群桩挤土效应的数值模拟

以上海市江宁路551号大楼的打桩工程为实例,以有限元方法为主要分析手段,对群桩地表的隆起、桩周土体的侧移、挤土产生的应力及其对周围桩体的影响等挤土效应的变化规律进行了详细研究．     

超长桩施工中桩身稳定性的三维非线性有限元分析

随着海洋油、气开发活动逐渐由近海向深海发展，出现了大直径、超长、深贯入的打入桩，打桩施工中采用的桩锤也随之加重．由于桩的直径大，桩壁薄，在打桩施工前或施工中更换桩锤时，伸出海底面的接桩段在自重、锤重和环境荷载的共同作用下容易产生失稳破坏．借助三维有限元分析方法，考虑桩身变形的几何非线性特性，对实际工程进行了桩的自由站立稳定性模拟分析．研究了线性算法与非线性算法在结果上的差异，并对不同的桩身倾斜度、自由站立长度以及桩顶作用水平荷载等工况进行对比分析，总结规律性。研究结果表明，线弹性算法的计算结果偏于危险，桩身倾斜度、自由站立长度以及水平荷载的大小对桩的自由站立稳定性均有较大的影响．     

桩锤同步振动系统的机电耦合特性及同步控制

控制同步是实现多锤联动的有效方式之一.针对目前存在的两台桩锤控制同步时出现的机电耦合现象,建立了打桩过程中的"锤-桩-土"系统的动力学数学模型,并构建了两桩锤同步振动系统的机电耦合模型,在此基础上进行了数值仿真分析,发现机电耦合的结果是在一定的条件下出现自同步现象.对机电耦合下的同步控制策略与算法进行了研究,确立了"虚拟主令+比例-积分-微分算法(PID)"的控制方式,最后通过试验验证了机电耦合规律的正确性及同步控制策略与算法的有效性,控制同步的精度可以满足工程应用.     

碎石桩复合地基桩土应力比的时效分析

对碎石桩复合地基的时效特性进行研究,根据桩体及桩间土体应力随时间的变化规律,考虑碎石桩复合地基中土体径向、竖向双向排水固结的特点,基于线弹性状态下桩体及桩间土体的应力一应变关系,分别给出考虑时效的桩体与桩间土体竖向应力计算方法,进而建立桩土应力比时效计算的双曲线模型,得到考虑时效的桩土应力比计算方法.研究结果表明:碎石桩复合地基桩土应力比随时间呈双曲线变化,其值与不考虑时效时相比可增大1倍,时效非常明显,在具体计算时不容忽视;双曲线时效模型能够有效地模拟碎石桩复合地基桩土应力比的时效规律;利用桩土应力比时效模型对某工程实例进行计算、分析,理论桩土应力比随时间的变化曲线与实测曲线较吻合.     

基于地基特性的双作用液压锤沉桩可打入性研究

针对锤击沉桩过程中可打入性难以判断的问题,对双作用液压锤在打桩过程中桩的可打入性判据进行研究。基于双作用液压锤的工作机理以及一维行波理论,推导锤击力方程;基于地基土的地质特性,考虑沉桩过程中桩-土相互作用,得到桩端位移与桩顶荷载迭代模型,推导出桩周阻力方程;根据沉桩机理,提出双作用液压锤锤击沉桩的可打入性判据,并利用Matlab软件对沉桩能力进行数值模拟计算,并进行现场试验。研究结果表明:试验结果与模拟结果中沉桩阻力相对误差为6%~8%,锤芯落差相对误差为4%~8%,表明本文数值模拟方法能很好地预测具体地质条件下液压锤的沉桩能力,计算精度满足工程应用,可为锤-桩-土系统的匹配提供依据。     

长短桩组合桩基础地基中的应力场和位移分析

利用有限元方法研究了当土层中存在上、下两层或多层可供利用的桩端持力层时，全短桩、全长桩及长短桩组合桩基础土中附加应力和沉降组成各部分大小的变化规律．从应力角度探讨了长短桩组合桩基础对沉降的控制作用．结果表明，由于长桩的存在，将部分荷载传至深层土体，减少了短桩软下卧层土中的附加应力值，从而有效地控制了沉降；同时又充分利用了浅层持力层的承载能力，减少了长桩用量．     

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。     

考虑土体初始应力下的散体桩承载力研究

基于Vesic柱孔扩张理论,推导出考虑土体在初始应力状态下的散体桩单桩极限承载力的计算公式,并分析了散体桩挤土塑性区半径的主要影响因素．同时结合工程实例,比较分析了现场试验与理论计算的桩承载力结果,结果表明,考虑土体初始应力状态下的散体桩极限承载力的计算结果与实际相比误差较小,可在实际工程中参考应用．     

NH型液压锤液压回路及其数学描述

建立了桩锤上升、下降和保压等液压锤整个工作周期的数学模型，并进行了计算机仿真，为开发液压打桩锤产品提供了理论基础。     

软土地基静力压桩的挤土效应及其防治

分析了软土地基中静压桩的挤土效应机理,依据圆孔扩张理论和有效应力原理,推导出塑性区影响范围、桩对土体的挤压应力、孔隙水压力估算公式等.最后结合工程实践,提出了防治或减轻挤土效应对周围工程环境影响的一些有效实用的措施.     

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。     

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.     

预制自排水桩的抗挤土机理分析

基于抗挤土效应,提出了预制自排水桩的设计思想,采用土体固结理论,研究了预制沉桩过程中桩周土体超孔隙水压力的消散速度,分析了预制自排水桩的沉桩排水效果,并通过工程实例和现场测试进行比较分析和验证。结果表明,预制自排水桩具有较好的排水效果,可以起到消散桩周土超孔隙水压力的效果,从而抑制沉桩挤土效应。     

不同地基处理方式下组合式板桩码头结构的受力变形分析

为解决软弱土地基深水板桩码头的技术难题,采用不同水泥掺入比的满堂式加固法和水泥搅拌桩加固法对软弱土地基进行处理,并与传统单锚板桩结构进行组合,研究组合式板桩码头结构的受力变形状况。结果表明:不同水泥掺入比满堂式加固软弱土地基主要通过增加刚度抵挡竖向和水平向的荷载,减少作用于前墙的侧向土压力;随着水泥掺入比的增大,整体承受侧向土压力作用增强,前墙的变形显著减小。采用水泥搅拌桩处理软弱土地基,形成的搅拌桩桩体和桩间土共同协调了结构与土的受力状况,且通过限制前墙位移降低了锚杆的内力,减小了前墙内力。     

室内静压沉桩试验桩周土体全过程位移场分析

采用室内半桩模型试验研究了砂土中静压桩沉桩过程,基于DIC(digital image correlation)技术对桩周土体位移发展与相应土压力变化律进行了分析研究.试验采用无标识点方法对桩周土体累计竖向位移发展规律进行了全过程分析,并拟合出了桩周土体位移轨迹,揭示了桩周不同位置土体的运动规律.通过对桩周土体竖向位移与相应位置土压力变化进行联合分析,从土体变形的角度对土压力变化机理进行了解释与证明,实现了力与位移关系的统一.最后对沉桩速度对桩周土体位移的影响进行研究.研究成果对于进一步明确沉桩挤土效应内在机理和桩周土体压力的发展规律提供参考.     

碎石桩复合地基桩土应力比计算

首先分析了桩土应力比计算方法及其计算中存在的问题.针对这些问题,通过引进圆孔扩张理论,根据平衡条件及位移协调条件,导出了受荷过程中桩土应力应变关系.并针对桩体间距不同,桩间土应力亦不同的实际情况,提出了桩体影响半径概念,分别得到了不同桩间距下的复合地基桩土应力比计算公式.与已有方法相比,该方法能较好地模拟桩体侧向膨胀造成的桩土共同作用现象,并能充分考虑桩体间距的重叠效应.最后,基于相似理论完成了桩土应力比的室内模型试验,获得了相应的实测结果,实测值与计算值最大误差为12%,说明该方法可以满足工程应用的需要.     

散体材料复合地基承载力计算研究

引进圆孔扩张理论,模拟桩土相互作用,分析了散体材料桩复合地基的应力分布特征,并导出了桩体与土体承载过程中的应力应变计算公式,在此基础上,充分考虑了布桩方式对承载力的影响,根据两种典型的布桩方式,分别提出了一套散体材料桩复合地基面积比承载力计算方法,弥补了常规计算方法的不足.最后,给出工程算例,验证了计算方法的实用性.     

桩承土工格栅加筋垫层复合地基力学变形特性三维数值分析

桩承土工格栅加筋垫层复合地基作用机理复杂,设计计算主要以经验为主,给设计与施工带来盲目性。采用有限元分析软件Ansys,建立群桩三维模型,对其力学变形特性进行了分析,结合工程实例,将数值模拟结果与现场监测结果进行比较分析,两者较为吻合。结果表明：桩与桩端土均具有最优弹性模量;桩土最大应力比在桩顶下某一深度,桩身最大轴向应力在桩顶下中性点,由于应力集中,在桩端处两者均突然减小;桩端土刚度在离桩底某一深度范围对桩土应力比产生影响;加筋垫层刚度仅在其下某一深度范围内对桩间土应力产生影响,刚度较小时对应力比的调节作用更明显;加筋垫层尺寸对桩身轴向应力和桩侧摩阻力都产生显著影响,桩顶下0.3倍桩长处最显著。     

长期荷载下有侧向约束柔性桩复合地基试验

为探讨长期荷载作用下柔性桩复合地基的工作性状,进行了有无侧向约束条件下夯实水泥土桩复合地基的长期荷载对比试验.在复合地基表面埋设沉降标,量测了桩体和土体沉降值,得到了桩和土的沉降随时间的变化规律;通过在桩间土表面、桩顶、桩端埋设土压力盒和在桩身埋设内贴应变片PVC管量测应力值,获得了桩顶与土顶应力、桩-土应力比、桩身轴力随时间发展的变化规律.试验结果表明:在长期荷载作用下,设置了约束长桩夯实水泥土桩复合地基的工作性状明显优于无约束夯实水泥土桩复合地基的工作性状——大幅度缩短了进入沉降稳定时间(约为64%),减小工后沉降量(约为29%~42%),降低桩-土应力比约39%;明显地调整了桩身轴力分布.分析认为:采用柔性桩加固软土路基时,在加固区边缘设置刚性长约束桩,能有效地控制路基的工后沉降,提高路基的承载性能.     

软土地层桥梁群桩基础沉降模型

根据软土地层桥梁群桩基础的沉降特性,推导该地质环境下群桩模型试验相似法则,自行设计带承台群桩基础的室内模型并开展试验研究.试验结果表明:在桩身范围内,附加应力随深度衰减,在分布形式上,附加应力分布形式可近似为三角形;同时,桩侧土体的竖向应力随着桩顶沉降的增加而相应的增加,在接近极限荷载产生较大沉降时也没有表现出明显收敛的现象;群桩在施加荷载时(不同施工阶段),桩周上部分土中产生较大的超静孔隙水压力,随着时间逐渐消散,即土体的固结过程需要一定时间;群桩的荷载与沉降关系明显呈现非线性特性,其P-S曲线大致可以划分为线性阶段、屈服阶段和整体破坏阶段3个阶段;且通过试验可知卸载后,各群桩位移回弹很小,经外荷载作用后,产生较大的塑性变形,因而群桩沉降应作为桩基础设计控制条件之一.