基于太沙基极限承载力理论的管桩土塞高度计算方法

为分析开口管桩沉桩过程中产生的土塞效应,首先从土塞的形成过程和作用机理出发,建立了土塞单元体的受力平衡方程,得出了垂直向总荷载的表达式;其次,将土塞视为"桩中桩",基于太沙基桩端极限承载力理论,得出"桩中桩"桩端极限承载力的表达式,从而导得管桩在沉桩过程中土塞高度的表达式;最后,将本文理论计算结果与工程实例进行对比分析,并进一步分析了径厚比、土的黏聚力以及桩土表面粗糙度对管桩沉桩过程中形成的土塞高度的影响,得出结论:同一入土深度,土塞高度随着径厚比增大而增大,随着桩土表面粗糙度的增加而减小,而土的黏聚力对土塞高度的影响不大.结果表明本文计算方法是基本可行的,对开口管桩沉桩过程中土塞高度的预测计算具有一定的参考价值.     

考虑内摩擦角影响的开口管桩极限承载力理论分析

针对桩内土塞的存在导致开口管桩极限承载力力计算的困难,在别列赞策夫理论的基础上,将开口管桩的桩壁和桩内土塞分别按刚、柔基础对待,考虑持力层土内摩擦角对桩壁和土塞的影响,推导出了持力层为砂土的开口管桩单桩极限承载力公式。选取12组算例对该承载力公式进行计算,结果表明：当持力层土的内摩擦角越大、桩长越长、桩内径越小时,土塞端阻应力和桩壁端阻应力的差值就越大;当持力层土内摩擦角大于30°时,用该表达式计算出的开口管桩极限承载力值比用 JGJ94—2008《建筑桩基技术规范》方法计算值大很多,说明用该规范计算的承载力还有很大的安全储备。     

开口与闭口管桩连续贯入机理的可视化模型试验研究

静压管桩连续贯入的动力响应不仅会引起土体的局部大变形,还会改变桩周土体的有效应力状态,从而影响自身的贯入阻力以及桩基承载力时效。现有研究更多关注的是沉桩后的承载变化,对于沉桩过程贯入机理的认识仍相对不足。为此,克服传统全模型试验不可视的局限,通过透明土可视化物理模型试验开展了开口与闭口管桩静压沉桩连续贯入全过程的对比试验,获得了开口与闭口管桩相同沉桩条件下的桩周土体的位移场。系统研究了两种形式下全时空域的桩周土体扰动变化规律及承载特性的发挥,并讨论了开口与闭口管桩贯入机理的差异性。试验结果表明：由于土塞效应渐进调动的原因导致开口与闭口管桩的挤土效应发挥机理存在较大差异,闭口管桩连续贯入引起的位移矢量场的模式主要以桩端放射状挤压土体运动为主,而开口管桩的位移矢量场则表现为管桩内部竖向位移最大、桩身两侧的扰动变形较小;贯入初期,开口管桩所调动的贯入阻力远小于闭口管桩,随着土塞程度的增大,土塞效应引起的开口管桩的土塞端阻对于总贯入阻力的贡献占比逐渐增大。     

湛江组结构性黏土中开口桩土塞效应模型试验研究

在土层中打入开口桩,土体进入桩内形成土塞,土塞效应对桩的承载能力和沉桩后的工作性状有重要影响。在湛江组结构性黏土中打入开、闭口模型桩,进行了17组现场模型桩试验。通过对实验数据分析,得到了开、闭口桩的承载力以及土塞高度的变化情况与不同桩径、桩厚之间的关系;探讨了土塞增量与桩打入深度之比（IFR）随桩长与内径之比的变化规律,线性拟合出土塞增量与桩打入深度增量之比（IFR）与土塞高度与桩打入深度之比（PLR）的经验公式。结果表明：开口桩的承载力较同等规格的闭口桩承载力偏小,减小比例为20%-30%;土塞高度的增量随着桩径以及壁厚的增大而变大;随着管径的壁厚比越大,土塞相对高度越大;试验桩中土塞都是部分闭塞,但随着桩入土深度的继续增加,闭塞效果逐渐增强;IFR与PLR之比基本成线性关系。     

湛江组结构性黏土中开口桩土塞效应的模型试验研究

在土层中打入开口桩,土体进入桩内形成土塞,土塞效应对桩的承载能力和沉桩后的工作性状有重要影响。在湛江组结构性黏土中打入开、闭口模型桩,进行了17组现场模型桩试验。通过对实验数据分析,得到了开、闭口桩的承载力以及土塞高度的变化情况与不同桩径、壁厚之间的关系;探讨了土塞增量与桩打入深度之比(IFR)随桩长与内径之比的变化规律,线性拟合出土塞增量与桩打入深度增量之比(IFR)与土塞高度与桩打入深度之比(PLR)的经验公式。结果表明:基于湛江组结构性黏土的现场模型试验下,开口桩的承载力较同等规格的闭口桩承载力偏小,减小比例为20%~30%;土塞高度的增量随着桩径以及壁厚的增大而变大;随着管径的壁厚比越大,土塞相对高度越大;试验桩中土塞都是部分闭塞,但随着桩入土深度的继续增加,闭塞效果逐渐增强;而通过拟合得出的IFR与PLR之比基本成线性关系。     

桩承式路堤承载特性颗粒流细观模拟

采用离散元法软件PFC2D,建立了桩承式路堤承载特性颗粒流试验模型.分析了路堤荷载下填土颗粒间接触力、应力和竖向位移等的分布规律以及桩土应力比的变化规律,并研究了桩间距、桩帽宽度、颗粒间内摩擦角和颗粒形状等因素对桩承式路堤承载特性的影响.结果表明:填土颗粒中土拱结构主要存在于桩顶1倍桩净间距高度范围内;桩帽宽度越大,桩间距越小,桩土应力比越大但土拱结构稳定性越弱;填土颗粒表面越粗糙,内摩擦角越大,桩土应力比越大且土拱结构稳定性越强;随着路堤荷载的增加,填土颗粒中土拱结构呈现出形成-破坏-再形成的变化规律.     

土塞对管桩纵向振动的影响研究及试验分析

为了探究径向非均质土中考虑土塞效应的管桩纵向振动规律。首先根据Novak薄层法和饱和多孔介质理论建立起径向非均质饱和土的振动方程,利用复刚度传递模型,得到管桩内外侧面土体复刚度。然后采用扩散虚土桩模型考虑桩对桩端土的应力扩散效应。根据虚土桩和管桩边界条件、初始条件和连续条件进行管桩—土振动模型求解,得到半正弦脉冲激振力下桩顶动力响应的理论解。分别探讨了土塞水的体积分数、剪切波速及高度对管桩动力响应的影响。最后采用室内管桩模型试验验证理论计算模型。结果表明:土塞剪切波速及土塞高度对管桩桩顶动力响应的影响不可忽略。由于土塞的存在,桩顶时域曲线在桩底同向反射之前有一个反向反射,反向反射的位置和土塞高度有关。进一步完善了饱和土中开口管桩的振动理论。     

双壁静压开口管桩贯入及承载特性试验研究

为了更进一步研究黏性土地基上静压桩贯入及承载特性,通过在桩身安装光纤光栅(FBG)以及在桩顶安装温度自补偿传感器,对双壁开口模型管桩的沉桩和单桩承载特性进行研究。结果表明:压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力随着贯入深度的增加而增大,且桩端阻力为沉桩过程的主要阻力,沉桩结束时占比为66.7%。相比于外管,内管桩侧摩阻力和桩身轴力均较小。荷载-位移曲线为陡降型,最大沉降为47.72 mm,极限荷载为6.3 kN,是沉桩终压力的2.48倍。试桩内管桩身轴力在土塞高度范围内以及外管桩身轴力在桩长范围内随着桩身埋深逐渐减小。内管桩侧摩阻力仅在土塞高度的范围内随着深度逐渐增加;外管桩侧摩阻力在荷载小于7.0 kN时,随着深度呈先增大后减小的趋势,当桩顶荷载达到7.0 kN时,随着深度逐渐增大。在各级荷载作用下桩端阻力占桩顶荷载的比例为53.6%～65.1%,表现出了较好的端承桩性状。研究结果对双壁开口管桩内外管贯入及承载特性的研究具有重要的意义。     

考虑土塞效应的开口管桩承载力CPTU计算方法

为了完善考虑土塞效应的开口管桩承载力计算方法,采用孔压静力触探(CPTU)技术与静载试验对崇启大桥北岸接线工程中的预应力高强度混凝土开口管桩(PHC)场地进行了现场测试.基于CPTU测试数据,结合锥尖阻力与桩端阻力的相关性关系,提出了一种开口管桩承载力的CPTU计算新方法.结果表明:当沉桩深度小于15 m时,土塞增长率随桩深增加呈线性下降的趋势.下卧层为硬土层,当沉桩深度由20 m增加到25 m时,土塞增长率从0逐渐增长到10%.管壁环面端阻计算值与CPTU测试结果的比值稳定为0.68.基于所提方法计算的管桩承载力与静载试验结果平均误差仅为4.5%,远低于国内其他规范法的计算结果,计算精度较高,值得在桩基工程中推广使用.     

锤击贯入PHC开口管桩现场监测试验研究

现场试验研究为工程实践积累经验和数据,并促进相关理论研究的发展。以马鞍山发电厂2×660 MW改扩建工程#1汽机房预应力高强度混凝土管桩(PHC)施工现场监测试验为例,探讨了锤击贯入开口式PHC管桩在沉桩过程的挤土效应和土塞效应。在简要叙述现场监测试验内容和方案的基础上,通过对现场沉桩施工的深层土体位移、孔隙水压力、锤击贯入度、土塞高度的现场监测试验数据分析,初步评价了沉桩的挤土效应和土塞效应对施工的影响。最后基于监测成果分析,论证了施工方案的技术可行性。并基于工程实例得到了管桩的挤土效应,随着管桩入土深度的增加而逐渐减弱,中上部土层反应明显,而下部土层则影响甚微的结论,研究能对后续以及类似地层场地的施工提供了有效的作业指导。     

不同刺入深度下桩端受力的模型试验及数值模拟

通过自行设计的可视化模型试验,采用高清相机、显微数码及图像分析等技术,对纯砂中桩端埋入持力层不同深度的桩端刺入试验进行宏、细观研究.对随桩端刺入深度不同而产生相应的桩端刺入的受力、砂土的位移场和应变场及其细观机理进行分析研究.通过开发三维非圆颗粒,重点对纯砂中桩端刺入的室内试验进行PFC软件三轴数值模拟,将土体细观参数变化与宏观力学响应相联系,揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观演化机理.指出端阻力的发挥在细观上主要表现为桩端附近颗粒接触力的变化:桩端下部颗粒的压密范围、桩脚附近土体孔隙率和接触数变化趋势是端阻随埋深而变化的主要因素;达到极限端阻后,承载力的略微增加在细观上主要表现为持力层中桩侧颗粒孔隙率减小、接触力增大.     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

地铁隧道施工诱发桩基变形的数值仿真分析

利用数值分析软件ANSYS建立弹塑性有限元模型;考虑位于区间隧道轴线不同位置的邻近桩基及不同桩长情况,对区间隧道施工诱发邻近桩基的变形进行数值仿真试验分析,同时分析隧道开挖后土体与桩体参数等因素对邻近桩基变形的影响。数值仿真试验结果表明：地铁隧道开挖后桩体发生倾倒变形,桩端与洞轴线的相对位置及桩端土性对桩基变形有明显的影响,有桩侧隧道周围向洞内的水平位移比无桩侧的水平位移小,且随桩长增加,两者差别增大。     

异形盾构同步注浆运动模式SPH模拟及试验验证

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法对异形盾构同步注浆的整体填充规律和局部扩散模式进行数值模拟,分析浆液颗粒的细观运动机制.为了验证数值模拟的合理性,采用含有机玻璃材料和拍摄仪器的可视化大型模型试验重现浆液在异形空间中的实时流淌过程,并结合试验结果对比验证.研究表明:浆液的扩散模式具有纵环向相互关联的挤压填充性流动特征,盾尾肩顶部注浆扩散面较为均匀,拱腰靠侧壁附近浆液有明显的上升通道,底部出浆口处浆液挤压淤积严重.     

基于DEM-CFD耦合方法的水合物与砂颗粒运动分析

采用离散元素法(discrete element method,DEM)和计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的耦合方法,对海底水合物中砂颗粒和水合物颗粒运动进行了研究。利用球形颗粒沉降模拟实验验证了耦合方法的可行性,分别分析了单个砂颗粒和单个水合物颗粒运动过程中颗粒位置、速度、受力及角速度的变化规律。结果表明:砂颗粒向容器底部沉降,在到达底部时发生碰撞,同时颗粒发生旋转;水合物颗粒向上运动,颗粒没有发生旋转。最后对颗粒群进行了模拟仿真,结果表明,DEM-CFD耦合法能够模拟大量颗粒运动的复杂流动,并且能从微观尺度分析颗粒受力和运动情况,对水合物颗粒和砂颗粒运动的研究提供了一种可靠有效的方法。     

某深基坑开挖过程的三维数值分析

本文运用有限差分软件FLAC^3D对某地铁车站基坑开挖与支护进行了模拟计算,分析了基坑开挖过程中围护结构变形、坑底隆起、地表沉降和相邻高架桥桩体的变形规律。结果表明：在深厚的粉细砂层中,地连墙变形有明显的“踢脚”现象;基坑由于开挖卸荷会导致明显的基坑隆起;坑外地表沉降影响范围主要在开挖深度的一倍范围内;基坑开挖也会引起相邻高架桥桩的侧向变形,最大侧移发生在开挖面附近。计算得到的地连墙和高架桥桩的侧向变形规律与已有文献的实测沉降规律基本一致,验证了计算结果的正确性。分析结果为类似工程设计与施工提供了有益参考。     

粗砂直剪试验与离散元细观机理分析

为了研究了粗砂的临界状态及临界状态下颗粒的运动规律,利用室内大型单剪试验设备以及颗粒流软件PFC2D,对粗砂进行了等体积条件下的单剪试验与数值模拟。室内试验结果表明,粗砂的临界状态摩擦角为36.4°~37.4°,在本次试验条件下,初始正应力、初始相对密实度对临界状态摩擦角基本无影响;数值模拟结果显示,发生较大速度、位移、旋转量的颗粒均位于剪切带范围内,剪切过程接近临界状态时,剪切带内的颗粒累计旋转量分布趋于稳定即在临界状态下,剪切带内颗粒的旋转量非常小;剪切带的宽度约为45倍的平均粒径。     

A laboratory test of the electrification phenomenon in wind-blown sand flux

The measured data in the wind-tunnel tests show that the wind-blown sand particles acquired a negative charge when their diameters are smaller than 250 μm and positive charge when their diameters are larger than 500 μm, which confirms Latham’s assumption that the large particles in wind-blown sand flux acquired positive charge while negative charge developed on small ones. In the meanwhile, the measured data also show that the average charge-to-mass ratio for wind-blown sand particles decreases with the increase of the particle diameter and the wind velocity, and increases with the rise of height. The electric field in wind-blown sand flux is mainly formed by the moving charged sand particles. Its direction is vertical to the Earth’s surface and upward, which is opposite to that of the fair-weather field. The electric field increases with wind velocity and height increasing. These experimental results will lay the foundation for developing the theoretical analysis of the electrification phenomenon in wind-blown sand flux.     

边界摩擦对二维堆积颗粒体系几何结构的影响

颗粒体系在受挤压时的受力情况和滑移通道是一个极其复杂的问题。用实验的方法研究了二维晶格堆积的颗粒体系受挤压推进过程中的力学响应和结构变化情况,观察到颗粒体系在受挤压时将出现结构的坍塌和重组行为。依据实验结果,分析了边界上压力的分布、滑移通道和重组结构与边界摩擦因素和堆积角之间的关系;用静力学理论分别讨论了处于边界和中部颗粒不同的受力机制。研究表明光滑器壁较粗糙器壁容易成为颗粒滑移的通道,这种情况下颗粒体系形成的力链不稳定,容易导致结构坍塌;边壁的摩擦不会对器壁不同高度处应力的分布产生显著影响,力链的重组才是导致不同高度处应力重新分布的主要因素。     

基于欧拉双流体模型的风沙运动模拟

针对风沙运动的复杂性,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,利用CFD商业软件Fluent 6.3中的欧拉双流体模型,数值模拟了在不同摩阻风速、不同颗粒粒径下风沙流场随时间的变化情况,给出了风沙流达到稳定状态时所需的时间和给定空间位置上沙粒相体积分数的分布曲线.模拟的主要结果与已有的文献报道相一致,从而说明该模型可以用于风沙颗粒流体体系的动力学特性研究.