考虑粗糙度和相对密实度下砂土-混凝土桩接触面力学特性试验研究

为探究粗糙度和土体相对密实度对砂土-混凝土桩接触面力学特性的影响规律,利用大型直剪仪开展了不同粗糙度、相对密实度下的砂土-混凝土接触面直剪试验,分析了粗糙度、相对密实度对砂土-混凝土接触面的剪切应力-切向位移、峰值剪切强度、割线摩擦角、归一化摩擦系数的影响.研究结果表明：密砂的剪切应力-切向位移曲线在光滑接触面下呈轻微软化型,随粗糙度增加,软化越明显;松砂的剪切应力-切向位移曲线始终呈硬化型.界面峰值剪切强度随法向应力增加呈非线性增长,土体相对密实度越大,非线性越明显.接触面割线摩擦角随法向应力增加呈指数衰减,而由于剪切强度增量较小,导致接触面峰值摩擦系数随法向应力增加呈幂函数衰减.存在临界粗糙度Icr, 当I > Icr时,接触面峰值摩擦系数和归一化割线摩擦角不再随粗糙度增大而增加,而是呈减小趋势.     

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.     

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。     

基于扰动状态概念的桩-土接触面荷载传递模型

基于扰动状态概念(DSC),假定桩-土接触面单元中相对完整(RI)状态部分的抗剪强度服从线弹性理论,完全调整(FA)状态部分的抗剪强度服从理想塑性理论,进而建立桩-土接触面荷载传递模型.针对桩-土接触面进行了大型直剪试验,试验结果表明:桩-红黏土接触面剪切过程中,接触面表现出应变软化特性,且随着法向应力的增加,软化现象越明显;桩-粉质黏土接触面剪切过程中,接触面表现出轻微应变硬化特性.利用桩-土接触面荷载传递模型计算得到的剪切应力-剪切位移曲线(τ-s曲线)与直剪试验得到的τ-s曲线吻合较好,验证了基于DSC的桩-土接触面荷载传递模型具有较好的准确性与适用性.     

桩土临界位移的研究

为预测桩的极限承载力,对桩土临界位移进行了研究。选取了钻孔桩及管桩两种桩型的桩进行静载试验及内力测试。桩顶沉降量是由两部分组成的,一是桩身的压缩变形,二是桩的整体位移,用桩顶沉降量减去某一横截面以上桩身压缩产生的变形量后得到的位移是该截面的桩身实际位移。试验发现,对于超长的预制管桩,桩身压缩产生的变形量在桩顶位移中占重要比例,应以桩身实际位移进行桩土临界位移研究。根据试验结果绘制了各土层侧摩阻力与该土层处桩身实际位移的关系曲线,根据这些关系曲线可知:桩侧摩阻力随桩身实际位移的变化可分为快速增长阶段、平缓阶段及下降阶段,不同深度土层的侧摩阻力发挥不同步。采用"假想悬臂梁模型"对试验现象进行分析,得出某土层的桩土临界位移随桩土界面强度的增大而增大、随土层自身强度的增大而增大、随土层所受的周边土层向上的限制作用的增大而减小的结论。     

接触面粗糙度对红黏土-混凝土接触面力学性质的影响

在混凝土试块上设计了粗糙度不同的表面,以该表面作为土-混凝土接触面,并采用灌砂法测定了接触面粗糙度。利用大型直剪试验仪对红黏土-混凝土试块接触面进行了剪切试验,定量分析接触面粗糙度对接触面抗剪强度参数、接触面剪应力-切向位移关系以及红黏土剪胀(缩)性的影响。研究结果表明:接触面粗糙度对红黏土-混凝土接触面的内摩擦角影响不大。在接触面粗糙度增大至临界粗糙度的过程中,接触面黏聚力随粗糙度的增大而增大,并逐渐趋近于红黏土自身的黏聚力。接触面粗糙度对剪应力-切向位移关系影响较大。接触面粗糙度对接触面上部土体的影响范围是有限的。该极限影响范围对应于临界粗糙度。当接触面粗糙度小于临界值时,接触面粗糙度越大,其对接触面上部土体的影响范围越大。当接触面粗糙度超过临界值,该影响范围不再变化。法向应力较低时,红黏土主要表现出剪胀性。接触面粗糙度对红黏土剪胀(缩)性影响不大。     

土石混合料与岩石接触面变形特性模拟试验研究

以土-岩接触面滑坡为工程背景,用室内大型叠环单剪试验研究土石混合料与岩石接触面变形特性,重点分析法向应力、含水率、粗糙度对接触面变形特性的影响.研究表明,土-岩接触面的体变规律主要与法向应力有关,当法向应力小于400 k Pa时,表现为剪胀,400 kPa时试样表现为剪缩,体变随着剪切位移变化曲线呈"U"型变化趋势,粗糙度和含水率只影响体变的幅度.相同试验条件下,同一高度的土样剪切变形移随着法向应力以及粗糙度的增大而增大,饱和含水率土样较天然含水率土样剪切变形明显变小;接触面剪切带厚度受粗糙度、法向应力影响较大,随着法向应力和粗糙度的增加,接触面破坏形式,由滑移破坏向接触面剪切滑动带破坏再向土体内破坏转变,因此存在临界粗糙度和法向应力,使得接触面的破坏由接触面向土体内转移.在分析土-岩接触面常用模型适应性基础上,用统计损伤模型描述土-岩接触面应力位移关系较好.     

排桩支护明挖隧道基坑桩侧极限抗力系数研究

为了研究单排桩支护明挖隧道基坑桩侧土抗力系数特性,首先,建立了考虑桩侧土体受力状态的基坑桩侧土压力力学模型和位移模式;其次,根据虚功原理和位移场模式,建立排桩支护明挖隧道基坑桩侧土体功和速度场计算公式,引入极限上限方法,提出了考虑桩-土界面粗糙度系数的排桩支护明挖隧道基坑排桩的水平承载力系数计算方法,将该方法应用于计算实例,通过与已有理论计算方法对比分析,计算结果验证了本文方法的合理性与可行性;最后,利用本文建立的方法,分析了桩间距、桩-土接触面系数以及埋置深度对基坑排桩水平抗力系数的规律.结果表明:排桩的水平承载力随着桩距的减小而减小,直到达到一个最小值.排桩的水平承载力系数Np随着桩-土界面粗糙度系数α的增大而增大;当桩-土界面粗糙度系数α一定时,水平承载力系数Np随着埋置深度的增加而增加,当埋置深度率Z/D7时,水平承载力系数Np随着埋置深度的增加趋于定值.     

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。     

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.     

砂土-混凝土接触面注浆剪切试验研究

桩侧后注浆技术在桩基工程中被广泛应用,但关于桩土接触面注浆的剪切力学特性研究并不多见.利用改进后可界面注浆的大型多功能剪切仪进行了砂土与结构物接触面注浆情况下的剪切试验,研究了注浆对接触面力学特性的影响.试验结果表明,界面注浆呈压密注浆与劈裂注浆相伴随出现的形式,注浆显著提高了接触面的抗剪强度,接触面强度增大的幅度随着注浆量的增大而有减弱的趋势.在相同法向应力条件下,剪切应力-位移曲线未出现应变软化现象,表现出非线性关系.随着注浆量的增大,接触面的粘聚力随之增大,而摩擦角则随之减小.最后采用修正摩尔库伦模型对试验数据进行了拟合.本文所得结果对桩基工程桩侧后注浆的应用有一定的借鉴意义.     

含水率对非饱和砂土力学特性影响的试验研究

使用WF循环单剪试验系统,对不同法向应力、不同含水率的非饱和砂土在单向剪切作用下的力学特性进行了系统的试验研究.砂土含水率为5.4%~25.4%,法向应力为25~300kPa,主要考察含水率、法向应力对非饱和砂土力学特性的影响规律.试验结果表明:存在一个临界含水率,当非饱和砂土含水率大于该临界含水率时,其剪切应力-剪切位移关系将由双曲线函数变为双折线函数.当非饱和砂土含水率小于临界含水率时,非饱和砂土的抗剪强度随含水率增大变化幅度较小.当含水率高于该点后,抗剪强度随含水率增大急剧降低.含水率对土的黏聚力、内摩擦角、剪胀性等力学特性具有重要影响.     

桩土接触面力学特性大型剪切试验

土与混凝土接触面力学特性直接影响到桩侧摩阻力的发挥,相关研究对抗拔桩设计及应用至关重要。采用大型剪切系统,设计试验剪切模型箱,通过将预制混凝土板置于剪切装置中,以模拟抗拔桩的实际受力情况,分别从剪应力-剪切位移曲线、接触面剪切强度及剪缩剪胀性3个角度进行对比分析。结果表明:剪应力达到峰值强度后随剪切位移的增加线性递减,且在不同法向应力作用下,减小速率近似相等;接触面最大剪应力随着法向应力的增大而增大,两者呈良好的线型关系,但随含水率的增大而减小;接触面抗剪强度随含水率的增大而逐渐减小,相同法向应力下其值远低于土体抗剪强度;当法向应力较小,土样含水率较低时,土体发生剪胀现象,而在其他条件下均为剪缩,法向应力越大,其剪缩量越大。     

桩-土作用下桩间距及桩位对抗滑桩及土体力学特性的影响

为探究桩间距及桩位对桩-土作用下抗滑桩及土体力学特性的影响,以某边坡治理工程为例,采用ABAQUS对不同桩间距及桩位的桩-土有限元计算模型进行数值模拟,分析模型达到临界破坏时的抗滑桩桩身内力及土体力学特性的分布规律.结果表明,抗滑桩的弯矩、剪力与桩间距呈正相关,与桩位距坡脚水平距离呈负相关.其中,弯矩随深度的变化曲线呈"凸"形,剪力呈"S"形;两桩中轴线上土体的x、y方向应力分量的幅值变化随桩间距的增大而减小,间接反映出土拱效应强度不断被削弱;土体x方向的应力峰值受桩位的影响较小,其峰值出现在桩后约1m的位置;土体x方向的应力峰值出现的位置随桩间距的增大逐渐远离抗滑桩.     

非均质地基中V-T联合受荷桩承载力分析

为研究非均质地基中单桩基础在桩顶竖向力(V)和扭矩(T)联合作用下的承载特性,假定桩侧地基土剪切模量和极限侧摩阻力沿深度呈指数函数非线性增加,并考虑桩-土接触面上位移的非协调性,根据剪切位移法和桩身荷载传递函数建立桩身位移控制方程,引入相应的力和位移边界条件,导出桩周土体处于理想弹性和塑性受力状态时的桩身内力位移解答,由此求得不同桩顶载荷工况(不同V-T组合与加载顺序)下的桩身承载力及其包络线。在此基础上,进一步采用ABAQUS对V-T联合受荷桩进行数值模拟对比分析,获得不同工况下的桩身破坏机理、影响桩身承载力的关键因素及其规律。研究结果表明:桩身承载力随桩身长径比L/D的增大而增大,但随桩土刚度比λ的增大而逐渐减小;桩顶可承受的竖向力V(扭矩T)随扭矩T(竖向力V)增加不断减小而趋于零。     

桩土接触面三轴模拟试验设备研究与应用

针对基坑开挖卸荷会导致桩基承载力损失和引起桩身拉力作用所带来的安全问题,研制了一套可控制复杂应力状态变化的桩土接触面三轴模拟试验仪.该试验仪采用三轴围压室的气压加载控制接触面法向应力,利用围压室顶部的双套活塞实现对顺接触面向土体应力状态和桩土接触面剪切加载的分别控制,通过设置土样上下表面孔压来控制接触面的渗流状态和有效应力变化.其测试系统可对接触面总摩擦阻力、桩土相对位移和土样分层变形进行量测,实现对复杂应力状态下的桩土接触面相互作用特性的研究.通过等向加卸载应力作用下的接触面试验验证了该试验仪的有效性.试验结果表明,桩土接触面的极限摩擦阻力和摩擦系数随着法向应力的增加而增大,土层的变形也随着法向应力的增加而变大.     

基于桩土相互作用下高桩码头地震响应分析

针对桩土相互作用下髙桩码头结构在不同工况下的地震响应情况,利用大型商业软件ABAQUS建立了桩-土-结构有限元模型。在假定桩土之间非线性作用下,对高桩码头在不同地震幅值、土体强度、桩间间距、有无斜桩等工况下进行模拟分析,得到了码头面板及桩的位移和加速度动态响应图。结果表明:码头的地震响应随地震幅值的增大而增强;土体的强度对码头的地震响应影响相对较小;码头结构对码头的地震响应有较大影响。     

桩侧土软化对单桩承载力及沉降的影响

用分段线性函数模拟桩侧剪应力与桩土相对位移的关系,用应力跌落描述了峰值剪应力和残余剪应力之间的关系,运用力学理论推导出单桩荷载与沉降的关系,并通过算例分析了软化系数的大小对单桩承载力、沉降、桩身轴力和位移的影响.研究结果表明若桩土之间剪应力和相对位移的关系满足软化模型(即应力-应变关系曲线上有明显的峰值,峰值后应力随位移增大而降低),则根据p-s曲线确定单桩承载力时,必须综合考察软化系数大小、桩端土的性状及单桩沉降和p-s曲线的形状,才能合理地确定单桩承载力.     

节理粗糙度对应力-渗流耦合特性影响试验研究

通过对3种不同粗糙度的人造节理试件进行压剪条件下的应力-渗流耦合特性试验,分析了剪切应力、法向位移、节理水力开度及透过率在剪切过程中随剪切位移变化的趋势和规律,获得了节理粗糙度对应力-渗流耦合特性的影响规律。结果表明:节理表面粗糙度是节理特性中对岩体力学和水力学性质有重要影响的指标之一,当节理面在开始产生较小的剪切位移时,节理的应力、位移和水力开度及透过率等特性会产生较大变化,而节理表面粗糙度越大,对节理应力-渗流耦合特性影响越明显。     

不同注浆材料作用下后压浆桩桩-土界面力学特性分析

为了研究不同注浆材料对后压浆桩桩-土界面的加固效果，开展了大型界面剪切实验.针对后压浆桩在各类土层中的应用，设置了砂土、风化岩、黏土3种不同土样，以研究不同土层环境下压浆对界面剪切性状的影响.采用双曲线模型及考虑剪切应力软化的剪切力学模型对剪切数据进行拟合，通过荷载传递法对压浆桩和未压浆桩的承载特性进行计算分析.研究结果表明，不同注浆材料作用下桩-土界面力学特性均有所改善.在砂土和风化岩中桩-土界面剪切应力与剪切位移之间的相互关系未受压浆影响；在黏土中，压浆改变了桩-土界面的力学特性，呈现出与未注浆接触面不同的软化现象.算例中桩基压浆前极限承载力为7.936 MN,粉煤灰基地聚合物、粉煤灰-水泥以及纯水泥浆液压浆后的极限承载力分别为13.492、13.647、13.926 MN.