基于多段荷载传递法的桩基荷载-沉降解析解

目的推导出桩侧土桩基荷载-沉降解析解,为在理论上探讨桩的轴向静载与沉降之间的关系、计算桩的极限荷载、桩身轴力和桩侧剪力提供一种较为实用的方法.方法利用多组并联弹簧组来模拟桩侧土荷载传递曲线,建立桩侧土的多段线性荷载传递函数模型,模拟桩土间弹塑性本构关系,以荷载传递函数法为基础,并巧妙地利用双曲函数变换和传递函数.分析了砂土侧摩阻力的变化对桩基荷载-沉降曲线的影响,并与专业桩基计算软件结果进行对比.结果求得了桩侧土处于弹性、弹塑性和弹-塑-滑移状态下桩身内力与节点位移的解析表达式,并递推得到了桩顶荷载-沉降关系和桩顶刚度的解析解.结论多段荷载传递法求得的荷载-沉降曲线与专业桩基计算软件结果基本吻合,说明了该方法的有效性和解析解的正确性.     

基于双土拱效应的砂性土滑坡中抗滑排桩滑坡推力研究

从产生抗滑排桩桩后滑坡推力的滑动土体作用范围出发,在莫尔圆极点理论基础上首先确定桩后砂性土滑坡的土拱效应区域.随后在库仑理论基础上推导了考虑滑坡倾角影响的库仑主动土压力系数并得出考虑土拱效应影响的桩侧土体主动水平应力作用解析表达式.结合考虑土拱效应的局部塑性变形理论改进解推导得出了抗滑排桩桩身滑坡推力分布及滑坡推力合力解析解.通过解析法、数值模拟结果分别对本文方法进行了对比分析,证明了本文所得考虑滑坡倾角影响的库仑主动土压力系数以及桩身滑坡推力解析解的正确性.最后,开展了抗滑桩桩身滑坡推力的参数影响分析,结果表明:抗滑排桩的桩身滑坡推力作用随滑坡倾角β、砂土内摩擦角φ的增加以及桩间距比值D1/d的减小而增加.     

成层土中管桩的扭转振动特性研究

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土体系的扭转耦合振动,研究了成层黏弹性地基中管桩的扭转振动问题.首先,采用分离变量法求解得到土体扭转振动位移形式解;然后利用阻抗函数传递方法,求解得到了成层地基中桩顶阻抗函数的解析解;最后通过数值算例分析了桩周土与桩芯土的物理力学参数、管桩壁厚以及桩端阻抗函数对管桩桩顶复刚度的影响.分析结果表明,在动力基础设计所关注的低频段,桩周土的剪切模量和黏性阻尼系数对桩顶复动刚度的影响要远大于桩芯土;桩端位移阻抗函数的选取对桩顶复刚度有明显的影响.     

自平衡试桩结果的解析转换法

提出了一种自平衡试桩结果转化成传统静载试验曲线的解析法．假定桩侧土符合双折线模型、桩端土符合三折线模型，采用荷载传递法分别推导了自平衡试桩上、下段桩的荷载-沉降的解析解．通过对上、下段桩的实测荷载-沉降曲线的拟合，得到抗剪刚度系数和抗压刚度系数等计算参数，再利用解析解将自平衡试桩结果转换成传统静载荷试验曲线即解析转换法．该方法的转换结果与实测桩载荷曲线以及荷载传递位移协调法的转换结果比较，吻合较好，具有较高的精度；相比其他转换方法，该方法具有理论完整、不需实测传递函数、简单实用等优点．     

悬浮桩侧向振动的非线性动力刚度

该文研究了非线性粘弹性土层中粘弹性悬浮桩侧向振动的动力刚度.通过将悬浮桩端底下部的土介质等效为一虚拟桩——“土桩”,将土介质等效为桩附近的非线性粘弹性内层土域和远离桩的线性粘弹性外层土域,利用等效线性化和分离变量法,求得了桩、土桩构成的组合桩在频率域内动力响应的半解析解,得到了悬浮桩桩头动力刚度.在此基础上,数值研究了各种物理和几何参数下悬浮桩刚度随激振频率的响应以及对这些参数的依赖性,结果表明：悬浮桩侧向振动的振幅、土层非线性效应、桩长等参数显著影响着悬浮桩的桩头刚度.一般情况下,土层的非线性效应将明显降低桩刚度,且仅通过增加桩长度并不能显著提高其刚度,而是存在一个最佳桩长,这些结果为工程设计提供了一定的参考.     

耦合质量对饱和黏弹性土中桩纵向振动的影响分析

基于Biot理论,在频率域内研究了考虑质量耦合效应的饱和黏弹性土中桩的纵向耦合振动特性.采用Novak薄层法得到了饱和黏弹性土的位移、应力等的解析表达式.将桩视为Euler-Bernoulli杆,给出了饱和黏弹性土中端承桩纵向振动的动力方程.根据桩土连续性条件,得到了桩顶的复刚度表达式.与Novak解进行了对比,并考察了饱和土和桩各参数对桩顶动态刚度因子和等效阻尼的影响.结果表明:耦合质量项对桩顶复刚度有较大影响;桩土模量比对桩纵向振动特性的影响与桩长径比的取值有关.     

基桩屈曲问题的大挠度摄动解

基于温克尔地基模型,采用能量法建立了两端铰支完全入土桩的大挠度微分方程.假设其挠曲函数及桩头荷载为摄动参数的幂级数展开式,采用二次摄动方法将非线性大挠度微分方程化为一系列线性摄动方程求解.在求得大挠度渐近解的基础上,通过摄动参数转换,得到以桩身挠度为摄动参数的后屈曲平衡路径高阶渐近解.最后,利用本文解答分析了桩长、地基土弹簧刚度、桩身抗弯刚度等因素对基桩临界荷载值及其后屈曲平衡路径的影响.结果表明,基桩屈曲临界荷载随桩土刚度比增大而提高,且较小的桩土刚度比对后屈曲平衡路径的稳定较为有利.     

分数导数黏弹性模型描述的土中单管桩的水平振动

将土体视为黏弹性介质,采用分数阶本构方程描述黏弹性土应力-应变关系,建立并求解了在轴对称坐标下单桩桩周-桩芯土水平振动控制方程,得到分数阶黏弹性土体单桩水平动力阻抗的解析解形式.通过数值算例分析了桩土常数和模型参数对单桩水平动力阻抗的影响.结果表明:桩周土的分数微分算子阶数对单桩水平动力阻抗影响较大;桩芯土和桩周土的本构模型常数会对水平动力阻抗刚度因子产生明显影响,而对阻抗因子的影响相对较小.     

Timoshenko模型桩水平振动的动力刚度

基于桩-土相互作用的连续介质模型,利用桩的水平振动土阻抗结果,将桩等效为Timoshenko梁,研究线性黏弹性土层中Timoshenko模型端承桩水平振动的动力特性,给出频率域内桩头动力刚度的半解析解,得到动力刚度随频率的变化曲线.在此基础上研究物性和几何参数对刚度的影响,并与Euler-Bernoulli模型桩的结果进行比较.研究结果表明,端承桩水平振动的动态刚度受桩长细比、土软硬程度、水平激振频率等的影响,这些结果可以为工程设计提供参考.     

有限土层悬浮桩的竖向受荷性能解析

为了探讨有限土层悬浮桩竖向受荷性能,将桩底以下土柱视为虚土桩,通过统一的桩土模量函数,建立桩和虚土桩的控制方程。考虑桩土相互作用,导出了土的位移、桩顶刚度和桩端刚度的解析表达式。将本文计算结果与已有结果进行对比,验证了本文方法的正确性。参数分析表明:桩顶刚度随桩长径比和桩土刚度比的增大而增大。当桩端接近基岩时,桩顶刚度急剧增加,桩端刚度与弹性半空间上刚性圆盘受力计算结果差距显著。     

基于抗滑桩内力计算“m”法的有限差分法

传统的弹性地基系数"m”法在计算抗滑桩或其他横向受荷桩内力时,由于需查表手算,不但计算过程繁琐,容易出错,而且受查用表格中各系数误差的影响,常使计算结果出现不同程度的误差.为此,作者基于"m”法的原理,提出了进行抗滑桩全桩内力计算的有限差分法.同时,编写了该法计算和图形处理程序,与传统方法进行了验证和对比.实例计算结果表明只要等量差分段取得足够小,虽然所耗机时稍长,但可获得高精度数值解,其精度高于采用传统手算法所得解的精度,而且程序图形处理结果可优化抗滑桩的结构设计;该方法也可用来分析其他横向受荷桩,如桥梁桩基、海洋石油钻井平台桩基等的内力.     

考虑桩-土相互作用的悬臂式排桩内力计算方法研究

在分析常用计算方法优缺点的基础上,通过引入非线性的桩-土相互作用模型,提出了一种可考虑桩-土相互作用的悬臂式排桩内力计算方法.首先,采用杆单元对桩体结构进行离散化,计算单元刚度矩阵并合成为总体刚度矩阵;其次,假定基坑内、外侧土压力与桩身位移之间的非线性函数关系,建立非线性的节点荷载函数列阵;再次,根据总体刚度矩阵和节点荷载函数列阵形成总体刚度方程(组),采用Newton-Raphson法求解以得到节点位移列阵;最后,通过单元刚度方程和节点位移列阵反求桩身内力和桩侧土压力.算例分析表明,本文方法计算简单方便,能充分反映桩侧土压力非线性变化的特点,较好地揭示了桩-土相互作用机理,适用于悬臂式排桩内力计算.     

边坡段水平受荷桩桩前土抗力折减效应的模型试验研究

为解决由于边坡存在造成的土抗力折减问题,开展了黏性土中平地及不同边坡条件下的基桩水平加载室内模型对比试验.试验结果表明,两种工况下水平受荷桩的荷载变形曲线及内力变化规律基本一致,但位于坡体上的基桩的承载能力明显折减,而该折减效应与边坡角度及桩位于边坡的位置紧密相关.进一步量化分析了土抗力折减效应的影响因素,提出了折减效应与桩位于边坡的位置和边坡角度的定量关系.在此基础上,通过对坡体上极限土抗力和初始刚度的合理修正,建立了可考虑边坡处土抗力折减效应的水平受荷桩的p-y曲线计算公式.理论计算值与已有的试验结果的对比表明两者吻合较好.     

双排抗滑桩与门架抗滑桩的有限元分析对比

对于滑坡推力很大的大型滑坡,常可能需要采用两排或两排以上抗滑桩进行治理。为合理确定滑坡推力在各排桩上的分布形式或大小,计算各排桩的实际受力和变形,采用ABAQUS有限元软件,建立了双排抗滑桩和门架抗滑桩治理顺层滑坡的三维数值分析模型。通过在桩—土间设置库仑摩擦接触面模拟桩—土相互作用,用滑带岩土体强度折减方法来施加滑坡推力,探讨双排抗滑桩和门架抗滑桩的受力情况,对二者的位移、内力、桩身土压力分布进行了对比分析,研究结果表明,后者的位移、内力明显小于前者,说明门架抗滑桩受力更为合理,是更值得推广的抗滑支挡结构形式。     

一种新型的分析框剪结构的单元——层单元

构造一种能模拟一层框-剪结构的新型分析方法——层单元.采用杆单元法、层单元法和解析公式,分别计算不同结构刚度特征值的等刚度框-剪结构,在不同的外荷载作用下的内力和位移;采用杆单元法和层单元法,计算不同结构刚度特征值的变刚度框-剪结构,在均布荷载作用下的内力和位移.与杆单元法比较,层单元法能显著地减少输入、输出数据和计算量,计算误差小于3.5%,     

地基系数法在岩体抗滑桩内力计算中的应用

指出抗滑桩内力计算的传统方法之地基系数法应用于岩体抗滑桩时 ,存在的一些问题 .对此 ,首先根据刚性抗滑桩的受力和变形特性 ,推导了地基系数法计算刚性桩内力的计算公式 ;其次根据弹性抗滑桩的受力和变形特性 ,导出了有限差分格式 ,用以分析弹性桩全桩的内力 .同时 ,采用MATL AB数学软件 ,编写了基于文中所推公式的刚性和弹性抗滑桩内力计算程序 ,可完成全部计算和将计算结果转换成理想的可视化图形 .对于刚性抗滑桩 ,计算结果是精确的 ;对于弹性抗滑桩 ,计算结果的精度优于传统的查表手算法 .计算结果的可视化有助于抗滑桩的结构设计     

New method of designing anti-slide piles – The strength reduction FEM

At present, the thrust of an anti-slide pile can be worked out with some calculation methods. However, the resistance in front of the pile, the distributions of resistance and thrust, and appropriate pile length cannot be easily obtained. In this paper, the authors apply the strength- reduction finite element method (FEM) to several cases of design of anti-slide piles. Using this method, it is possible to take the pile-soil interactions into consideration, obtain reasonable resistance in front of pile and the distributions of thrust and resistance, and reasonable lengths of anti-slide piles. In particular, the thrust and resistance imposed on embedded anti-slide piles can be calculated and composite anti-slide pile structures such as anchored piles and braced piles can be optimized. It is proved through the calculation examples that this method is more reliable and economical in the design of anti-slide pile.     

桩锚试验的数值模拟

提出了一种新型的单元模型来模拟桩锚结构：桩体内的混凝土用脆弹性材料模型、钢筋用典型的应变硬化弹塑性材料模型、桩土间的相互作用则用一种特殊的非线性Winkler（文克尔）类地基来模拟其间的粘合、滑移和分离等力学状态．推导了锚桩工作状态下接触面处的位移解答和刚度公式，编写了有关的计算程序．根据试验的数据结果，用复形调优法对一些计算参数做了反分析研究．最后给出了计算实例，并与工程的实测数据进行了对比．     

Analysis of Interaction Factors between Two Piles in Layered Soils

A rigorous analytical method is presented,which takes into account the pile stiffening effects,using the theory of the transfer matrix-bottom rigidity for calculating the interaction factor between two identical piles in multi-layered soils subjected to vertical loads.Following the technique proposed by Muki and Sternberg,the problem is decomposed into extended soil layers and two fictitious piles characterized respectively by Young's moduli of the layered soils and those of the differences between the piles and the layered soils.The unknown axial forces along fictitious piles are determined by solving a Fredholm integral equation of the second kind,which imposes the compatibility condition that the axial strains of the fictitious piles are equal to those corresponding to the centroidal axes of the extended layered soils.The real pile displacements can be calculated based on the determined fictitious pile forces,and finally,the desired pile interaction factors may be obtained.Selected results from parametrical studies are presented to confirm the validity of the proposed approach and portray the influence of the governing parameters on the pile interaction.