导管架平台桩-土相互作用试验系统研制及应用

海洋环境中的导管架平台承受着风浪、地震等水平荷载,而平台的稳定对桩基础有严格要求,故研究水平荷载下导管架平台桩-土系统变形规律和相互作用机制具有重要意义。研制了1套导管架平台桩-土相互作用试验系统,主要由导管架平台试验模型子系统、电动伺服加载子系统、传感器与数据采集子系统、振动测试子系统组成,可用于研究冲击荷载、静载、循环荷载下导管架平台的桩身变形规律、桩基周围土体响应及平台的振动特性。通过初步试验结果表明,该系统能够如实反映水平荷载下桩-土间的相互作用和导管架平台的振动特性,验证了该系统的有效性。     

海上风电桩基水平承载力循环衰减二维简化分析

海上风电的桩基在长期循环荷载作用下会引起承载力的衰减。针对软黏土中水平受荷单桩,通过引入累积塑性应变以考虑土体不排水强度的循环弱化,建立二维有限元数值模拟和简化p-y曲线简化方法,以分析水平循环荷载作用后单桩桩侧侧向抗力的衰减弱化。在小数目循环荷载下简化方法与有限元计算结果比较吻合,在此基础上,采用二维简化分析方法得到长期大数目循环荷载下桩侧水平抗力的衰减规律,发现如荷载幅值与初始极限抗力的比值小于土体灵敏度的倒数,单桩在长期水平循环荷载作用下承载力虽有所衰减,但桩基趋于稳定,不会发生破坏。     

水平荷载下导管架平台桩基础的非线性有限元分析

导管架平台桩基础的控制荷载主要为风荷载、波浪荷载、地震荷载等水平荷载,为研究水平荷载下导管架平台桩基础的承载特性,采用非线性有限元分析方法对水平荷载下桩-土之间的相互作用进行研究,提出了有效模拟桩基水平承载特性的有限元模型,分析了模型桩的刚度、直径、土质参数中水平土压力系数、剪胀角对桩基承载特性的影响及水平荷载下群桩承载特性,并将有限元计算结果与API规范及模型试验结果进行对比。研究结果表明,非线性有限元分析方法分析水平荷载下桩-土相互作用是可行的,计算结果可为导管架平台的桩基设计提供参考。     

考虑横向效应饱和黏弹性土层中桩的纵向振动

由于饱和土中土体颗粒与孔隙水的相互作用以及桩与土体的不同渗透率,饱和土体中桩基的力学行为与单相土中桩基力学行为有很大的差别。基于饱和多孔介质理论,考虑桩纵向振动时的横向变形及惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,在频率域中研究了饱和黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性,给出了饱和黏弹性土层和桩纵向振动时动力响应的解析解及桩头复刚度的解析表达式。通过数值计算,给出了桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的响应,考察了饱和土物性参数、桩土模量比、桩长径比、泊松比等参数对桩头刚度因子和阻尼的影响。研究表明,对于大直径桩,当外载荷激励频率较大时桩横向效应对桩头刚度因子和阻尼有显著的影响     

强度弱化条件下饱和砂土地基中桩-土相互作用p-y曲线研究

在地震荷载作用下,可液化土层中的桩基础往往会由于地基土体液化而发生破坏。在此过程中即使土体最终没有达到完全液化,但由于超孔隙水压力的存在,饱和砂土会发生强度弱化,也会导致土体对桩身水平抗力的降低。此时若不考虑超孔隙水压力对土抗力的影响,仍然采用API规范中的p-y曲线对桩基础进行设计,结果将偏于危险。针对这种情况,首先利用竖向-扭转双向耦合剪切仪对饱和砂土进行了循环扭剪动强度试验,研究了不同弱化状态下饱和砂土的动力特性和弱化参数;然后基于浅层处改进的土楔体理论模型推导极限土抗力公式,并结合深层处的绕桩流动破坏理论模型,得到了任意深度处不同孔压比下的极限土抗力,进而构造了不同弱化状态下饱和砂土地基中桩-土相互作用的p-y曲线。通过研究发现:表征土体强度弱化状态的孔压比对桩-土相互作用的极限土抗力的影响非常显著,孔压比越大,土体强度弱化程度越严重,饱和砂土的极限土抗力值就越小,即横向受荷桩对周围土体的作用随着土体强度弱化程度的增加而降低,反之则增大。     

成层土中倾斜荷载作用下桩承载力有限元分析

利用有限元方法对现场单桩水平载荷试验进行模拟,在此基础上,分析了成层土中桩在倾斜荷载作用下其竖向分量的有利作用和横向土抗力分布特点。计算结果表明,在地面下一定范围内,倾斜荷载作用下的桩侧摩阻力比水平荷载作用下的桩侧摩阻力大。在土层分界处土抗力分布有明显的跳跃。达到一定深度后,横向土抗力主要是静止土压力,而由荷载引起的横向土抗力很小。承台能有效减小土体及桩的水平位移。模拟的灌注桩和钢管桩桩顶在地面以上的自由长度较小,竖向分量由于桩身挠曲变形而产生的P-Δ效应较小,所以就算例中的灌注桩和钢管桩而言,荷载倾斜度不大时,荷载竖向分量提高了桩的侧阻并由此增大桩侧土竖向应力,对桩水平承载力总体上起到了有利的作用。     

水平荷载下套管桩基的非线性响应分析

提出了用新型套管桩基来提高海洋平台桩基水平承载力和减小平台响应幅值。采用p-y曲线法来模拟桩土间的相互作用,对套管桩基进行非线性响应分析,研究了套管的埋深和宽度对桩身变形和土抗力的影响,并与普通桩基进行了对比分析。研究表明,套管桩基能充分发挥桩土间的相互作用,提高桩基的水平承载力,减小桩基的水平响应。     

黏土中自升式钻井船插桩对邻近桩基影响的分析方法

自升式钻井船是广泛用于浅、中水域油气资源开发的重要设施,经常紧邻固定式导管架平台进行作业。钻井船插桩就位过程中大量土体被排开,挤土效应会导致邻近导管架平台桩基承受很大的附加荷载,影响平台的正常设计性能,该效应在黏土中尤为显著。针对黏土中钻井船插桩对邻近桩基的影响这一实际问题,现有规范和分析方法存在明显不足。为此,建立了一套数值分析方法,把这一复杂问题分解成相对独立、简单的两个方面进行分析：一是采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）数值方法,计算自由场地插桩周围土体产生的位移场;二是利用桩基水平力与位移关系曲线,即P-Y曲线,采用杆系-土弹簧的传统方法计算土体位移产生的桩体加载。通过与已有离心试验数据的比较,验证了该方法的可靠性和适用性。研究揭示了自由场地土体的变形模式和流动机制,阐明了由于插桩邻近桩基产生的附加荷载变化规律,特别是发现了黏土变形参数 对插桩引起的自由场地土体位移场有显著影响,但对插桩引起的桩基加载影响较小。最后,针对导管架对桩基的桩头约束条件和插桩及导管架自身对桩基的线性叠加加载适用性问题给出了详细说明。     

成层饱和土中考虑横向惯性的单桩纵向振动

基于饱和多孔介质理论,研究了成层饱和黏弹性土层中端承桩的纵向振动特性。首先利用Novak薄层法,得到了土层对纵向振动桩的动力阻抗。其次,将桩等效为Rayleigh-Love杆,给出了成层饱和黏弹性土中端承桩纵向振动的一般分析方法和桩头动力复刚度的解析表达式。具体分析了两层饱和黏弹性土中端承桩的纵向振动特性,得到了桩头动刚度因子和等效阻尼随频率的响应特征,讨论了物理和几何等参数对动刚度因子和等效阻尼的影响。结果表明：桩长径比、土层模量比以及桩土模量比等对桩头动刚度因子和等效阻尼有显著的影响。相比于均质土层中的桩,上层土越硬或下层为软弱土层,桩的动刚度因子和等效阻尼振动幅值增大,其周期随长径比显著变化,且对于大直径桩,动刚度因子和等效阻尼随频率呈振动变化。同时,土体与孔隙水相互作用系数和桩泊松比等的影响相对较小。其结果可作为桩基动力基础设计和动力检测等基础数据。     

完整桩或破损桩的“质量—弹簧—阻尼”模型研究及实测结果对比

应力波传递理论与弹性波动原理适用于桩基振动的动力分析，作者从工程学的等效观点出发，将完整桩土系统与破损桩土系统分别等效简化为单个自由度的“质量－弹簧－阻尼”模型与多单元（多自由度）的“质量－弹簧－阻尼”模型研究讨论。结果表明：完整桩或破损桩的理论模型结果分别与实际的好桩或断桩振动波形曲线吻合，并通过付氏变换后得到桩基的响应函数或频谱函数作桩基动力学参数反演计算，具有简单、快速、实用、准确等优点。     

黏土中两种不同直径单桩水平循环加载模型试验与分析

为探讨海上风机在风、浪等水平往复循环荷载下大直径单桩基础的循环弱化特性,设计了稳定输出长期循环荷载的机械加载装置,开展了软黏土中长期水平循环荷载下海上风电大直径单桩基础和传统长桩基础的模型试验对比研究。根据API给出的骨干曲线和Masing二倍准则构建循环荷载下的p-y（荷载-位移）曲线,并借鉴前人工作,采用累积塑性应变描述软黏土的不排水抗剪强度弱化,提出了分析大周数水平循环荷载下单桩基础循环弱化的理论方法。该方法将循环荷载次数、幅值等外界条件与桩周土体的循环弱化特性建立联系,以适应海洋环境复杂多变的水平循环荷载形式。通过模型试验和理论研究认为,大直径单桩基础因刚度较大,在同样的水平力循环荷载条件下,其抵抗循环荷载的能力明显优于传统长桩。在海上风机大直径单桩的设计中采用基于黏土残余强度的循环后稳定水平承载力更为合理。     

Cyclic and seismic response of single piles in improved and unimproved soft clays

Presented in this paper are results of two centrifuge tests on single piles installed in unimproved and improved soft clay (a total of 14 piles), with the relative pile–soil stiffness values varying nearly two orders of magnitude, and subjected to cyclic lateral loading and seismic loading. This research was motivated by the need for better understanding of lateral load behavior of piles in soft clays that are improved using cement deep soil mixing (CDSM). Cyclic test results showed that improving the ground around a pile foundation using CDSM is an effective way to improve the lateral load behavior of that foundation. Depending on the extent of ground improvement, elastic lateral stiffness and ultimate resistance of a pile foundation in improved soil increased by 2–8 times and 4–5 times, respectively, from those of a pile in the unimproved soil. While maximum bending moments and shear forces within piles in unimproved soil occurred at larger depths, those in improved soil occurred at much shallower depths and within the improved zone. The seismic tests revealed that, in general, ground improvement around a pile is an effective method to reduce accelerations and dynamic lateral displacements during earthquakes, provided that the ground is improved at least to a size of 13D × 13D × 9D (length × width × depth), where D is the outside diameter of the pile, for the pile–soil systems tested in this study. The smallest ground improvement used in these tests (9D × 9D × 6D), however, proved ineffective in improving the seismic behavior of the piles. The ground improvement around a pile reduces the fundamental period of the pile–soil system, and therefore, the improved system may produce larger pile top accelerations and/or displacements than the unimproved system depending on the frequency content of the earthquake motion.     

轴向荷载对斜桩水平承载特性影响试验及理论研究

斜群桩受水平荷载作用时,群桩中的基桩受到径向荷载、轴向荷载和弯矩的共同作用。为研究轴向荷载对斜桩水平承载特性的影响,完成了3根单桩以及1组1×2斜桩的大尺寸模型试验。试验结果表明：轴向拉力作用会降低斜桩的水平刚度和极限承载力;而轴向压力作用则会使其水平刚度和极限承载力提高。基于桩侧浅层土体楔形破坏假定,推导了考虑轴向荷载影响的斜桩水平极限土抗力计算公式,提出了桩侧土抗力的p-y曲线方法,并通过模型试验及现场试验验证其合理性。     

大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究

大厚度黄土地基中大直径长桩、超长桩的应用急剧增多,但黄土地基中超长桩的承载变形机理、侧阻和端阻的发挥性状与普通桩差别较大。采用研制的黄土相似材料填筑模型,分别进行超长单桩和群桩竖向抗压静载试验,分析桩顶荷载作用下荷载-沉降、桩身轴力、桩侧阻力、桩端土体塑性区发展变化规律。研究结果表明:超长单桩在竖向荷载作用下,荷载主要由桩侧阻力承担,桩侧阻力由上向下逐步发挥,属纯摩擦桩,单桩破坏形式为刺入破坏,桩端土体塑性变形影响范围约为1.1 d。与单桩相比,超长群桩基础桩端承载力有较大幅度的提高,桩身轴力衰减深度范围有所减小,侧阻力沿桩身逐渐增大,桩端土层的影响范围约为1.25 d,与超长单桩的影响范围较为接近。本文的研究方法和结果可为大厚度黄土地区超长桩基的承载特性研究提供参考。     

On the influence of vertical loads on the lateral response of pile foundation

The influence of vertical loads on the lateral response of group piles installed in sandy soil and connected together by a concrete cap is studied through finite elements analyses. The analyses focus on the five piles in the middle row of 3 × 5 pile groups. The vertical load is applied by enforcing a vertical displacement equivalent to 2% of the pile diameter through the pile cap prior to the application of the lateral loads. The results have shown that the lateral resistance of the leading pile (pile 1) does not appear to vary considerably with the vertical load. However, the vertical load leads to 23%, 36%, 64%, and 82% increase in the lateral resistance of piles 2–5, respectively. The increase in the lateral pressures in the sand deposit is the major driving factor to contribute the change in the lateral resistance of piles, depending on the position of the pile in the group. The distribution of lateral loads among piles in the group tends to be more uniform when vertical loads were considered leading to a more economical pile foundation design.     

液化土层中桩基水平承载特性分析

通过桩土相互作用的振动台模型试验,获得了不同相对密度的砂土在振动液化过程中桩身弯矩随土层振动累积孔压的变化关系。进而通过拟静力方法,确定了土层液化过程中的衰化p-y曲线,并计算出桩身弯矩的分布。计算结果与实测结果的比较分析表明：若土层的振动累积孔压比ru≤比≤0.2时,桩的水平承载能力没有明显降低。当土层的振动累积孔压比ru≥0.8时,若土层的相对密度Dr≤40 %,桩的水平承载能力降低90 %;若土层的相对密度Dr≥50 %,桩的水平承载能力降低75 %。     

A hypoplastic macroelement formulation for single batter piles in sand

Batter piles are widely used in geotechnical engineering when substantial lateral resistance is needed or to avoid the interference with existing underground constructions. Nevertheless, there is a lack of fast numerical tools for nonlinear soil‐structure interactions problems for this type of foundation. A novel hypoplastic macroelement is proposed, able to reproduce the nonlinear response of a single batter pile in sand under monotonic and cyclic static loadings. The behavior of batter piles (15°, 30°, and 45°) is first numerically investigated using 3D finite element modeling and compared with the behavior of vertical piles. It is shown that their response mainly depends on the pile inclination and the loading direction. Then, starting from the macroelement for single vertical piles in sand by Li et al (Acta Geotechnica, 11(2):373‐390, 2016), an extension is proposed to take into account the pile inclination introducing simple analytical equations in the expression describing the failure surface. 3D finite element numerical models are adopted to validate the macroelement that is proven able to reproduce the nonlinear behavior in terms of global quantities (forces‐displacements) and to significantly reduce the necessary computational time.