改进型DIC技术在静压桩模型试验中的应用

目前数字图像匹配(digital image correlation, DIC)技术在岩土工程领域中的应用越来越广泛.在室内模型试验中采用DIC分析技术可实现对沉桩过程中桩周土体位移的测量,进而对桩周土体位移分布规律进行研究.但是位于桩-土界面处的薄层土厚度较小,其位移无法利用DIC技术进行测量,因此对DIC分析技术进行改进,可记录并计算桩-土界面土体位移场情况,从而研究沉桩过程中压桩速度和桩端深度对桩-土界面土体位移的影响规律.研究结果表明,桩体贯入时桩-土界面土体位移的规律可分为初始阶段和稳定阶段,初始阶段土体位移表现为急剧增大然后迅速减小,而稳定阶段土体位移在0 mm附近波动.总体来说,在砂土中压桩,桩-土界面土体随桩体贯入发生的位移较小.在同一桩端深度处,压桩速度越快,桩-土界面土体位移越大;当压桩速度相同时,桩体贯入深度越深,桩-土界面土体累计位移越大,稳定阶段反弹位移越小.研究结果对进一步揭示桩-土相互作用机理和桩-土界面受力变形机理具有一定的参考价值.     

微型管桩高频振动贯入过程挤土效应数值分析

高频振动贯入桩因具有低噪音和低振动的优点而得到广泛应用。为研究微型管桩高频振动贯入过程的机理,采用耦合的欧拉—拉格朗日方法建立微型管桩高频振动贯入过程的三维有限元模型,对桩贯入过程中桩挤土应力和挤土位移进行了分析。研究结果表明:单桩高频贯入过程中,桩周土体水平应力在径向方向上急剧衰减;深度方向上,土体水平应力最大值出现在桩端下方,且最大值随桩的贯入深度增加而增加;地表位移以隆起为主,随径向距离增大而减小;群桩依次贯入时,后打入桩会造成先打入桩周边土体的竖向位移和水平位移增加。     

基于位移贯入法的静压沉桩有限元分析

基于ADINA平台,应用位移贯入法对静压沉桩的连续贯入的全过程进行有限元模拟,研究了均质土中静压沉桩产生的位移和应力的变化规律,并与成层土中静压沉桩产生的位移和应力进行了对比分析。有限元分析表明,在均质土中,随着径向距离的增加,土体的水平位移和挤压应力呈对数衰减,且与桩的贯入深度有关;在成层土中,成层土的影响比均质土的影响要大,主要体现在软硬土体分层处土体位移加大,土中挤压应力剧变,出现应力间断。在实际施工过程中,桩体易开裂、弯折,由此提出相应的解决方法。     

静压桩沉桩及已打入桩遮拦效应的数值模拟

采用三维有限差分软件 FLAC3D 建立了数值模型, 对比了圆孔扩张理论的解析解与数值解, 并在此基础上建立了桩实体单元基于位移贯入法模拟桩-土间摩擦作用, 且与相关文献中施加节点力模拟摩擦效应的方法进行了对比, 二者的计算结果较吻合. 基于此数值模拟方法 对静压桩单桩、双桩的沉桩过程进行计算分析, 并就已打入桩体对沉桩过程中土体位移的影响 进行研究, 得到以下结论: 模拟桩-土问摩擦效应的两种方法中, 位移贯入法计算所得土体水平位移在地表处较大, 这是因为桩体以固定速度向下运动时, 为阻止圆孔缩径而约束了其径向位移, 消除了摩擦效应对土体水平作用的影响. 沉桩结束后, 在大于地表下1/4 桩长深度范围内 的土体水平位移较大, 是主要的变形区域. 上部土体沉降较大, 而下部土体沉降较小, 其中距地 表下1/8 桩长至 1/4 桩长处沉降最大, 说明已打入桩的存在改变了土体水平位移的大小, 更使得土体水平位移随深度的变化趋于线性. 待打入桩的沉桩过程使得已打入桩身产生一定的倾斜. 由于沉桩扩孔的影响, 受到水平挤压的桩前土体在已打入桩的阻隔下沿着桩身向上隆起, 表明已打入桩的存在改变了土体位移的分布模式, 最终达到了减小水平位移的目的.      

群桩压入挤土效应的解析计算及试验对比

采用孔扩张理论对静压桩挤土效应进行模拟计算,假定地基土符合修正剑桥模型,推导得出单桩压入过程中土体位移和孔隙水压力的解析表达式。以此为基础,通过叠加得到群桩压入过程中桩周土体挤土效应的理论解答。同时,在杭州地区进行了群桩静力压入的现场试验,发现桩周土体的水平位移随离排桩的距离呈指数衰减。解析计算值与试验结果较接近,证明了该模拟计算方法的有效性。     

软黏土中静压沉桩引起的侧向挤土位移分析

将软黏土中桩体贯入过程看作不排水条件下圆柱孔的扩张.弹性和塑性区分别采用小应变和大应变理论,考虑传统超固结比与各项同性超固结比的不同,推导了修正剑桥模型土中单桩挤土位移的解析解;并与文献离心模型试验结果进行了比较,验证了理论解答的可靠性.在此基础上,采用叠加原理对排桩的侧向挤土位移进行了估算,并分析了沉桩数目、桩间距、预钻孔孔径以及土体超固结比对侧向挤土位移的影响规律.研究结果表明,随着沉桩数目的增加,挤土影响范围增大;当桩间距、预钻孔孔径增大时,挤土位移快速减小;土体超固结比增加时,侧向挤土位移略有增加,但总体影响不明显.     

软黏土中静压沉桩引起的侧向挤土位移分析

<正>将软黏土中桩体贯入过程看作不排水条件下圆柱孔的扩张.弹性和塑性区分别采用小应变和大应变理论,考虑传统超固结比与各项同性超固结比的不同,推导了修正剑桥模型土中单桩挤土位移的解析解;并与文献离心模型试验结果进行了比较,验证了理论解答的可靠性.在此基础上,采用叠加原理对排桩的侧向挤土位移进行了估算,并分析了沉桩数目、桩间距、预钻孔孔径以及土体超固结比对侧向挤土位移的影响规律.研究结果表明,随着沉桩数目的增加,挤土影响范围增大;当桩间距、预钻孔孔径增大时,挤土位移快速减小;土体超固结比增加时,侧向挤土位移略有增加,但总体影响不明显.     

深水喷射井口结构套管水平承载力

提出了喷射结构套管管周扰动土体的抗剪强度增长规律的表达式,分析了扰动土体抗剪强度的增长对API建议的软粘土p-y曲线、管身土抗力和弯矩分布、管身挠曲变形及结构套管水平承载力的影响。研究结果表明：喷射后管周扰动土体的抗剪强度与时间对数近似呈线性关系;随着时间的增加,软粘土p-y曲线的极限土抗力和初始斜率逐渐增大,但增大的幅度逐渐减小;结构套管水平承载力也与其时间对数呈线性关系。     

深开挖基坑回弹引起的坑中桩受力与位移计算

深基坑开挖卸载坑底土回弹会对坑底桩的受力性状产生影响.在不考虑桩身自重的情况下以残余应力法和Mindlin解为基础,以桩土位移协调和桩体受力平衡为条件,研究刚性桩桩体回弹量和桩侧摩阻力分布.分析结果表明,桩体的位移量随着桩长和桩径的增长而减小,桩径的变化对中性点的深度位置以及桩侧摩阻力的分布形态影响很小.中性点随着桩长的增加其深度位置逐渐下移.当桩长相对较短时,桩体的位移量随着基坑开挖深度的增加为增大;当桩长相对比较长时,桩体的位移量随着基坑开挖深度的增加而增大,最后出现平缓的趋势.中性点随土体回弹再压缩模量的增大而下移,桩体回弹量随土体回弹再压缩模量的增加而减小,后趋于定值.     

考虑土体结构劣化的高原山区桩-土体系数值分析

高原山区土体常年受冻融循环作用,结构不断劣化,导致桩-土界面作用削弱,对 构筑物稳定性产生不利影响 . 本文开展室内试验结合数值模拟,构建了土体在冻融循环作用 下的结构劣化模型,建立了考虑土体结构劣化的水-热-力耦合数学模型并验证了其可靠性 . 基于此,对服役期内高原山区桩-土体系稳定性进行了数值分析 . 试验结果表明,冻融循环条 件下,土体渗透系数及孔隙比随冻融次数增加呈对数型增大,土体黏聚力随冻融次数增加呈 指数型减小,内摩擦角随冻融次数增加呈对数型增大. 服役期内,桩周土体最大冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,最大融沉位移逐年增大,桩周土体整体呈融沉趋势;桩基冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,融沉位移逐年增大,冻胀融沉增长速率不断减小,但桩基融沉位移大于 其冻胀位移. 试验结果可为高原山区桩基础设计提供技术支持与理论指导.     

饱和软黏土中沉桩以及随后固结过程的数值模拟

考虑土体的K0沉积过程,利用Flac2D软件对沉桩以及随后的固结过程进行了模拟.模拟过程前,首先对沉桩前不同应力历史土体中的原位有效应力和剪切模量的取值方法进行了分析.通过数值模拟,得到了不同应力历史土体中沉桩后孔隙水压力分布、有效应力场,以及孔压完全消散时的桩侧有效应力场.分析了不同应力历史、不同初始含水量、不同剪切模量对固结完成后桩侧土体不排水抗剪强度提高幅度的影响,探讨了土体结构性对沉桩后桩侧土体的孔隙水压力以及固结完成时桩侧土体径向有效应力、不排水抗剪强度的影响.传统圆孔扩张理论将沉桩过程看作是一个平面应变问题,忽略了问题的三维本质,本文根据应力路径的相似性给出了考虑空间性的办法.     

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。     

海洋平台打入式桩基抗拔承载力的时效性分析

采用ABAQUS软件对海洋平台打入式桩基的抗拔承载力的时效性进行了数值模拟分析,研究了海底土体的渗透系数对桩基的超孔隙水压力消散及桩基径向有效应力的增长规律,进行了桩基上拔的模拟分析,得到桩基抗拔承载力随时间增长规律,建立了上拔荷载—位移的关系,并考虑了上拔过程中桩底负压对抗拔承载力的影响。并提出关于无纲量时间因数T和土压力系数K的抗拔承载力时效公式,并现场测试数据进行了验证。研究结果表明,渗透系数越大,超孔隙水压力消散越快,桩基的径向有效应力增加得越大,桩基的抗拔承载力增加得也越大。桩底负压虽然对桩基的抗拔承载力是有利的,但是其在桩基承载力中所占比例很小。     

饱和软土地基中群桩施工引起的超孔隙水压力

通过对挤土桩桩基施工过程中实测资料的分析和理论研究,认为群桩施工时的超孔隙水压力与单桩情况下的不同.虽然群桩的影响因素更为复杂,但在各桩施工时的相互影响和“水裂”作用的限制下,孔隙水压力值仍会趋于稳定.为此对饱和软土中桩群范围内超孔隙水压力的产生、分布和变化趋势进行了探讨,对桩群外超孔隙水压力的分布规律和影响范围也进行了讨论.     

无砂砼小桩后处理高填方软基的固结过程分析

无砂砼小桩复合地基技术的施工过程主要包括成孔填石和压力注浆,高填方软基施工过程产生较大的超静水压力,延缓路基稳定时间,采用后处理的关键技术在于快速消散超孔隙水压力和水泥复合土固结。本文在分析无砂砼小桩成桩、注浆过程的基础上,根据渗流理论对无砂砼小桩后处理高填方软基的固结进程进行了分析。     

考虑甲烷溶解的天然气水合物分解超孔隙水压力

天然气水合物的分解会生成大量气体和水,在土层渗透性较差的情况下,大量气体无法及时溢出,压力不易传导到外部,使土层的超孔隙水压力迅速增大,有效应力降低,同时水合物分解后其自身与沉积物的胶结作用大幅减小,导致沉积物强度降低,发生大规模变形或失稳,进而引发海底失稳等灾害。基于热力学基本理论,建立了考虑水合物分解产生的甲烷气体部分溶解的超孔隙水压力模型,并对其影响因素进行讨论,最后针对南海工况研究水合物分解对海床稳定性的影响。结果表明,水合物分解产生的超孔隙水压力随着水合物分解先迅速增大后缓慢增长最后趋于稳定;初始饱和度、塑性指数、水深、沉积物埋深、内摩擦角等是影响水合物分解产生的超孔隙水压力的关键影响因素;影响海床稳定性的关键不利因素是超孔隙水压力聚积而非土体强度弱化;生成的甲烷气体二次溶解使超孔隙水压力减小,一定程度上缓解了斜坡的滑动。     

沉桩过程土体超静孔隙水压力变化规律研究

从空间圆孔扩张理论出发,提出了超静孔隙水压力随径向和深度方向变化的分布公式;并结合弹塑区连续理论,给出了沿深度线性增加,沿径向对数衰减的简化计算公式。同时考虑到沉桩速率对超静孔隙水压力的影响,结合圆孔扩张理论,推导获得沉桩时产生的孔隙水压力与沉桩速率之间的关系;并利用abaqus有限元对沉桩过程土体超静孔隙水压力变化进行数值分析,对工程中静压桩施工的控制,合理安排沉桩流程、沉桩速率,有一定的实际意义。     

滩涂极软地基托板桩法处理技术研究

为研究滩涂极软地基上托板桩的工作特性,开展了现场试验和有限元分析.现场实测了地表沉降及土压力,并据此建立了二维平面应变模型,进而对不同时期的地基土超孔隙水压力、土压力、沉降、水平位移等问题进行了研究.研究结果表明:随着填土高度增加,桩顶与桩间土差异沉降增大,产生土拱效应和拉膜效应,桩身轴力、桩体荷载分担比和桩端附近土体超孔压增大;填筑完成后超孔压消散,地基土逐渐固结,桩间土与桩顶差异沉降增大后趋于稳定,桩体荷载分担比逐渐稳定在80％左右;土工格栅拉力较小,传递荷载的能力有限;浅层地基土对桩体有负摩阻力,桩身轴力沿深度先增大后减小;托板桩法可有效控制地基土水平位移.     

降雨入渗对三维刚架桩边坡渗流稳定性的影响

开展降雨入渗对三维刚架桩边坡渗流稳定性影响的数值分析研究,考虑长时小雨及短时强降雨,从土体位移、坡体孔压及边坡稳定性演变角度,重点讨论降雨入渗条件下刚架桩边坡的合理桩间距,以期为雨水充沛的福建山区刚架桩边坡设计提供参考。结果表明：三维刚架桩边坡土体位移受降雨条件影响显著,随着降雨强度和持续时间的增加,土体水平位移和竖向位移依次增加;降雨条件下三维刚架桩边坡坡体内孔隙水压力分布具有明显的时空效应,短时强降雨条件下,坡顶孔压增幅最大,降雨强度的持续增加导致刚架桩边坡安全系数降幅也增大;桩间距对刚架桩边坡的渗流稳定性有显著影响,无降雨时边坡的安全系数随桩间距增大而减小;基于研究区降雨特点及暴雨频次呈现逐年递增现象,应将桩间距设为3倍桩宽,以充分发挥短时大雨情况下刚架桩的抗滑效果。     

软土灰砂桩加固后加载引起的超静孔隙水压力

研究了湖相沉积软土在灰砂桩加固后随着上部结构的分级加载及后期地基中超静孔隙水压力的变化情况。以银川地区广泛分布的湖相沉积软土的地质条件为背景,利用灰砂桩加固软土地基,其原理是基于生石灰吸水膨胀发热吸收土中的水来对桩周土起挤密作用。模拟中使用了改进的Mohr-Coulomb强度准则,计算了软土灰砂桩加固后随着上部结构施工过程及施工完成后超孔隙水压力的增长与消散过程。计算显示超静孔隙水压力变化引起基础中的有效应力能够承受上部荷载,说明湖相沉积软土采用灰砂桩加固在实践和理论上是可行的。