考虑结构表层粗糙度的混凝土桩-黏土界面剪切特性试验研究

为探讨结构物表层粗糙度对桩-土界面剪切特性的影响及其规律,基于砂纸规格及表面粗糙度指标的实测数据,构建砂纸规格与结构物表层粗糙度之间的指数化拟合模型,并得到相应的计算公式及参数。基于指数化拟合公式,利用不同规格砂纸模拟混凝土桩-黏土接触面处表层的粗糙度,采用ZJ型应变控制式直剪仪开展混凝土桩-黏土接触面直剪试验,定量分析粗糙度对混凝土桩-黏土界面剪切破坏、变形的影响。研究结果表明:混凝土桩-黏土接触面抗剪强度符合莫尔-库仑破坏准则,破坏形式表现为接触面剪切滑移破坏;在高法向应力作用下,接触面剪切破坏过程可分为"土体弹性剪切变形—接触面剪切滑移—土体弹塑性剪切变形"3个阶段;接触面抗剪强度随粗糙度的增加而呈幂函数关系增大,但随着法向应力的增大,粗糙度对抗剪强度的影响呈现减弱趋势,即粗糙度存在临界值。     

粉质黏土与再生混凝土接触面剪切特性试验研究

采用大型直剪仪进行粉质黏土与再生混凝土及普通混凝土的接触面剪切试验,用建筑垃圾和铁尾矿配制再生混凝土,接触面采用在粉质黏土上现浇混凝土形成,研究不同法向应力下接触面的剪切特性。试验结果表明：再生混凝土接触面的剪切位移-剪应力(w-τ)曲线与普通混凝土接触面的类似,接触面的抗剪强度与法向应力呈线性关系,在相同法向应力下再生混凝土接触面的抗剪强度大于普通混凝土接触面的抗剪强度,两种接触面的抗剪强度均小于土体自身的抗剪强度;接触面的初始剪切刚度模量随着法向应力的增加而增大,剪切刚度模量与大气压强的比值(G/Pa)和法向应力与大气压强的比值(σ/Pa)在双对数坐标系上呈线性关系。     

基于扰动状态概念的砂土-混凝土桩接触面荷载传递模型研究

基于扰动状态概念理论,考虑砂土密实度对扰动函数的影响,建立混凝土桩-砂土接触面荷载传递模型。用混凝土板表征桩侧粗糙度效应,采用大型直剪仪开展不同密实度的砂土-混凝土桩接触面力学行为的试验模拟,研究砂土密实度对混凝土桩-砂土接触面的力学特性的影响规律,分析接触面模型初始剪切系数、模型扰动参数(A和Z)对桩-砂土接触面荷载传递模型的作用机制。研究结果表明：1)混凝土桩-砂土接触面易呈现应变软化,在低法向应力条件下,混凝土桩-密砂接触面的应变软化程度最大。2)模型扰动参数Z在数值上近似等于孔隙比。模型扰动参数A越大,砂土与混凝土桩接触面的软化显著程度越大。参数A随着密实度增大而增大。随着法向应力增大,密砂的扰动参数A呈近似线性衰减,松砂和中密砂的扰动参数A近似呈双折线衰减。3)初始剪切系数k_s随着法向应力增大而增大,密实度越大,增速越快。4)基于扰动状态概念的桩-砂土接触面荷载传递模型可靠、参数的物理意义明确且易确定,能很好地表征桩-砂土接触面的应变软化及硬化等力学特征。     

模拟不同形态土-岩界面的直剪试验

土-岩界面具有特殊的工程地质性质,为了研究土-岩界面的剪切特性,在实验室制备了若干不同形态接触面和不同材料性质的圆盘试样,开展室内直剪试验,并对剪切破坏面的颗粒分布和接触面剪切本构模型进行分析。研究表明:接触面的应力-应变曲线呈现出弹塑性变化特点,利用指数型接触面摩擦本构模型,可以较好地反映剪切过程中接触面的应力-应变关系;剪切面颗粒在剪切过程中发生了破碎和移动,颗粒破碎所需的力大于移动所需的力,宏观上表现为抗剪强度的差异,颗粒重新分布及接触面闭合共同作用导致试样的法向变形;低法向荷载下,接触面强度低于两侧材料强度,随着法向荷载增大,接触面强度逐渐增大,其残余强度值位于两侧材料强度之间。     

结构接触面剪切特性及软硬化损伤模型

采用大型直剪仪进行了黏性土、砂土两种土样与混凝土接触面的直剪试验,研究了不同法向应力条件下,土与混凝土接触面上的应力、应变及破坏强度等特征.试验结果表明:对于黏性土与混凝土接触面的剪切加载,剪切过程表现出应变软化特性,残余应力水平趋于稳定状态;砂土与混凝土接触面的剪切过程主要表现为应变硬化,残余应力缓慢增长.针对土与结构接触面剪切特性,从损伤力学理论出发提出了考虑应变硬化和软化特性的结构接触面剪切损伤本构模型及模型参数确定的方法.该模型能充分反映土-结构接触面的应变软化和硬化特性,参数较少,方便实用.     

考虑渗透水压力的黏土与混凝土接触面力学特性

采用大型直剪仪进行黏土与混凝土接触面的单向直剪试验,研究接触面在不同渗透水压力和法向应力作用下的力学特性,并对黏土与混凝土接触面的强度及应力变形特性进行分析,基于双曲线模型提出了考虑渗透水压力作用的黏土与混凝土接触面本构模型。结果表明:接触面的剪应力与相对剪切位移较好地满足双曲线关系,竖向位移表现为剪缩;接触面的抗剪强度与接触土体的饱和状态显著相关,当土体由非饱和状态过渡至饱和状态时,接触面抗剪强度随渗透水压力的增大显著降低;当接触土体趋于饱和时,抗剪强度随渗透水压力增大的降幅随之减小,且与有效法向应力间呈较好的线性关系;模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的考虑渗透水压力作用下黏土与混凝土的接触面本构模型是合理的。     

高塑性黏土与混凝土接触面剪切特性

通过高塑性黏土与混凝土接触面大型单剪和直剪试验,研究了高塑性黏土与结构接触面的剪切应力应变关系及强度参数.结果表明:单剪试验的剪应力剪应变和直剪试验的剪应力剪切位移呈双曲线关系;在对应垂直荷载作用下,直剪试验的抗剪强度大于单剪试验的抗剪强度;剪胀现象只在低垂直荷载时发生,且不明显;高塑性黏土达到抗剪强度后,在保持强度基本不变的情况下变形可以有很大的发展,表现出较强的变形适应能力和延展性能.     

吸力对非饱和高液限黏土-土工织物界面剪切特性的影响

采用ZFY-1A型非饱和土应变控制式直剪仪,对非饱和高液限黏土-土工织物界面进行控制吸力的剪切试验,探讨基质吸力对筋土界面剪切特性的影响.研究结果表明,非饱和高液限黏土-土工织物界面的抗剪强度随着净法向应力、基质吸力的增大而不断提高,剪切位移-剪应力曲线表现出轻微的应变硬化软化特性.剪切过程中有水从试样中排出,净法向应力越大,含水量变化量Δwmax越大,基质吸力越大Δwmax反而越小.界面剪胀角随着基质吸力的增加而增大,随着净法向应力的增加而减小.界面强度随着平均界面剪胀角的增加而增大.最后确定了不同吸力值下的界面强度参数及强度公式.     

颗粒粒径对粗粒土-混凝土接触面剪切特性影响试验研究

为研究颗粒粒径对粗粒土与混凝土结构接触面剪切力学特性的影响,进行3不同粒径范围(2.36~4.75mm、4.75~9.5mm、13.6~16mm)均匀粒径组粗粒土与两种不同混凝土接触面(光滑和粗糙)大型直剪试验,研究粗粒土粒径对接触面剪切强度的影响规律.试验结果表明:随粒径的增大接触面剪切应力-剪切位移曲线从剪切软化型逐渐向剪切硬化型发展.光滑接触面剪切强度随粗粒土平均粒径的增大几乎呈线性增大;而粗糙接触面剪切强度在平均粒径达到7.13mm后,其增大速率逐渐变小.相同法向应力下粗糙接触面剪切强度明显高于光滑接触面.摩尔库伦强度指标分析表明:粒径的增大显著提高了接触面的表观黏聚力;但对接触面内摩擦角的影响不明显.     

粗糙度对红黏土与混凝土接触面循环剪切特性的影响

为了研究结构表面粗糙度对土与结构接触面循环剪切特性的影响,采用大型直剪仪进行了不同粗糙度与不同法向应力条件下红黏土与混凝土接触面的循环剪切试验,分析粗糙度对接触面循环剪切应力与剪切体变的影响规律.试验结果表明:不同条件下接触面都呈现出循环剪切软化特征,同一循环周次接触面剪切强度随粗糙度的增大而增大;循环剪切过程中接触面表现出明显的剪缩特征,接触面最终剪缩量随粗糙度的增大而增大.随着循环次数的增加,接触面剪切刚度和阻尼比逐渐减小并趋于稳定.结构表面粗糙度的增大能提高接触面剪切刚度,但对接触面阻尼比的影响不明显.     

灌注螺纹桩承载机理与计算方法

通过室内模型试验和数值分析研究了灌注螺纹桩的竖向承载机理.室内模型试验和数值反分析结果表明,灌注螺纹桩承载力取决于土体抗剪强度,承载力达到极限值时,桩周土体出现竖向剪切带.采用数值方法进行了参数分析,研究接触面属性、土体抗剪强度和螺纹桩构造尺寸等不同因素对其承载力的影响,进而分析承载机理及其规律.结果表明,影响螺纹桩竖向承载力的关键因素为土体抗剪强度指标、螺纹桩螺距和螺牙宽度.在此基础上提出了螺纹桩承载计算公式,并用现场试验和数值分析结果进行了验证.     

基于桩-土软化模型的单桩荷载传递规律研究

桩身侧摩阻力是桩基设计非常重要的参数指标,而桩侧摩阻力的软化行为会引起桩承载能力的降低。基于桩-土软化模型推导出了单桩荷载传递规律的解析解。通过单桩静载荷试验,对比分析了解析解和桩荷载试验结果之间关系,结果表明桩的轴向力和桩-土界面应力应变吻合良好,验证了所提解析解的合理性。传统的解析解是通过经验法将桩端承载力当作已知边界条件使用,而本文提出的解析解可以通过不同的外加荷载和侧摩阻力来计算桩端承载力。由于考虑了桩侧土体的软化特性,在桩基加载过程中,从桩身归一化的侧摩阻力分布图中可以观察到桩身摩阻力的软化行为,桩基承载力有所下降。     

竖向载荷作用下单桩接触面性能分析

在桩与土界面处设置Goodman接触单元来模拟桩与土的滑移变形和开裂，建立了单桩在竖向载荷作用下接触面应力和位移的关系公式。用三维有限元的方法，考虑了土体的非线性（Dmcker-Prager模型）力学性能，对模型桩进行了模拟计算分析，详细讨论了双曲线接触面本构关系的初始切向、法向刚度对桩顶位移及地表沉降的影响。对理论分析桩的载荷沉降提供了一种有益的参考。     

静压沉桩后黏土中超孔压时空分布规律研究

为了解层状黏土在沉桩后桩周及桩端的超孔压对沉桩挤土效应的影响,采用现场原位试验和数值模拟方法,分析了桩土界面处超孔压的时空分布特征和上覆竖向有效应力随时间的变化规律,并在水力压裂理论和孔穴扩张理论的基础上引入修正剑桥模型,推导了桩周土体固结过程中桩土界面处上覆竖向有效应力和超孔压的修正计算公式。结果表明:从时间上看,在桩顶的外荷载作用下,超孔压随时间消散的同时,上覆竖向有效应力逐渐增大；成桩后30.d超孔压基本消散完毕,上覆竖向有效应力不再增长,地基土处于休止期。从空间上看,超孔压随桩埋深的增大而增大,在渗透性差的黏土层增长较快；不同荷载条件下,距桩心的水平距离和桩端的竖向距离越小,超孔压越大；靠近桩端和桩心的超孔压最大值与桩顶荷载大小呈负相关关系。     

基于光纤技术和有限元计算的灌注桩承载特性

为了掌握灌注桩的承载力及桩身受力分布和传递规律,本文开展了灌注桩现场静载试验,并使用光纤传感器对灌注桩桩身变形进行了测试,获得了桩身应变信息。采用有限元软件ABAQUS,开展了灌注桩承载特性数值模拟研究。结果表明,静载试验得到的桩基Q-S曲线和数值模拟测得的桩基Q-S曲线基本一致;光纤传感器所得结果显示桩身轴力在桩头处是最大的,随着桩长增加而逐渐递减,整体变化规律与数值模拟结果规律一致;灌注桩实测桩身侧摩阻力沿桩长变化规律与数值模拟得到的受力分布和传递基本一致,验证了有限元计算模型中选取的参数是合理的。考虑了桩长、桩径和桩土界面摩擦系数对桩基Q-S曲线、桩身轴力分布和侧摩阻力分布的影响,桩径和桩土界面摩擦系数对桩基的Q-S曲线、桩身轴力分布和侧摩阻力分布的影响很大,而桩长的影响较小。     

非均质土层中单桩水平动力阻抗计算及影响因素分析

运用土动力学和结构动力学原理．基于改进的Winkler地基梁模型,考虑了地基土的成层非均质性和桩土界面的相对分离效应以及桩侧土的弱化效应,采用数理方程方法分别求解桩与土的振动方程,建立了水平荷载作用下单桩动力阻抗函数的计算力学模型．通过数值计算将得到的单桩水平动力阻抗随激振频率的变化关系与现有的计算和试验结果进行了对比．验证了计算方法的合理性,进而通过变动参数计算得到了桩周弱化土域、桩土界面接触状态、桩身长细比和桩土刚度比等对单桩水平动力阻抗函数的影响规律。     

考虑桩土滑移的超长桩沉降非线性算法

考虑超长桩桩周土体加工软化和加工硬化等不同性状,采用三折线荷载传递模型模拟其竖向荷载下桩侧传递规律,并以理论τ-z曲线描述桩侧界面桩土接触非线性。在此基础上,针对荷载传递过程中桩土滑移现象,对超长桩及桩周土分别建立单元进行离散化处理,根据桩土体系平衡条件得出桩土体系刚度矩阵方程及其迭代求解流程,从而提出了可考虑桩土滑移的超长桩沉降计算非线性分析算法.与现场试桩实测数据对比表明,本文方法计算值与实测值基本吻合,可供工程实践参考。     

单桩分析的双曲线模型的验证和相应的近似公式

众所周知桩土界面处土的扰动要远大于远离桩土界面处的土，在该扰动区内，土得应力应变关系为非线性的．本文提出一个双曲线模型来描述桩土界面处剪切应力与剪切应位移的非线性关系．通过一系列室内单剪试验的结果该双曲线模型得到了验证．基于室内试验的结果，本文提出一个用于计算该双曲线模型的近似公式．其计算结果与现场单桩试验结果以及有限元计算结果进行了比较．     

膨胀土-混凝土界面剪切特性研究及界面系数修正

为对不同含水率下与不同法向应力下的膨胀性土的界面抗剪强度-界面剪切位移曲线进行分析,通过设计室内膨胀土-混凝土界面直剪试验,研究各含水率对膨胀土-混凝土界面各力学性质的影响。结果表明：不同含水率条件下的应力应变曲线均无应变软化现象,基本符合应变硬化模型;含水率的增长,对界面抗剪强度有较为明显的劣化影响,应力应变曲线的峰值也随之愈发滞后;同一含水率的界面抗剪强度与法向应力较好地符合摩尔-库伦强度准则,随着含水率的逐渐增长,界面抗剪强度也呈现递减态势;界面黏聚力先呈增长态势,后呈逐渐减小态势;界面等效剪切模量呈现下降趋势,同时通过微观角度对界面黏聚力和界面内摩擦角引起的界面强度变化规律进行了机理性的分析。界面内摩擦角则随着含水率增加逐渐地呈现反比例函数降低态势,引入界面摩擦系数,进一步细致分析界面摩擦力学性质,同时修正了界面黏聚力和法向应力对界面摩擦带来的较大影响,针对于浅层边坡土体与桩基础的摩擦估算,考虑到法向荷载对于界面摩擦系数影响较为合理。     

斜坡段桥梁基桩受力与变形分析的传递矩阵法

根据斜坡段桥梁基桩的水平承载特性,建立了考虑斜坡效应的桩-土相互作用模型及挠曲微分方程;基于m法和传递矩阵法,推导了桩身内力与位移分析的传递矩阵解答;通过模型试验,测得了黏土和砂土斜坡地基比例系数,拟合得到了斜坡地基比例系数与坡度间的关系式,验证了理论解答的合理性;以某工程实例为基础,分析了斜坡坡度和桩顶水平荷载对斜坡基桩受力与变形的影响.研究表明：斜坡地基比例系数随桩土交界面处桩身水平位移增大而呈非线性关系减小;黏土和砂土斜坡地基比例系数均随斜坡坡度增加而减小;基桩桩顶水平位移和桩身最大弯矩均随斜坡坡度和桩顶水平荷载增加而增大;当斜坡坡度由0°增加至60°时,桩顶水平位移约增大86.4%,桩身最大弯矩约增大4.6%,桩身最大弯矩位置约下移2.0 m;桩顶水平荷载每增加50 kN,桩顶水平位移平均增大48.5%,桩身最大弯矩平均增大41.6%.