基于透明土技术的开口管桩施工模拟

开口管桩因为土塞效应的存在,其施工力学机理比实心桩要复杂。传统的测量方法无法测得整个桩周土体的位移场以及土塞的具体情况。利用透明土技术,模拟不同桩径,壁厚的开口管桩的沉桩过程,得到管桩外侧土体的全部位移场,并观测到土塞高度的变化、土塞中土颗粒的位移向量场和土塞土颗粒位移中性面。通过对实验结果的分析,可以得到以下结论:不同截面尺寸的管桩施工引起的土体变形区域的横向范围与管桩内径与壁厚的比值（r/w）成反比,且每施工2倍管桩外径R深度,横向影响范围扩大67%;当外径相等时,r/w值相差150%时,土塞高度相差186%;土塞效应和桩径无关,和r/w有关;当壁厚保持一定的同时,土塞高度变化量约为管桩内外径比（R/r）的改变量的2倍;土塞达到完全闭塞状态时还会发生桩端土体的剪切破坏,从而管桩内腔涌入新土形成新的土塞。     

砂土中开口管桩沉桩过程的颗粒流模拟研究

基于颗粒流理论,采用PFC2D程序,模拟再现不同型号开口管桩在沉桩过程中土塞的形成演化规律、土颗粒细观结构变化以及桩周土应力场分布情况,并通过分析土体细观变化模式揭示沉桩过程中宏观力学响应的内在机制。计算结果表明,管桩直径对土塞效应影响很大,外径为30 mm的开口管桩,沉桩过程中土塞增量填充率（IFR）值较小,土塞效应明显,土塞高度小,类似闭口桩;随着管桩直径的增大,土塞效应迅速减小,大直径管桩在砂土中沉桩全部闭塞的可能性很小。细观因素（孔隙率和滑动比例）与土体宏观位移表现之间存在着明显的相互对应关系,并依此将桩周土划分3个区域。桩周土体水平应力、竖向应力和剪应力都在桩底附近形成“应力核”,不同型号管桩桩周土应力场分布相近。     

开口管桩高频振动贯入过程的ALE有限元分析

任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法吸取了拉格朗日和欧拉法的优点,避免了常规有限元中拉格朗日方法的网格畸变问题,适用于开口管桩高频振动贯入过程的计算分析。采用ALE有限元方法,建立开口管桩高频振动贯入过程的数值模型,对沉桩过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行了详细研究。研究结果表明:挤土应力主要沿径向传播,且深层土体受到的挤土应力比浅层土体大;水平挤土位移随管桩贯入深度的增加而增大,而最大水平挤土位移与管桩贯入深度存在累积效应;挤土效应的影响范围约为10倍管径,因此在施工过程中要给以足够重视;桩外侧摩阻力随贯入深度增加呈近似线性增长,桩内侧摩阻力随贯入深度增加而呈非线性增长,增长速率随贯入深度增加而逐渐增大;管内土塞处于不完全闭塞状态,土塞程度由完全非闭塞向部分闭塞过渡。此外,研究了土体模量、桩土界面摩擦系数、振动频率和桩径对土体位移的影响。     

黏土中静压管桩土塞机制研究

针对黏土中管桩土塞形成机制,利用耦合欧拉拉格朗日（CEL）法模拟钢管桩的大变形沉贯过程。在验证网格密度参数对数值计算精度影响的基础上,结合管桩内外土体速度场、应力场、土塞高度和增量充填比的变化分析了土塞演变和土塞形成机制,讨论了摩擦系数以及软硬土夹层对土塞形成的影响,并与离心机试验和理论计算数据验证。结果表明,管桩贯入过程土塞的演变可分为上涌期、过渡期和下滑期3个阶段。随着桩的贯入,桩端下轴线处形成连续的下凹塑性拱,当此处竖向应力增量达到7～8倍不排水抗剪强度时土塞初步形成。同时土塞效应随着桩-土间摩擦系数增大,桩径减小（壁厚相同）而增强;软硬夹层对土塞效应影响显著,上硬下软的土层易形成完全土塞,而上软下硬的土层,硬土挤入管桩不会形成土塞。     

应用圆孔柱扩张理论对预制管桩的挤土效应分析

假定预制管桩在沉桩时的挤土过程是一个有初始孔径的圆柱形孔的扩张过程,初始孔径等于管桩的内径,最终孔径等于管桩外径,应用前人提出的圆孔扩张理论对管桩进行弹塑性分析,得到塑性区半径、土体位移等解析表达式,也对实际工程中常遇到的土塞效应对该理论应用的影响进行了讨论,并对某电厂扩建工程中预制管桩施工引起的土体位移进行计算,通过现场监测,验证了上述解析表达式的合理性,得出可以参考该组解析解来预测预制管桩施工的挤土效应的结论。     

基于二次抛物线型强度包络线的管桩挤土效应分析

假定管桩在沉桩时的挤土过程是一个圆柱形孔扩张过程。基于具有抛物线型强度包络线和圆孔扩张理论对管桩的挤土效应进行分析研究。分析了桩周土体周围土体的弹塑性力学行为,得到应力场和位移场等的表达式,并求得其塑性区半径、孔内最终压力。其结果可以为管桩工程问题提供理论依据。      

管桩挤土效应的现场试验和数值模拟

以PHC管桩加固某物流加工二期标准仓库、厂房项目为依托,进行了吹填土地区PHC管桩的挤土效应研究。利用预先埋设的孔压计和测斜计,借助沉桩过程的现场测试手段,研究了PHC管桩在沉桩过程中桩周孔压变化和土体位移分布特征,发现沉桩过程中超孔隙水压力随距桩心距离的增加而近似呈线性规律衰减,影响范围约为10倍桩径,土体水平位移不仅与地基土性质有关,而且其分布特征也与深度有很大关系,表现为0.2～0.4倍桩长处土体水平位移较大。采用数值模拟有效地模拟了现场测试结果,进而将结果推广,得到了沉桩引起的桩周土体位移随深度和距桩心距离的变化规律。数值模拟结果表明：桩-土界面摩擦特性和桩径对土体位移场的影响较大。     

考虑横向惯性效应时桩侧土-管桩-土塞纵向耦合振动特性研究

与实心桩相比,由于土塞与管桩内壁复杂的相互作用,开口管桩的桩-土动力相互作用问题更为复杂。因此,需深入研究考虑土塞效应时的管桩-土体动力相互作用问题。首先,考虑管桩的横向惯性效应及其黏性性质,采用Rayleigh-Love动力杆件模型和附加质量模型建立了桩侧土-管桩-土塞系统的纵向振动控制方程。进一步,采用积分变换和阻抗函数传递技术,分别得到了任意荷载形式下管桩桩顶速度频域响应的解析解以及半正弦脉冲激励作用下桩顶速度时域响应的半解析解。最后,通过与现有解及模型试验的对比研究验证了理论解的合理性,并研究了管桩设计参数对桩顶纵向振动特性的影响。结果表明,当管桩其他设计参数不变时,管桩截面尺寸越大或长度越小时,应力波传播过程中的弥散效应越明显。对于同样外半径的管桩,壁厚越大时,越容易检测到土塞顶部界面及桩尖传来的反射信号,就能对管桩的施工质量进行更为合理的评价。     

基于土体三维波动模型的饱和土中管桩竖向振动

基于土体的三维波动模型研究了饱和土中单个管桩的竖向振动。将桩周土和桩芯土视为两相多孔介质,管桩视为等截面的圆管杆单元。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土径向位移和竖向位移的情况下,建立了基于土体三维波动模型的饱和土-管桩竖向耦合振动模型。借助势函数和分离变量法并考虑土体边界条件,求解了考虑土体三维波动的桩周饱和土和桩芯饱和土的竖向振动。在此基础上,考虑管桩桩端边界条件,利用三角函数正交性求解了饱和土中单个管桩的竖向振动,得到了管桩桩顶的竖向复刚度。通过数值算例,对比分析了土体三维波动模型解和不考虑土体径向位移的简化模型解的计算结果,分析了主要桩、土参数对饱和土中管桩竖向振动的影响。研究表明：当管桩壁较薄时且低频时不应忽略土体径向位移的影响,在动态刚度因子和等效阻尼随频率变化曲线峰值峰谷处不宜忽略土体液相的影响,管桩壁不宜过薄。管桩壁厚、长径比、桩芯饱和土与桩周饱和土密度比、剪切模量比以及桩-土模量比对饱和土中管桩竖向振动有较大影响,在进行管桩设计时需要综合考虑相关参数。     

软黏土中PHC管桩打入过程中土塞效应研究

当开口管桩打入土层中,土体进入桩内形成土塞,土塞效应对桩的打入特性和承载能力具有重要影响。基于上海典型软土地基中长PHC桩的现场试验,统计分析3个不同场地共44根桩打桩过程中的土塞数据,探讨软土地基中PHC桩打桩过程中土塞长度与内径之比、土塞增量与桩打入深度增量之比(IFR)随打入桩长与内径之比变化的规律,并线性拟合出土塞增量与桩打入深度增量之比与土塞高度和桩打入深度之比(PLR)的经验公式。研究表明,大部分PHC桩在打桩过程中,土塞部分闭塞,桩从浅部较硬土层打入较软土层,IFR值减小,土塞闭塞作用大;桩从较软土层打入深部较硬土层,IFR值逐渐增大,土塞闭塞作用小,且土塞长度增量与桩打入深度增量之比与土塞长度与桩打入深度之比基本呈线性关系。