测试海洋工程桩-土动力响应的多荷载耦合加载装置设计与实现

结合海洋工程桩基础全生命周期的受荷特点,研制出一种测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合循环加载装置,该装置能同时或分别施加水平循环荷载、竖向循环荷载、水平冲击荷载。本文对装置各个模块的工作原理进行了详细阐述,并推导了各模块工作时输出力的大小和规律。其中,水平循环加载模块,通过变频电动机转轴的转动带动对心曲柄滑块机构中的滑块在导轨上水平往复运动,从而实现水平循环荷载的施加。水平冲击加载模块,变频电动机的转盘带动绕线器转动,通过钢丝绳与绕线器连接的冲击加载小车沿倾角为θ的导轨向上运动至撞击杆处时,连接在冲击加载小车上的撞击脱钩器与撞击杆发生碰撞后自动脱钩,冲击加载小车进入水平导轨,撞击安装在模型桩上的加载板,实现水平冲击荷载的施加。竖向循环加载模块,利用与变频电动机相连的钢丝绳带动小车沿导轨运动,引起与加载板相连的弹簧伸长或压缩,通过与下加载板连接的卡扣实现竖向循环荷载的施加。该装置能得到多荷载耦合作用下海洋工程桩基础动力响应及桩土相互作用导致的桩周土刚度弱化规律,对海洋工程桩基础的设计和维护具有重要意义。     

复杂荷载作用下桩基承载特性模型试验系统研发

自主研发了复杂荷载作用下桩基承载特性模型试验系统,可开展单向荷载、竖向-水平耦合荷载作用下桩基加载试验。由模型槽、竖向-水平耦合加载系统、测量系统三部分构成,子系统之间以螺栓连接,可拆解。模型槽由透明有机玻璃制作、角钢加箍,便于试验土体观察和模型桩埋深、仪器埋设控制;加载系统采用滑轮、配重块和微型千斤顶、液压泵施加竖向-水平耦合荷载,设置直线滑动导轨为荷载方向调节装置,以消除水平面内桩顶与微型千斤顶之间摩擦力对桩土的作用效应,维持竖向力始终作用在桩顶中心位置;测量系统除可测得桩顶水平位移、沉降等数据外,亦可多点测量桩身水平挠曲线。最后开展了单向荷载、竖向-水平耦合荷载作用下PCC桩承载特性模型试验,对试验系统的可靠性和稳定性进行了验证。     

水平—竖向耦合荷载下单桩承载性状数值分析

为了研究单桩基础在水平—竖向耦合荷载下的承载性状,以工程实例为基础,通过数值计算的手段建立了均质海相软黏土层中单桩受耦合荷载的计算模型,研究均质土层中竖向与水平耦合荷载作用下单桩的承载力、变形特点。结果表明：当施加的水平力未超过临界荷载,水平力的施加对单桩竖向承载力无影响;当施加的水平力超过临界荷载,水平力的施加对单桩竖向承载力有着不利的影响;水平力的施加延缓了竖向抗拔承载力破坏点的出现,且随着施加的水平力的增大,抗拔极限破坏点出现得越晚,水平力的施加提高了单桩抗拔承载力;预先施加竖向力会减小水平力产生的桩顶水平位移,提高单桩水平承载力;且存在一个最优的竖向荷载,使得桩顶水平位移最小,桩身弯矩最小。     

双向循环荷载下海上风机群桩基础累积变形特征分析

为探究双向循环荷载下海上风机群桩基础累积变形特征,依托南海某在役海上风电工程,利用ABAQUS建立了精细化三维有限元模型,引入了改进土体刚度衰减模型并嵌入用户子程序USDFLD中实现了双向循环荷载下海床土体刚度衰减的模拟,同时进一步引入双向循环正弦变化荷载并利用用户子程序DLOAD实现了模型复合加载。基于数值结果,分析了不同幅值、不同循环次数双向循环荷载作用下群桩基础侧向累积位移及桩身弯矩演化规律。结果表明：双向循环荷载下随着荷载循环次数的增加各桩泥面处水平位移、桩身弯矩均不断增大,表现出明显的累积效应;双向循环荷载下群桩前排桩桩身泥面处水平位移、弯矩最大,中排桩次之,后排桩最小;当水平(竖向)荷载相同时,桩基侧向变形随着水平(竖向)荷载增加而增加,且水平(竖向)荷载越大增加幅度越剧烈,但同时存在最小水平循环荷载使得双向循环荷载下各桩侧向位移累积并不明显,且较单向水平循环荷载基本接近。     

既有竖向荷载对微型桩水平承载特性的影响

运用ABAQUS有限元软件,分析了微型桩在既有竖向荷载作用时施加水平荷载,桩体的水平位移、桩身弯矩、土体的横向抗力、侧摩阻力等的变化情况;对比不同既有竖向荷载作用对微型桩水平承载性能的影响。结果表明:竣工后桩基础中分担竖向荷载较大的桩,抵抗水平荷载的能力较强;不同施工阶段,随着上部竖向荷载不断增加,桩抵抗水平侧移的能力增强。     

关于嵌岩灌注桩单桩竖向承载力确定方法的探讨

嵌岩灌注桩作为主要柱型之一,确定其竖向承载力通常采用单桩竖向静载试验.现有试桩资料显示:单桩竖向静载试验终止加荷时,多数未达到破坏,少数为柱身破坏,属柱周(端)土(岩)体破坏者罕见,试验荷载桩侧阻力分担了大部分.对于工程桩来说,由于在施工过程中荷载是缓慢施加的,建(构)筑物的使用周期较长,在整个使用期内,桩周土层尤其是软土或松散土,将会产生固结沉降,这种沉降有时可能较大,致使工程桩与试桩的工作性状有较大的差异,用试桩所得的单桩极限承载力来评价工程桩是有其局限性的.对于硬质岩体来说,嵌岩灌注柱承载力建议按桩身强度计算确定;对于软质岩体,嵌岩灌注桩承载力可根据试桩结果分析确定.     

倾斜荷载与负摩阻共同作用下的桩基承载特性

利用有限元方法模拟现场倾斜荷载试验及现场负摩阻试验,并对倾斜荷载与负摩阻共同作用下的基桩受力特性进行分析.首先,施加竖向荷载;然后,分先后顺序施加水平荷载与产生负摩阻的地面荷载.研究结果表明:地面荷载先于水平荷载施加对基桩承载有利,当地面荷载为竖向荷载的1.3％时,承受倾斜荷载时基桩桩顶水平位移、桩身最大弯矩、桩身最大轴力与未施加地面荷载情况相比,分别减小35.1％,22.2％和5.6％;当地面荷载后于水平荷载施加时,基桩的水平承载特性与仅受水平荷载时的相比无明显区别;桩侧负摩阻力略增大.     

边坡桩基受力特性的离心模型试验

鉴于采用常规试验方法对临空面的边坡桩基较难进行分析,利用基于相似理论的土工离心试验机,通过缩小原型尺寸的方式对其进行研究。在土工离心试验中,采用自制的加载系统分别对端承桩与摩擦桩这2种不同形式的桩基施加水平荷载和竖向荷载,给出边坡桩基受力性能的研究方法,并进行了受力机理分析。试验结果表明:边坡桩基受较小的水平荷载时,2种桩基形式受力性能相差不大;摩擦桩在承受竖向荷载时承载性能较差,对桩周土体扰动较大,不宜作为边坡桩基的形式。     

砂土场地中组合荷载下单桩竖向承载特性研究

考虑砂土场地中单桩承受水平和弯矩荷载的共同影响,完成了五组共十根单桩的室内模型试验,分析了在组合荷载作用下砂土中单桩的竖向承载特性.研究表明:在不考虑竖向荷载作用的情况下,随着水平荷载作用点高度的增加,由于出现了弯矩荷载,单桩的水平极限承载力降低,但降低幅度逐渐减小;水平或弯矩荷载的增大,均会导致单桩沉降的增大和竖向承载力的降低,但只有当水平荷载达到相应位置水平极限承载力的0.5倍以上时,这种变化幅度才较明显;预先施加的水平和弯矩荷载在产生水平位移后,再施加竖向荷载,将会出现P-Δ效应,造成单桩水平位移的增大和水平承载力的降低;水平和弯矩荷载共同作用时对单桩的沉降和桩端阻力的影响程度,与水平和弯矩荷载产生的桩顶水平位移的大小正相关.     

水平往复荷载下FRPC桩与砂土的相互作用宏微观机理

为了研究水平往复荷载作用下FRPC桩与砂土的相互作用宏微观机理,采用粒子图像测速技术,利用自行设计的水平往复桩模型试验系统,对埋入砂土中的FRPC桩施加水平往复荷载.测试加载过程中,利用CCD高速工业相机拍摄桩周砂土的变形情况,分析砂土与FRPC桩的微观相互作用机理.使用DH3816应变仪采集桩身应变,得到弯矩沿桩身的分布情况.试验结果表明:随着荷载的增加,桩身弯矩和桩周砂土的总位移、水平位移、竖向位移均增大,砂土受FRPC桩影响,两端的总位移和水平位移最大,竖向位移沿桩身从上向下增大;最大荷载作用下,桩身出现裂纹,且破坏位置距砂土表面0.245 m,此处的桩身弯矩最大;水平往复荷载下,FRPC桩绕中心区域转动,对砂土的扰动主要发生桩的两端.     

固结状态不同的饱和软土中桩基竖向循环承载特性

为了研究地基土在不同固结状态下竖向循环荷载对桩基承载力的影响,在三组不同固结围压、固结度的饱和软土单桩基础中,分别进行了初始静载和循环加载后静载两个独立试验,其中循环加载采用位移控制,依次施加四个递增振幅。通过数值模拟进一步分析桩基承载力的循环弱化规律。结果表明:当循环荷载大于桩周土硬化应力阈值时,桩土系统会发生强度弱化和刚度软化,桩基动刚度随着循环次数增加而减小。地基土固结围压、固结度的增加使桩周土硬化应力阈值提高,桩土系统抗弱能力提高。当循环荷载小于硬化应力阈值时,桩土系统强度弱化不明显,甚至发生刚度硬化,桩基动刚度随着循环次数增加而增大。地基土固结围压越大、固结度越高,桩基极限承载力越大,弱化后的桩基极限承载力也越大,相应的残余承载比越小。循环加载时,桩侧摩阻力和桩端阻力共同弱化,桩端阻力的弱化速率滞后于桩侧摩阻力,桩侧摩阻力的弱化是该桩基承载力弱化的主要原因。     

双向循环荷载下的单桩基础累积侧向位移

针对软黏土地基中单桩基础在竖向和水平循环荷载下的累积侧向变形问题,建立基于双向循环受荷的软黏土刚度衰减模型.利用有限元软件Abaqus进行二次开发实现刚度衰减,通过数值模拟分析竖向和水平循环荷载耦合作用下单桩基础的累积侧向位移.结果表明,水平和竖向循环荷载耦合作用下,桩顶侧向位移相比于只受水平循环荷载时更大;存在最小水平循环荷载比,当水平循环荷载比小于该值时,桩基不会产生侧向位移累积;竖向循环荷载对桩基累积侧向变形的影响存在一临界值,小于该值时,对桩顶侧向位移的影响很小.     

溶洞高度影响嵌岩桩轴力传递及桩侧超载响应试验

岩溶区基桩常刺穿不同高度的溶洞,承受桩顶竖向荷载或者单侧超载,但荷载传递机制尚不十分清楚.针对此状况,设计杠杆加载装置,测试刺穿不同高度溶洞桩顶部加载时的桩身应变及桩顶自由时单侧超载下桩身应变、土压力和侧移,获得穿洞桩的轴力传递规律和单侧超载响应.结果表明：1）桩顶竖向荷载作用下,基桩从土层或溶洞进入岩层前,轴力-深度...     

逆作法开挖坑底工程桩差异回弹有限元分析

逆作法开挖过程,基坑内工程桩的回弹量不同会反作用于地下室结构,引起次生应力.探讨了减小逆作法基坑开挖过程工程桩差异回弹的方法,包括改变工程桩的布置、长度和直径以及改变构件的竖向及水平的连接刚度等.有限元计算结果表明:采用不同长度的工程桩柱可以有效地减小各桩柱顶部的回弹量及回弹差,并保证开挖过程中各桩柱的回弹差基本不变;采用不同半径的工程桩柱仅对减小各桩柱顶部的回弹差有一定的作用,对减小桩柱顶部的回弹量效果不明显;对于非排土桩,增加基坑中心桩柱的数量对桩柱顶部的回弹影响很小;地下室楼板和桩柱表面可以竖向滑动,桩柱之间的回弹差不会导致楼板产生向上的凸起,也就不会带动桩产生向基坑方向的变形,桩身侧移明显减小;当减小桩柱对地下室楼板的水平支撑作用,各桩柱的顶部回弹量和回弹差均明显增加,地下室楼板中心处会在桩柱的带动下产生较大的凸起,带动桩身产生较大侧移.     

考虑循环荷载反复作用的抗拔桩设计

文章以张拉索膜结构的抗拔桩基础为对象,综合了以往研究承受循环荷载的桩基础工作性能的成果,阐明了最主要的循环荷载效应及影响机理,并总结了土样、模型桩和实际工程桩承受循环荷载时的临界荷载水平,提出基于荷载控制水平的安全系数法来进行考虑循环荷载效应的抗拔桩基础设计。     

竖向力与扭矩共同作用下单桩承载特性试验

为研究竖向力(V)和扭矩(T)共同作用下单桩的承载特性及内力分布规律,通过自主设计的试验装置,进行了一系列的竖向力和扭矩组合加载试验.为方便推广应用,对试验结果进行拟合,得到了竖向力和扭矩共同作用下单桩承载力计算公式.研究表明:在V-T组合荷载的作用下,单桩的承载力较单一荷载作用下降低,且当先施加的荷载(V或T)大于其极限值的1/3时V-T组合效应更加明显;V→T加载路径下的桩身扭矩和T→V加载路径下的桩身轴力,均随着桩深的增加而减小,且减小的速度加快;V→T加载路径下的桩身轴力和T→V加载路径下的桩身扭矩,分别会随着T和V的增加而减小,但减小的幅度较小;V→T加载路径下的单桩承载力较T→V加载路径下要高,因此应尽量避免单桩预先受到扭矩作用,防止因形成T→V加载模式而造成单桩的极限承载力的降低.     

地面水平位移对斜桩基础的负面效应

采用有限元方法,通过简化算例分析了带斜桩的群桩基础的工作特点.分析和计算分两种情况:(1)群桩只承受竖向和水平荷载,没有地面水平位移作用;(2)群桩在承受竖向和水平荷载作用的同时,还承受地面水平位移作用.文中重点分析了两种加载情况下斜桩对群桩几个主要特征指标(群桩的沉降、水平位移和转动、桩顶荷载)的影响.结果表明:当群桩只承受竖向和水平荷载时,以斜桩代替直桩对群桩的工作性状有明显的改进,尤其在减小桩基础水平位移方面;但是当发生地面水平位移时,以斜桩取代直桩会在群桩基础中引起附加弯矩和水平位移,从而降低群桩的承载能力.     

水平循环荷载下桩土相互作用试验研究

对水平循环荷载下桩土相互作用进行了试验研究,并对试验结果进行分析,着重探讨了水平循环荷载下加载频率、循环次数对桩土相互作用的影响,其成果可供有关工程研究和应用参考。     

干湿循环及水平循环荷载下的码头群桩侧向累积位移

为了揭示干湿循环及水平循环荷载作用下码头群桩累积侧向位移分布特征,基于水平循环受荷的刚度衰减模型和土体抗剪强度干湿循环弱化模型,通过ABAQUS进行二次开发实现了土体刚度衰减和土体抗剪强度干湿循环弱化,并依托三峡库区某在役货运码头,建立了码头群桩-岸坡相互作用三维数值模型.通过数值结果系统分析了三峡库区在干湿循环及水平循环荷载作用下码头群桩桩顶及桩身累积侧向位移.研究表明:干湿循环和水平循环荷载产生的循环效应集中在循环周期的前面阶段;存在临界水平循环荷载比,当水平循环荷载比小于临界值时,累积位移随着循环次数的增加而逐渐增大,在加载后期桩基侧向位移趋于稳定;当水平循环荷载比大于临界值时,累积位移随循环次数的增加而不断增大,在加载后期仍有不断增加的趋势,当桩基设计从控制变形考虑时,建议将水平循环荷载比控制在0.5以内;干湿循环后在水平循环荷载作用下,桩侧累积位移有明显增大的趋势;最后,根据数值计算结果,提出了干湿循环后水平循环荷载作用下群桩桩顶侧向累积位移预测模型,可供工程实践参考.     

高能固体火箭发动机冲击燃烧特性研究

为研究高能固体火箭发动机冲击燃烧特性,采用火箭撬平台作为加载装置对高能发动机施加冲击载荷,通过调节火箭撬速度获得不同速度下高能发动机的宏观反应特性;采用热力耦合计算模型对试验过程进行仿真,仿真中考虑推进剂在应力作用下温升引起的自热反应热源,通过计算发动机撞击靶板过程中推进剂内温度变化情况,分析推进剂反应的剧烈程度,判断发动机的反应特性,获得发动机的反应机理. 研究表明高能发动机以不低于100 m/s速度撞击靶板推进剂均会发生点火,点火位置位于发动机内孔;随着撞击速度的增加,点火延迟时间减小.