竖向荷载作用下斜桩承载特性模型试验研究

通过模型试验研究了竖向荷载作用下砂土中单斜桩的承载特性,分析了斜桩倾角对荷载-沉降特性、桩身轴力、弯矩、剪力及桩侧摩阻力的影响,并与直桩的承载特性进行了比较。试验结果表明:1斜桩沉降大于直桩沉降,斜桩倾角越大,斜桩与直桩沉降差越大。2相同桩顶荷载作用下,斜桩轴力小于直桩轴力,斜桩倾角越大,轴力沿深度衰减得越快。3斜桩弯矩主要发生于1/2桩长范围内,且均随着荷载和倾角的增大而增大;4不论斜桩倾角的大小,桩侧摩阻力沿深度分布均可以分成3个区段,在第1区段,斜桩倾角越大,桩侧摩阻力越小;在第2区段,斜桩倾角越大,桩侧摩阻力越大;在第3区段,斜桩倾角越大,桩侧摩阻力越小。     

竖向荷载作用下斜桩承载变形特性有限元分析

斜桩的受力变形性状相比直桩要复杂得多,为了分析斜桩在竖向荷载作用下的承载变形性状,采用有限元分析的方法对竖向荷载作用下斜桩的承载变形以及桩-土相互作用进行了研究,分析了桩身倾角对斜桩竖向承载变形及桩-土相互作用的影响。结果表明:桩身倾角越大,斜桩桩顶沉降和水平位移也越大;桩身弯矩主要出现在桩身上半部分,随着桩身倾角增大而增大;斜桩桩前桩-土接触压力沿深度先增大后减小又逐渐增大,桩后桩-土接触压力从零压力点逐渐增加后迅速减小,一定深度后又逐渐增加,桩前与桩后的桩-土接触压力最大值随桩身倾角增大而增大;深度2.5 m以上,桩前侧摩阻力随桩身倾角增大而增大,深度2.5~6.5 m的桩前侧摩阻力衰减的程度随桩身倾角增大而增大,深度6.5 m以下桩前侧摩阻力随桩身倾角增大而减小;桩身倾角越大,桩后零摩阻力区段越长,零摩阻力区段以下的桩后侧摩阻力越小。     

带承台倾斜单桩水平承载变形性状数值分析

为研究带承台倾斜单桩水平承载变形性状,通过数值模拟手段分析了水平荷载作用下桩身倾角、长径比对桩顶带承台斜桩的承载变形性状的影响,并重点分析了竖向荷载对水平受荷斜桩性状的影响。结果表明①水平荷载作用下,负斜桩的桩顶水平位移最大,直桩居中,正斜桩最小;桩身倾角越大,斜桩桩顶水平位移与相应直桩桩顶水平位移差值越大;相同情况下,长径比对斜桩桩顶水平位移影响不明显。②水平荷载作用下,桩身倾角只影响斜桩桩身弯矩的大小,而最大桩身弯矩的位置基本不变。③竖向荷载减小了负斜桩桩顶水平位移,却增大了正斜桩桩顶位移。④负斜桩的桩身最大弯矩随着竖向荷载的增大而减小,正斜桩却与之相反。     

水平偏心荷载作用下斜桩承载特性模型试验

斜桩周围的土体自重应力场不对称于斜桩轴线,其承载变形特性比较复杂。在砂土地基中开展了斜桩模型试验,研究了斜桩在垂直于其倾斜方向的水平偏心荷载作用下的承载变形特性,分析了桩身表面粗糙程度、桩身倾角对斜桩承载变形特性及桩身内力分布规律的影响。试验结果表明,在垂直于斜桩倾斜方向的水平偏心荷载作用下,斜桩桩顶水平位移很小,而扭转变形较大,其承载力取决于扭转变形。垂直于斜桩倾斜方向的水平偏心荷载不仅会使斜桩弯曲,还会使斜桩沿其纵向轴线拉伸。斜桩桩身最大弯矩超过作用于桩顶的扭矩约10%～30%,斜桩全长受拉,但桩身轴力很小,最大轴力约为桩顶水平荷载的5%。斜桩桩身表面作用有纵向摩阻力及环向摩阻力。斜桩桩身上部纵向摩阻力为正摩阻力,下部则为负摩阻力,中性点的位置约在相对深度Z/L=0.3处,纵向平均摩阻力远小于相同深度处的环向平均摩阻力。     

沙土中抗拔斜桩承载力特性研究

以沙漠地区某输电塔基础为背景,采用数值模拟方法探讨不同倾角及其他条件对斜桩荷载传递及其承载力的影响。有限元分析结果表明,桩身倾角不大于10°时,倾斜角对单桩的极限抗拔承载力影响不大,但会在桩身产生一定的弯矩以及在桩顶产生一定的水平位移。桩顶设置承台有助于减小斜桩的水平位移和桩身的弯矩。对倾角较大斜桩的抗拔承载力进行预估时,应该对桩顶以下一定范围内的的桩侧摩阻力予以折减。抗拔桩桩端侧阻力总体呈现弱化现象。     

上拔力-水平力-扭矩组合荷载作用下斜桩承载特性模型试验

斜桩广泛应用于桥梁、水上钻井平台及风力发电基础等工程中,其承载特性十分复杂。为揭示上拔力-水平力-扭矩共同作用下斜桩单桩的承载特性,利用自主设计制作的加载设备,在砂土地基中开展了4根斜桩室内模型试验,研究了桩身倾角、上拔及水平荷载对受扭斜桩桩顶水平位移、扭转角及桩身扭矩、弯矩的影响。试验结果表明：斜桩水平承载力随桩身倾角的增大而增大;倾角及上拔荷载的增大均会导致斜桩极限扭转承载力的减小;斜桩最大弯矩受到桩身倾斜角度及桩顶上拔荷载的影响,随其增加而增加;组合荷载作用下的斜桩存在有效荷载传递深度。     

竖向荷载作用下斜桩承载特性数值分析

近年来,斜桩在桥梁、码头、海上钻井平台及大型输电线路塔架基础等工程中得到广泛应用,研究不同倾角斜桩的荷载传递及承载特性实用意义较大。基于ABAQUS软件,考虑桩土接触特性,模拟分析了不同倾角斜桩的承载特性。结果表明:桩身倾角不大于10°时,倾斜角对单桩的极限承载力影响不大,但会在桩身产生一定弯矩以及桩顶产生一定的水平位移;桩身轴力沿桩长方向的衰减速率随桩身倾角的增大而增大;斜桩桩身弯矩主要分布在桩顶下1/2桩长范围内,其最大值的位置不受桩身倾角以及桩顶竖向荷载的影响;斜桩桩身侧摩阻力沿桩长大致呈"S"型分布,其桩顶以下1/6桩长范围内侧摩阻力远远大于直桩。     

边载和水平荷载作用下超长桩承载性状数值分析

采用有限元法,建立超长桩和土体共同作用的三维数值模型,研究受边载和水平荷载共同作用下超长桩的承载特性,分析超长桩侧摩阻力和桩身弯矩的变化规律。结果表明:水平荷载与边载比值k的增大可以有效改善桩侧负摩阻力,并且存在最优比值k=4。桩侧负摩阻力和桩身弯矩随着长径比的减小而减小;存在临界边载距离s=8 m,当边载距离s<8 m时,桩身负摩阻力随着边载距离的增大而减小,当s＞8 m时,边载对桩身负摩阻力几乎无影响。桩土刚度比的减小可有效提高超长桩承载力。同时应用多元非线性回归分析,得到最小桩侧摩阻力随不同因素变化的函数关系式。根据该式可预测不同因素组合下的最小桩侧摩阻力,有效避免桩侧负摩阻力的产生。     

轴-横向荷载作用下超长桩数值模拟

轴-横向荷载作用下的桩土相互作用研究主要集中在单层土中的中短桩,工程设计将水平、竖向荷载作用分开单独考虑.本文对成层地基中超长桩在轴-横向耦合荷载作用下展开数值模拟研究和试验对比,结果表明,轴-横向荷载作用下的超长桩桩-土相互作用主要集中在土体浅部区域,竖向荷载作用使得桩身弯矩、水平位移减小,从而提高了桩基础水平承载力;对于软粘土,水平荷载能在一定程度上提高超长桩的竖向承载力.桩侧土与桩端土的变形模量比也是影响超长桩承载性能的重要因素,两者比值越大,侧摩阻力占总荷载比例越低.本文建立的超长桩数值模型计算结果与实测数据吻合较好.     

欠固结土中嵌岩斜桩弯矩及负摩阻力模型试验研究

嵌岩斜桩是海上风电系统、港口高桩码头等设施常用的基础结构。嵌岩斜桩在穿越深厚软土层时,土体固结沉降不可避免地影响桩身轴力和弯矩的分布,威胁桩体安全。针对穿越深厚软土层的嵌岩斜桩开展了室内模型试验研究,对5根不同倾角和直径的模型桩进行试验,通过较长时间地监测土层固结沉降下的桩体应变,分析了固结时间、倾角、桩径等因素对桩身轴力、桩身中性点位置、桩侧负摩阻力、桩身弯矩等分布规律的影响。结果表明：嵌岩斜桩的负摩阻力、轴力及弯矩的发展都具有明显的时间效应;随时间、倾角的增加,桩侧中性点轴力及桩身弯矩峰值均增加,同时中性点上移、弯矩峰值点下移,最终中性点稳定于岩层上部0.1倍土层深度,弯矩峰值点稳定于岩-土界面处。     

水平荷载-扭矩耦合作用下斜桩承载变形特性数值模拟

利用ABAQUS数值软件分析了斜桩在水平荷载 H 和扭矩 T 耦合作用下的承载特性、桩身内力以及桩-土界面上的摩阻力等变化特征并与直桩进行了对比,探讨了桩-土刚度比、荷载偏心距和桩身长径比对斜桩受扭承载力的影响。分析结果表明:斜桩在水平荷载与扭矩耦合作用下,桩身为受扭破坏;斜桩的受扭承载力大于直桩,斜桩受扭承载力的大小与桩身倾角相关;桩-土刚度比、荷载偏心距和桩身长径比对斜桩受扭承载力也有一定的影响,而桩身长径比的影响较大。     

锈蚀钢筋混凝土方桩水平承载性能退化规律

为研究锈蚀钢筋混凝土方桩的水平承载性能的退化规律,根据Fick第二定律,建立氯离子在钢筋混凝土方桩中的扩散模型,并根据初始和边界条件,求得扩散方程的解析解。依据厚壁圆筒模型,推导了钢筋混凝土方桩保护层锈胀开裂时的钢筋临界锈蚀深度。基于Faraday定律,对钢筋混凝土方桩钢筋的锈蚀深度和保护层锈胀开裂时间进行预测。在此基础上,通过引入钢筋混凝土方桩桩身抗弯刚度退化系数,进而对海洋环境下锈蚀钢筋混凝土方桩的水平承载性能进行分析。结果表明:海洋环境下由于氯离子的扩散引起的钢筋锈蚀对于钢筋混凝土方桩的水平承载性能有显著影响;随着暴露时间的增加和暴露条件的恶劣,桩身抗弯刚度明显退化,桩身负剪力、桩身水平位移和桩身弯矩的最大值逐渐增大;荷载条件相同情况下,与桩身剪力以及弯矩相比较,暴露时间对于桩身的水平位移所起到的作用更为明显。研究成果可为海洋环境下钢筋混凝土桩基础的设计提供参考。     

砂土中根式抗拔桩模型试验研究

根式抗拔桩是一种在桩身设置根键的新型变截面基础形式,合理的布置根键可以在提高基础承载力的同时降低工程造价。为了提高根式抗拔桩在工程中应用的效率和可靠度,基于模型试验方法,通过对普通抗拔桩和根式抗拔桩的对比分析,开展砂土中竖向上拔荷载作用下2组试桩的承载特性试验,测得不同荷载等级下桩身上拔位移、桩身轴力、桩侧摩阻力,并研究其分布规律。结果表明:根式抗拔桩承载力较普通抗拔桩大约提高57%;桩身轴力在有根键处变化显著,桩身侧摩阻力发挥由上向下传递,并在根键上下处达到极值。因此,在保证根键强度不受破坏和根键易于安装的条件下,尽量将根键位置设置在靠近桩底,是提高根式抗拔桩承载能力的有效方法之一。     

斜桩负摩擦及弯曲特性研究

针对软土地区设计桩基础遇到的最普遍问题——负摩擦,通过三维数值模拟研究斜桩在超载作用下的负摩擦和下拉力特性。指出由于桩身倾斜,超载不仅引起桩身负摩擦,还产生附加弯矩。参数分析结果表明:随着桩身倾斜角度的增加可减小桩身负摩擦力和下拉力,桩顶约束时在桩身中部产生较大的弯矩,而桩顶自由时则在桩身下部产生弯矩;桩身下拉力及负摩擦力的变化主要取决于地面超载和轴向荷载,在桩顶施加轴向荷载之前先加超载比先施加轴向荷载后再加超载可大幅度减少桩身负摩擦。     

印尼地区嵌岩灌注桩竖向承载特性现场试验

为更加深入研究不同竖向荷载作用下大直径嵌岩灌注桩的承载特性与荷载传递规律,以印尼地区某工程为依托,对3根直径为800 mm的嵌岩灌注桩进行单桩竖向抗压静载试验与桩身应力测试。试验结果表明:3根试桩的Q-s曲线均为缓变型,沉降量均不超过17 mm,回弹率较大,介于54.8%~70.9%之间,残余沉降较小,承载力较高,均满足设计要求。桩身轴力随桩顶荷载的增加逐渐增大,随深度逐渐递减;桩侧摩阻力的发挥具有异步性,随着荷载的增大,桩侧摩阻力逐渐发挥,在嵌岩段桩侧摩阻力最大,但仍未充分发挥;桩端阻力随桩顶荷载的增加近似呈线性增大,在最大荷载作用下,桩端阻力占比约55%,表现出摩擦端承桩的特性。研究结果对国内桩基规范的完善以及当地桩基规范的制订具有较重要的意义。     

砂土及黏土场地钻井船插桩对邻近桩的影响

为研究黏土场地和砂土场地中桩靴贯入及拔出对邻近桩的影响,开展了2组在不同场地中进行插、拔桩靴的室内模型试验,分析了桩靴贯入、拔出过程中桩靴贯入阻力、拔出阻力、土体位移及桩身弯矩的变化规律。结果表明,黏土场地桩靴贯入阻力随桩靴贯入深度增加而增加,达到某一极限值后基本保持稳定;砂土场地桩靴贯入阻力随桩靴贯入深度呈线性增大。黏土场地中桩靴拔出阻力基本保持不变,在邻近泥面处突变,几乎减小为零;砂土场地中桩靴拔出阻力在初始阶段迅速增大然后迅速减小,达到最大值的一半后开始以一定的速率均匀减小,对比拔桩阻力的实测值与理论值,发现桩靴贯入土体后减小了土体强度。通过在土层中埋置土体位移测量装置,发现桩靴贯入在黏土场地的深度方向影响较大,砂土场地中则对水平方向影响较大;两种场地中均发生不同程度的回淤现象,且砂土场地更为明显。不同形式土体位移进一步导致不同的邻近桩响应,具体表现在黏土场地中桩身上部正弯矩较大,桩身下部负弯矩较小;在砂土场地中桩身上部正弯矩较小,桩身下部负弯矩较大;插桩过程中最大桩身弯矩逐渐增大,且发生位置逐渐下移,当桩靴贯入到一定深度后最大桩身弯矩基本保持不变;拔桩过程中砂土场地的邻近桩响应不明显,桩身弯矩出现轻微减小。研究结果可为钻井船平台桩靴计算竖向承载力和抗拔极限力提供依据,同时为评价不同场地中桩身响应提供技术参考。     

土中中风化嵌岩抗拔桩承载机理研究

根据某工程中风化嵌岩抗拔桩自平衡静载原位试验,对试验数据进行简要分析,结合该工程地质条件,选择合理的岩土力学参数和试验数据,建立了合理嵌岩抗拔桩FLAC^3D数值分析模型。运用所建立的数值模型对3根抗拔桩进行自平衡试验直至破坏,确定了各桩的极限承载力,并且研究了同一条件下不同嵌岩深度对抗拔桩的极限承载力的影响及抗拔桩桩侧阻力、桩身轴力随外荷载的变化情况。研究结果表明:①风化岩石地区建立模型时,岩石剪切模量及体积模量需要按试验换算值折减到1/10左右,才可建立合理的数值模型;②嵌岩抗拔桩的极限承载力主要受嵌岩深度的影响,同一条件下,嵌岩抗拔桩极限承载能力随嵌岩深度、桩长增加而增大,且桩设计时其嵌岩深度不宜太小;③随着埋置深度的增加,桩侧阻力先增大后减小,桩中间侧阻力对极限抗拔承载力贡献最大;④抗拔桩的桩径对极限承载力具有尺寸效应。