深厚软黏土地基中大直径单桩基础现场水平受荷试验及 p-y 曲线适用性研究

基于某海上风电场开展的单桩水平受荷特性现场试验,研究了深厚软黏土中2.4. m 大直径钢管桩荷载-位移响应、桩身挠度及桩身弯矩规律;探讨了m法、 API 规范法和双曲线型p-y曲线在软黏土地基中的适用性,并建立数值模型对不同直径单桩基础的水平承载力贡献因素进行分析。结果表明: API 规范法与双曲线型p-y曲线在浅层土中p-y曲线初始刚度与桩周土抗力偏大,双曲线型p-y曲线在一定深度下能够较好地预测土反力随位移的变化关系,m法与双曲线型p-y曲线计算得出的水平位移较实测值偏小,结果偏向不安全, API 规范法计算结果相比实测值较大,计算结果较为保守;随着桩径增大,单桩基础的侧摩阻力和基底抗力对水平承载力贡献也会随之增大,双曲线型p-y曲线会严重低估单桩的水平承载力。     

无缝桥引板微型桩-土共同作用试验研究

利用MTS加载系统开展砂土中微型桩水平受荷室内足尺模型试验,对微型桩的桩身位移、桩身弯矩和桩周水平土抗力的分布进行研究,同时探讨了微型桩-土p-y曲线的特性.研究表明,桩身位移主要发生在桩顶下10倍桩径的范围,桩身弯矩主要集中在桩顶下15倍桩径的范围;采用双曲线模型拟合比抛物线模型拟合和双曲正切曲线模型拟合的p-y曲线精度更高.     

串珠状溶洞数量影响灌注桩顶部水平受拉特性试验研究

采用室内模型试验，对比研究串珠状溶洞数量对灌注桩顶部水平受拉特性的影响，为岩溶强发育区嵌岩桩的水平承载力设计提供试验依据. 结果表明：1）桩顶水平荷载相同时，上部土层段桩身水平位移、桩身弯矩（峰值）、桩侧土抗力随溶洞数量的增多而增大，单桩水平承载力随溶洞数量增多而明显减弱. 2）上部土层段桩身水平位移随桩顶水平荷载增大而增大，桩顶水平位移最大，嵌岩段很小甚至为0；弯矩M -深度z曲线整体呈抛物线形，桩身弯矩在土岩界面和上层溶洞与底板界面呈现2个峰值，弯矩的变化仅仅影响到上层溶洞及其底板，第2层溶洞及其以下的弯矩几乎为0，土岩界面弯矩最大、截面最危险；土抗力p-深度z曲线呈“凸肚”形. 3）溶洞数量增加，位置越高，p-y曲线越容易收敛，可以采用p/pub=α（y/y50）β拟合土层段的桩身p-y曲线. 溶洞数量对α与β值变化幅度的影响较小，α与β值变化幅度体现p-y曲线随深度变化的敏感度，两者敏感度随溶洞数量增多而增大. 4）工程桩刺穿串珠状溶洞时，为了提高单桩水平抗拉能力，建议采用注浆法改善上部岩土性质，加大土岩界面处桩身配筋率，并将桩身嵌入上层溶洞底板一定深度，防止基桩在土岩界面处发生弯曲破坏.     

饱和砂土中桩基的振动台试验

确定地震荷栽作用下液化土层中桩的p-y特征参数,是客观评价此时桩水平承载特性的关键．通过饱和砂土中桩基的大型振动台试验,获得了不同相对密度砂层液化时的桩身弯矩和桩顶重物的加速度．根据试验结果,提出利用对静力p-y(p为相互作用力,y为相对位移)曲线进行折减,得到液化砂土中桩的水平承载特性的方法,进而应用非线性文克尔地基梁模型,计算了砂土液化时的桩身弯矩．若砂土的相对密度为20%～40%时,把静力p-y曲线折减为原来的0．1,作为液化砂土的p-y曲线．数值计算的桩身弯矩与试验结果比较一致．     

可液化地基处理前后单桩水平承载动力响应特征

为了研究可液化地基处理前后单桩水平承载动力响应问题,以宿迁金鹰工程可液化场地为依托,采用基于CPTU测试的p-y(土抗力桩挠度)曲线法,构建了单桩水平动力承载数值计算模型.分析了不同加载振幅和振动次数下的单桩水平循环加载特征,比较了可液化地基处理前后的单桩水平承载动力响应规律.结果表明:可液化地基处理后单桩水平动力承载能力增强,桩周土抗液化能力提升,桩身截面最大弯矩上移,桩顶荷载传递深度降低;在桩顶水平循环加载作用下,桩身变形和弯矩随加载振幅和振动次数的增加而增大;十字翼共振法处理可液化场地对提升桩基水平承载力具有显著效果.     

Pasternak地基中H(t)-V受荷桩水平响应有限杆单元法分析

为探讨桩顶水平动荷载H（t）与竖向荷载V联合作用下桩基的水平响应,基于 Pasternak地基和Euler梁理论,建立了桩-土相互作用水平振动分析模型,采用改进的有限杆单元方法求解考虑P-Δ效应、土体剪切效应影响的综合刚度矩阵方程,结合桩土连续边界条件得到桩身内力与位移解答.通过与已有解析解、有限元解和模型试验的结果比较,验证了计算方法的合理性.最后,对影响桩身内力与位移的主要因素进行分析.结果表明：1）传统Winkler地基相较于Pasternak地基模型,忽略了地基土体的剪切效应,将夸大桩体结构的实际受力,使得计算得到的桩身水平位移和弯矩均大于Pasternak地基所得结果,且随着桩土弹模比Ep/Es的降低,两种地基模型计算的桩身最大水平位移和弯矩的差异性呈现出增强趋势;2） 随着桩顶竖向荷载的增加,桩身水平位移和弯矩受P-Δ效应的影响显著.当桩顶竖向荷载特征参数λ由0增至2时,桩身最大水平位移和弯矩分别提高40.85%和78.57%;3） 相较无限长桩（L>20dp）,有限长桩的水平位移和弯矩的动力响应受桩身长径比L/dp影响更大;桩身最大水平位移和弯矩随着水平简谐荷载幅值H0的增加而增大,随着无量纲频率a0的增大而减小.     

负斜桩顶部水平受拉响应及p-y曲线特征试验研究

为研究倾斜桩的水平受拉响应特征,在模型砂土中设置0°、10°、20°倾斜桩及桩底嵌岩20°倾斜桩,桩顶施加水平拉力,拉力方向与倾斜方向相反,测试4根模型桩的水平位移、应变片与土压力盒应变,获得桩身水平位移、弯矩、土抗力和p-y曲线特征随倾斜角和桩底约束条件的变化规律. 结果表明：1）桩顶水平受拉时,随着倾斜角的增加,负斜桩顶部水平位移逐渐增大,弯矩峰值随之增大,而土抗力峰值逐渐减小,土抗力峰值点位置逐渐降低,单桩的水平承载力随之降低,抗弯能力减小;2）随着桩底约束程度的提高,负斜桩顶部水平位移减小,桩身弯矩峰值、土抗力峰值减小,单桩水平承载力增大,抗弯能力增强;3）水平荷载作用下,本模型的负斜桩破坏模式为“转动+弯曲”,转动点位置随倾斜角的减小或桩底约束程度的提高而下降;4）0°～20°负斜主动桩p-y曲线可采用p/pub= α（y/y50） β进行拟合,倾斜角与桩底约束程度对α影响不大,倾斜角对β值变化幅度影响较小,β值变化幅度随桩底约束程度提高而降低.     

水平力(H)-扭矩(T)组合受荷桩承载特性模型试验研究

为探讨单桩基础在桩顶水平力(H)-扭矩(T)组合作用下的承载特性,研制了H-T组合加载装置.通过室内砂箱模型对比试验,获得了8组H-T组合工况下的桩身内力变形与承载力结果.其表明:相比于单一水平受荷或受扭桩的极限承载力(Hu或Tu),两种荷载的不同大小组合与加载顺序(H→T或T→H)均会导致相应桩身承载力的减小,且H→T组合的影响要比T→H组合明显,如2Tu/3→T时桩身水平承载力减小约12.4%,而2 Hu/3→T组合下桩身扭转承载力减幅达48.5%,故工程设计时不宜基于叠加原理计算HT受荷桩的承载力.在此基础上,采用基于MATLAB编制的可考虑桩周土约束及H-T耦合效应的改进杆系有限元法计算程序求解了不同工况下的H-T组合受荷桩的桩顶扭转角及桩身扭矩与弯矩,并将计算结果与模型试验值进行了对比分析.     

纵向和横向荷载下微倾单桩变形和内力的弹塑性解

为提高工程中桩身侧向变形较大时纵向和横向承载单桩的设计及计算水平,考虑桩身初始微倾斜及土体的弹塑性,采用矩阵计算法得到地基水平抗力系数为常数时桩身侧向变形和内力的解及桩身最大位移、最大弯矩及其所在位置的计算方法。研究结果表明:解的计算值与模型试验值较吻合;当桩顶自由时,桩身最大位移、最大弯矩及土体屈服后桩身最大弯矩距地面的距离均随桩身初始倾角的增大而增大;桩身初始微倾斜对桩身侧向响应的影响随纵向荷载的增大而增大;桩身最大位移、最大弯矩及桩身最大弯矩距地面的距离均随纵向荷载的增大而增大,且其变化速率随纵向荷载和桩身初始倾角的增大而增大,因此,土体的弹塑性、纵向荷载及桩身初始微倾斜等对桩身侧向响应的影响不容忽视。     

湛江组结构性黏土中单桩水平承载性状试验研究

选取材质和桩径相同、桩长不同的3组模型桩,采用单向多循环加载法,在湛江组结构性黏土中进行单桩水平静载现场试验。通过对试验数据的处理,得到桩顶的水平荷载-时间-水平位移(H0-t-Y0)曲线、水平临界荷载Hcr、水平极限承载力Hu以及单桩的桩身弯矩、桩身剪力、桩侧土抗力沿桩入土深度的变化情况。分析结果表明,在水平荷载作用下,湛江组结构性黏土中具有相同材质、相同桩径的单桩,其水平临界荷载Hcr和极限承载力Hu与入土桩长呈正相关关系;桩身弯矩、剪力和桩侧土抗力的最大值均随着入土桩长的增加而增大;桩身弯矩和桩身剪力主要集中在桩身上部,最容易发生剪切破坏的部位在桩顶处;湛江组结构性黏土中单桩的桩侧土抗力沿入土深度呈不完整的S形分布,且其最大值出现在地平面附近。     

考虑桩土接触面特性的水平受荷单桩数值分析

采用数值方法研究了桩土接触面特性对水平受荷桩受力特性的影响,并通过对工程实例的分析验证了计算方法的有效性.实例分析表明,设置接触面对于正确模拟桩土受力特性有较大影响.计算所得的桩身弯矩和位移曲线表明,水平受荷桩的入土深度有个临界值,桩身过长对提高水平承载力无明显作用.     

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.     

成层地基中倾斜受荷群桩的非线性有限元分析

针对轴、横向荷载共同作用或倾斜荷载作用下群桩基础受力问题的复杂性，引入无厚度型接触面单元和“无拉力”分析方法，采用非线性有限元法对倾斜受荷群桩的受力变形特性进行探讨，开发考虑材料非线性、桩-土-承台共同工作机理、桩周地基土体的分层性及不同桩项荷载形式等因素的计算程序，并由此讨论初始应力场及桩项荷载大小、倾角变化对桩身内弯矩与轴力分布的影响曲线。研究结果表明：刚性承台顶的荷载不变而倾角增大时，中桩桩项的弯矩逐渐增加，边桩的弯矩则逐渐减小；当荷载倾角不变而荷载增加时，承台下各基桩的弯矩变化规律则随荷载倾角的不同而变化。     

冲刷现象对海上风力机单桩基础水平承载性的影响

结合涠洲海域某风电场项目的工程实例,建立了海上风力机单桩基础的桩土有限元模型,采用p-y曲线法探讨了冲刷坑对单桩水平承载性的影响,分析了不同冲刷深度对支撑结构动力学特性的影响规律.研究结果表明,无冲刷现象时桩身的最大弯矩会出现在海床以下5 m左右;当冲刷深度为1 m时,桩身最大弯矩出现的位置也下降1 m.当冲刷深度小于1.3倍桩径时,基桩整体的位移、弯矩、应力均缓慢上升.当冲刷深度到达2倍桩径时,基桩的固有频率会降低1.8%.     

斜坡段桥梁基桩受力与变形分析的传递矩阵法

根据斜坡段桥梁基桩的水平承载特性,建立了考虑斜坡效应的桩-土相互作用模型及挠曲微分方程;基于m法和传递矩阵法,推导了桩身内力与位移分析的传递矩阵解答;通过模型试验,测得了黏土和砂土斜坡地基比例系数,拟合得到了斜坡地基比例系数与坡度间的关系式,验证了理论解答的合理性;以某工程实例为基础,分析了斜坡坡度和桩顶水平荷载对斜坡基桩受力与变形的影响.研究表明：斜坡地基比例系数随桩土交界面处桩身水平位移增大而呈非线性关系减小;黏土和砂土斜坡地基比例系数均随斜坡坡度增加而减小;基桩桩顶水平位移和桩身最大弯矩均随斜坡坡度和桩顶水平荷载增加而增大;当斜坡坡度由0°增加至60°时,桩顶水平位移约增大86.4%,桩身最大弯矩约增大4.6%,桩身最大弯矩位置约下移2.0 m;桩顶水平荷载每增加50 kN,桩顶水平位移平均增大48.5%,桩身最大弯矩平均增大41.6%.     

粘土中水平受荷桩基计算方法

对黏土中实测p-y(水平抗力-水平位移)曲线方法进行总结和计算,认为该方法对于试验桩基和弯矩拟合函数的依赖性强,且形式复杂,普适性差.选用简单的理想弹塑性p-y曲线模型,并采用m值和统一极限抗力作为模型参数,对黏土中的水平受荷桩进行分析.与Matlock实测p-y曲线模型进行对比分析,证明理想弹塑性模型适用于不同直径桩基,尤其是大直径桩的计算.通过实例对比分析,证明了该模型适用于不同土性的黏土场地中桩基的计算.     

湿陷性黄土地基大跨度桩基承载特性模型试验

城市车辆段上盖开发工程中的大跨度桩基具有单桩竖向承载较大、桩间大跨度范围内土体受荷较小的特点。以西安地铁某车辆段大跨度桩基为研究对象,制备人工湿陷性黄土作为相似材料,开展了湿陷性黄土地层大跨度桩基的室内模型试验,研究大跨度桩基在湿陷性黄土地层中的荷载传递机制与变形规律。结果表明：制备的人工湿陷性黄土与现场原状黄土性质接近,将其应用于模型试验时可以得到良好的效果;大跨度桩基在未浸水时,荷载沉降曲线为陡降型,桩身轴力在桩顶附近显著下降,未达到极限承载力时,桩顶沉降、桩端阻力线性增大;在黄土浸水湿陷后,桩身轴力沿埋深方向呈“D”字型分布,随着浸水时间的增加,桩顶沉降、桩端阻力先缓慢增加后显著增加,中性点位置不断向桩身下部移动。     

基于模型试验的陡坡段基桩水平循环响应特性分析

为探究陡坡段桥梁基桩水平循环响应特性,设计并开展了不同循环次数、荷载幅 值和坡度条件下的水平循环受荷陡坡段基桩模型试验. 通过对比实测弯矩推导的地基反力分 布与实测地基反力分布,验证了实测数据的可信性,进而分析了桩顶水平位移、桩顶偏转角、 桩身弯矩及地基反力分布的演化规律. 结果表明：桩顶水平位移由弹性变形和塑性变形组成, 弹性变形基本保持不变,塑性变形随循环次数的增加而非线性增大,增加率逐渐减小,即塑性 安定;桩顶无量纲位移和桩顶转角均随循环次数的增加而非线性增大,且桩顶无量纲位移的 上包络线均可用幂函数y0/D=An0.11拟合;陡坡段基桩的单向水平循环响应主要受前100次循环 加载影响;桩身最大弯矩和最大地基反力均随荷载幅值和坡度的增大而增大,二者的位置均 随坡度增大而下降,但几乎不受荷载幅值影响.     

膨胀岩对南宁地铁1号线车站结构的影响研究

通过数值计算和模型试验,分别对膨胀岩分布区地铁车站受膨胀力作用,其结构的内力及变形规律进行研究。首先利用有限元分析软件ANSYS,对膨胀岩分布区地铁车站不利工况的受力进行分析。根据数值模拟结果,以1∶20的相似比进行模型试验研究,通过改变膨胀岩土体的含水率以实现膨胀力荷载的施加,进而得到地铁车站结构受力情况,并将其反演结果与数值计算结果进行对比分析。研究结果表明,随着含水量的增加,膨胀力逐步增大,在膨胀土接近饱和时,膨胀力达到45.5 kPa;膨胀力对底板跨中影响最大,弯矩值为18.6 N·m;模型试验反演结果与数值模拟结果较为接近,比值分别为115.1%、99.3%、94.1%;在相同条件下,底板局部受膨胀力作用时,内力变化最大。     

水平荷载下单桩p-y曲线简化计算方法对比研究

对现有的p-y曲线简化计算方法进行了归纳与总结.通过在水平静力荷载作用下淤泥质黏土中钢管桩的模型试验研究，并结合实际工程案例分析，比较采用各类计算方法对实验数据处理后的土抗力分布，以及拟合p-y曲线.结果表明，采用分段3次拟合法得到的土抗力分布曲线更为合理.各类计算方法拟合的p-y曲线均低于API建议曲线.随着土层深度的增加，采用分段3次拟合法得到的p-y曲线更加贴近于实际理论曲线分布.