中刚性短桩的p-y模型案例研究

基于Winkler地基模型的p-y曲线法在水平受荷桩的分析与设计中应用非常广泛。该方法最初主要针对海洋石油气平台,基于试桩桩径主要不超过1.2 m、长径比大于20的现场水平荷载试验结果,推导了半经验半理论方法。在过去的十年间,快速发展的风能行业(尤其海洋风机)所采用的桩基础尺寸已经远远超出了当初提出现有p-y模型时的试桩尺寸。目前普遍认为,针对大直径(如桩径D?6 m)水平受荷桩的设计,现有p-y模型的可靠性值得商榷和进一步研究。通过两组水平受荷桩基试验实测结果,对当前API规范建议的砂土中p-y模型及其他研究者提出的修正方法进行了案例研究。研究结果表明:不同的p-y模型计算得到的桩身弯矩差异较小,可忽略不计;桩头变形主要受p-y曲线初始刚度值及曲线表达式影响;确定地基刚度常量时,除依据砂土地基的密实度与内摩擦角外,还应考虑地基形成历史。最后,提出了进一步研究方向。

一种适用于水下井口力学分析的新型砂土p-y模型

深水海底浅层土壤是影响水下井口系统动态响应的重要因素,对井口系统的疲劳评估至关重要。目前水下井口动态分析时常采用API推荐的p-y模型模拟导管—土壤相互作用,但该模型没有考虑水下防喷器组(Blowout Preventors,简称BOPs)竖向重载对管土交互的影响,导致水下井口动态分析存在较大计算误差。为此,首先根据常规和新型p-y曲线的理论模型进行数值计算,然后采用ABAQUS软件建立实尺寸水下井口管土相互作用模型,加载计算得到BOPs重载下导管变形—土壤抗力仿真结果并与理论模型进行对比,最后采用缩尺土箱实验验证新型p-y模型在水下井口动态响应分析的正确性。研究结果表明:①采用新型p-y模型得到的导管弯矩、土抗力等数值计算结果与ABAQUS仿真和缩尺实验均吻合良好;②相对于常规管土模型,采用新p-y模型得到的水下井口弯矩、位移响应幅值等降低15%左右,得到的导管弯矩、位移响应幅值等降低幅度介于25%~30%;③新型砂土p-y模型充分考虑了BOPs竖向重载对管土相互作用的影响,在隔水管—水下井口系统力学分析中具有更好的适用性。结论认为,考虑到BOPs竖向重载对管土交互的影响,通过数值模拟及缩尺试验研究了新型p-y模型,并验证了其适应性,新模型有效提高了水下井口疲劳载荷计算的准确性,为水下井口系统疲劳评估提供了理论计算依据,为深海油气的开发提供了保障。

Boulanger桩-土非线性动力相互作用p-y模型二次开发的验证

利用LS-DYNA程序的用户可编程特性,采用基于中心差分法的显式数值计算方法,二次开发了考虑桩-土非线性动力相互作用的p-y本构模型,通过不同固结围压、循环振次、加载幅值和加载波形的不排水静三轴实验及动三轴实验,对所开发模型的有效性进行了对比验证.结果表明,模型具有较高的求解效率和精度,可用于桩-土相互作用问题的非线性数值分析.

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。

应用于海洋工程中水平受荷桩特性分析的修正P-y曲线模型

水平受荷桩特性常采用API规范中的P-y曲线法进行分析,但是对于长期受循环荷载的海洋工程中的水平受荷桩来说静力计算结果往往偏小.为此,首先在API规范的基础上对其中的3个关键参数静止土压力系数K_0、投影角α和初始地基刚度K进行了重新定义和取值,并采用两个试验桩进行了验证,结果证明修正后的P-y曲线模型相对API规范模型和双曲线模型能更有效地预测单桩位移反应性状.同时,在静力分析基础上,针对Rosquo3t折减方法的不足,对其中影响系数a的取值进行了改进,将改进后的折减方法与修正后的P-y曲线模型相结合仍然对前述两个循环荷载作用下桩的水平受荷特性进行了分析,结果表明修正方法得到的计算结果和实测值吻合得很好.

动力p-y曲线模型在桥梁桩基础分析中的应用

地震作用下土-桩-结构相互作用(SSPSI)是桥梁抗震领域的一个重点和难点问题。在介绍动力p-y曲线分析模型的基础上,通过与试验对比验证其合理性,通过参数敏感性分析确定其影响参数,并对其进行了进一步探讨。研究发现:动力p-y曲线分析模型可较为全面地描述SSPSI,砂土摩擦角是该模型的主要参数,自由场土体应尽可能取较大的长度,地震动强度影响土体进入非线性的程度。

海上风电大直径单桩的修正p-y曲线模型

单桩基础是当前海上风电常用的基础形式,常采用API规范推荐的p-y曲线对单桩的水平位移进行分析计算。当单桩基础桩径大于2 m时,API推荐的p-y曲线模型高估了初始地基刚度,引起桩基水平位移计算结果不准确。因此,分析现有p-y曲线法高估初始地基刚度的主要因素;对p-y曲线模型中的关键参数进行修正;根据FLAC3D数值模拟计算结果,引入桩径大小、土体深度对初始地基刚度K的影响,建立修正p-y曲线模型。在此基础上,开展三个案例分析对建立的修正p-y曲线进行验证,与现有的p-y曲线、已有的修正模型对比;结果表明建立的修正p-y曲线模型的计算结果与试验实测值吻合较好,验证了建立的修正模型的合理性。

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。

基于离心机实验的海上风力机大直径单桩桩土作用研究

地基基础是海上风电结构所受载荷的最终承载者,针对中国沿海软弱超固结软土地基开展力学特性研究。通过离心模型试验方法对单桩基础形式的静力特性进行分析和对比。研究结果揭示通过离心模型试验模拟桩基础的有效性,该方法能准确捕捉现场地基的应力分布及桩与土体之间的相互作用特性。在软黏土环境中,针对不同直径的单桩进行的分析表明,其变形行为及桩土相互作用机制呈现出显著的差异性。规范中的p-y曲线不适用于中国近海土质,据试验结果提出地基无量纲水平抗力系数随埋深变化和与循环应力幅值相关的循环弱化因子计算模型。

浸水硬质粘土的P—Y试验模型

本文叙述了在浸水的超固结粘土试验场地上对装有测量仪器的、不同直径的桩所进行的一系列实比、周期、侧荷试验。在这试验的基础上建立了一个P—Y模型。这个模型可以用来确定桩径、桩和土的相对刚度以及荷载循环次数对此种场地类型的单位荷载一偏斜关系的影响程度。这一模型特别地适用于大直径的桩。它与实际中所观察到的现象相吻合。即存在一个临界偏斜,低于这一值时,土的周期性软化不再发生。它反映了所推断的事实,即软化主要由桩和土之间的间隙引起,并由于水力冲刷加剧。而每次加荷之间的静止期间不但不会导致土的抵抗性能提高,而事实上看来却通过膨胀引起进一步软化。

考虑桩-土相互作用的不等高墩桥地震响应分析

基于LS-DYNA有限元软件的二次开发功能,引入p-y桩土动力相互作用模型和钢材的BONORA损伤本构模型。以某大桥四跨引桥为研究对象,建立了包括考虑土-结构相互作用的WINKLER地基梁模型、有效桩长模型、全桩长模型,以及不考虑土-结构相互作用的无桩模型等四种桩基础分析模型和上部结构弹塑性损伤分析模型;通过场地自由场求解,在桩侧节点上施加相应位置的加速度时程,对基于四种桩基础模型的该大桥进行了自振特性以及在小震、中震和大震下的位移、加速度、内力、损伤分析,并探讨了WINKLER地基梁模型不同深度下桩-土p-y模型的应力-应变关系和桩身变形特性。结果表明,桩基础数值分析模型对结构整体响应影响显著,不等高墩桥顺桥向与横桥向响应差距大,所开发的p-y模型可用于桥梁结构精细化数值分析。

液化场地-群桩-上部结构动力相互作用简化分析方法

基于已完成的液化场地-群桩基础-上部结构体系动力相互作用大型振动台模型试验,采用API规范推荐的p-y曲线模型,将液化自由场动力分析得到的土体位移时程和孔压比时程作为简化分析模型的外部输入条件,在OpenSees有限元平台中建立了液化场地-群桩-上部结构系统动力相互作用简化分析模型。模型综合考虑了地震荷载作用下的砂土液化效应、群桩效应以及承台与土之间的动力相互作用。基于建立的简化分析模型,分析地震荷载作用下液化场地-群桩-上部结构系统中桩基和上部结构的动力响应,并与振动台模型试验结果进行对比。对比表明,两者结果均较为吻合,验证了本文数值建模过程以及所提出的简化分析方法的可靠性。

基于水平受荷桩p-y曲线的桩锚支护结构位移分析

基于位移控制的深基坑支护结构设计方法已经被广泛采用,为了更准确地计算出围护桩的水平位移,本文引入水平受荷桩的p-y曲线模型,推导得出水平反力系数ks与基坑开挖深度和围护桩水平位移的关系,结合土体与围护桩共同变形的挠曲线方程,建立差分方程,并编写Matlab计算程序,通过编程解得围护桩的水平位移。通过实例分析,将编程计算位移与有限元分析软件分析得到的位移以及实测相比较,本文方法所算得的位移更符合实际情况。