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.     

荷载振幅对X形桩-筏复合地基动力响应特性影响的试验研究

基于大比例尺模型试验方法,开展砂土地基中X形桩-筏复合地基的动力特性试验研究;振动波型采用正弦波荷载,通过改变循环荷载的振幅,实测不同循环荷载下X形桩-筏复合地基的速度响应、桩身动应力响应以及动土压力响应随荷载振幅的变化规律,揭示X形桩-筏复合地基的动力响应机理。研究结果表明:随着地基深度的增加,桩-筏复合地基的速度响应逐渐衰减、桩身动应力大致呈波动性减小;随着荷载振幅的增加,速度响应、桩顶动应力响应以及动土压力响应均近似呈线性增加;碎石垫层具有良好的减震作用。     

强震作用下液化场地桩-土非线性动力相互作用特性

为研究强震作用下液化场地桩-土非线性动力相互作用特性,依托海文大桥实体工程,利用Midas/GTS有限元软件,建立了桩-土相互作用模型,分析了地震动峰值为0.35g时4种类型地震波作用下桩身加速度、桩身位移、桩身弯矩及剪力等动力响应,并根据计算结果对桩基在强震作用下的安全进行了评价.结果表明:在0～10 m的可液化粉细砂层,桩身加速度峰值迅速增加,并在桩顶处达到最大,桩顶加速度出现峰值的时刻与桩底相比均呈现滞后现象,最大滞后时间为2.14 s;不同类型地震波作用下,在可液化的粉细砂层,Kobe波产生的桩顶位移最大,El-Centro波次之,5010波产生的桩顶位移最小;桩身弯矩峰值均出现在液化层和非液化层分界处,桩身剪力峰值均出现在地下0～10 m的可液化土层之间,Kobe波作用时,桩身弯矩和剪力峰值均最大,El-Centro波次之,5010波最小;地震动强度为0.35g,5010、5002、El-Centro地震波作用时,桩身弯矩及剪力峰值均未超过桩身截面抗弯和抗剪承载力,Kobe地震波作用时,桩身弯矩峰值小于桩身截面抗弯承载力,而桩身剪力峰值超出桩身截面抗剪承载力的68.6％,桩基础桩身强度不满足抗震要求,建议增加桩基础纵向配筋.     

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.     

液化场地大直径变截面单桩动力响应研究

为研究不同地震动强度下液化场地大直径变截面单桩的动力响应规律,基于振动台试验,选取5010波,在地震动强度0.10g~0.45g作用下,研究液化场地砂土孔压比和大直径变截面单桩桩顶水平位移、桩身弯矩、桩身加速度时程响应及桩基损伤等变化规律.试验结果表明：饱和砂土孔压比随着地震动强度的增大上升明显,地震动强度≥0.30g时,饱和砂土孔压比稳定值在0.9附近,此时砂土完全液化;在0.45g地震动强度作用下,桩身加速度、桩顶水平位移及桩身弯矩均达到最大;桩身不同位置处加速度峰值出现时刻均滞后于输入地震波加速度峰值出现时刻,且桩顶及变截面的加速度响应比桩端的响应更弱;不同地震动强度作用下,桩身弯矩最大值均出现在液化土层和非液化土层分界处,且变截面处弯矩小于土层分界面处;地震动强度达到0.30g时,大直径变截面单桩桩身发生损伤.因此,液化场地下大直径变截面桥梁单桩基础抗震设计时,应该重点考虑饱和砂土层分界处、变截面处的抗弯能力,以确保单桩桩身强度满足抗震要求.     

软土弯剪作用下大直径刚性桩水平承载性能试验

对软土中2根直径为0.90~1.09m、埋深6.47m的钢管单桩进行弯剪作用下的单向单循环快速维持荷载试验,获得桩身弯矩和桩顶位移随荷载的变化情况,探讨了桩周土地基加固对桩的水平承载能力的影响及刚性短柱法的适用性.试验结果表明:桩身弯矩沿埋深呈现先增大后减小的趋势,弯矩最大值出现在0.06~0.15倍埋深处;荷载水平小于0.23时,桩顶水平位移较未加固前减少20%~30%,地基加固提高了桩的水平承载性能,而荷载水平大于0.6以后,地基加固的影响消失;采用刚性短柱法的设计用钢量较实际需求多37%,存在较大安全余量.     

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%.     

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。     

不同连接形式桩筏系统动力响应数值模拟

针对不同连接形式对桩筏系统抗震性能的影响,开展了3种连接形式桩筏系统在循环荷载作用下的数值模拟研究.通过对桩土动接触压力峰值曲线、土层顶部和筏板顶部加速度反应谱等动力响应的对比分析,探寻垫块和褥垫层对桩筏系统抗震性能的影响规律.结果表明：桩顶设置褥垫层可以最有效地调动地基土潜力,桩身弯矩峰值降低4 kN·m,筏板顶加速度峰值降低7%,桩顶加速度峰值降低9%;桩顶埋设垫块桩身弯矩峰值降低6 kN·m,设置垫块可使筏板加速度峰值降低45%,桩顶加速度峰值降低35%,可以有效调动地基土潜力,对土层顶部和筏板顶部加速度放大效应减少最有利. 2种连接形式均可减小上部结构加速度响应,减震效果良好.     

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。     

地震作用软土震陷特性及变截面群桩动力响应

为研究不同类型地震波作用时软土场地条件下大直径变截面群桩基础的动力响应特性，依托翔安大桥实体工程，通过振动台试验，选取地震动强度均为0.15g的人工合成5010波、1004波，以及Kobe波和El-Centro波，研究了群桩基础桩周土层震陷量、桩身加速度、桩顶水平位移、桩身弯矩等动力响应特性. 结果表明：地震作用下，软土层发生震陷，震陷量为0.16~0.22 cm，其值与输入地震波的频谱特性有关；桩端加速度时程响应曲线较桩顶及变截面处更为“密集”；软土对加速度产生放大效果，输入地震波加速度峰值出现时刻均早于桩端、桩顶及变截面处；桩身加速度及桩顶水平位移分别在1004波和Kobe波作用下达到最大值；5010波和1004波作用下，桩顶产生永久侧向位移；Kobe波作用下，桩身弯矩峰值最大，且弯矩峰值出现时刻最晚. 因此，在进行群桩基础抗震设计时，针对不同桩基特性可选用不同类型地震波进行验算.     

桩嵌入承台深度对桩水平承载力影响的室内模型试验

水平荷载作用下,桩与承台节点处往往承担较大的弯矩作用。本文基于室内带承台单桩模型试验,对桩顶嵌入承台不同深度的单桩-承台体系进行水平拟静力研究,并考虑了桩周土对桩体的约束作用。通过测试不同嵌固深度条件下桩身弯矩、桩顶位移随加载位移的变化,得出桩顶嵌入承台的深度对单桩-承台体系的水平受力性能具有明显的影响,嵌入深度大,有利于单桩水平承载力的提高。     

地震作用下变截面钢管混凝土单桩动力响应

为了探讨桥梁位于软弱土层时,地震作用下变截面钢管混凝土桩基的动力响应,以翔安大桥为工程背景,利用FLAC3D有限元软件建立地震作用下桩-岩土体-钢管耦合作用的数值模型,研究在不同强度的地震作用下变截面钢管混凝土单桩和变截面普通混凝土单桩桩身加速度、桩身位移、桩身弯矩的动力响应差异.结果表明：变截面钢管混凝土单桩在地震作用下的桩身加速度、加速度放大系数、桩身位移最大值和桩身弯矩变化规律均同变截面普通混凝土单桩类似,但钢管使桩身加速度放大系数降低、桩基抵抗侧向变形能力和抗弯承载力提高.因此,钢管可以显著提升地震作用下桩基的抵抗变形能力和承载力.     

循环温度荷载下砂土地基能量桩工作特性

为了解静力荷载下温度循环对能量桩承载特性的影响,运用室内模型槽试验,对多次循环温度荷载下砂土地基能量桩模型的工作特性进行了系统研究.试验结果表明:桩身附加应力峰值随循环次数增加而增大;桩顶无载荷时,桩端土压力变化最大值随循环次数增加而逐渐减小,多次循环后桩端土压力及桩顶位移恢复初值;当桩顶有较大载荷时,桩端土压力变化最大值随循环次数增加而增大,多次循环后桩端土压力分别增加了7,19kPa,桩顶位移产生沉降累积,最终沉降累积量分别达桩体直径的0.14%和0.58%.     

瑞利波作用下桩土相互作用横向动力响应计算研究

将采用Novak薄层法计算地基土动力阻抗的方法引入到瑞利波作用下桩土横向动力响应分析中,得到了单桩横向动力响应的计算公式.在此计算公式的基础上分析了长径比、桩土刚度比、地基土的泊松比对单桩横向响应的影响.结果显示,泊松比的变化对单桩水平动力响应有影响,桩土刚度比对单桩水平动力响应有较大影响,而桩长对桩底自由的单桩动力响应基本无影响.而且单桩水平动力响应随着频率的增大而减小.     

静载及循环荷载下砂土中复合桩基承载特性模型试验研究

随着桩基的广泛应用,对桩土间承载机理的研究越来越多.根据桩土间接触作用,采用大比例桩土模型进行了室内试验.为更好地仿真桩土间的摩阻效果,试验过程中对桩的材料进行了改进,并开发了一套竖向静载及循环加载系统和测试装置.通过对砂土中复合桩基进行竖向静载和循环加载试验,基于模型桩基的桩顶沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力及桩底反力等数据的分析,发现桩基承载性能随加载次数增加而增强:桩顶沉降提高了29.6%,桩身轴力提高了40.4%,桩侧摩阻力下降,桩底反力提高了50%,且桩基极限承载力提高了25%,为继续研究服役期桩基不同加载条件下的桩-土作用提供了数据支撑.     

砂土中循环荷载与单调荷载组合作用下斜桩水平承载变形特性

针对斜桩基础受风荷载作用的工况,分析水平循环荷载对其承载变形特性的影响。通过室内干砂中的模型试验,研究了斜桩在经历水平循环荷载后再承受单调水平荷载时的承载变形性状,与仅在单调水平荷载作用下斜桩的性状进行了比较,分析了循环荷载幅值大小对斜桩水平极限承载力、桩身轴力、弯矩及剪力的影响。结果表明:斜桩先经历循环荷载后再承受单调水平荷载比仅受单调水平荷载作用时的水平极限承载力有一定程度的提高,提高幅度10%～14%;水平荷载作用下,正斜桩桩身全长受拉,负斜桩桩顶下一定长度区段受压,其余区段受拉;经历循环荷载后再受单调水平荷载作用比仅受单调水平荷载作用时斜桩的桩身最大轴力大,正倾斜桩的最大轴力大于负倾斜桩,两者桩身轴力最大值均在距桩顶约4.5d(d为桩径)的桩身截面;斜桩桩身的弯矩主要出现在桩顶下约15d的桩身长度范围内,经历循环荷载后再承受单调水平荷载的斜桩与仅承受单调静载时斜桩的最大弯矩基本相当,最大弯矩截面距桩顶距离均约为4.5d;负斜桩的桩身最大弯矩大于正斜桩,前者约为后者的1.4倍;经历循环荷载后再受单调水平荷载作用和仅受单调水平荷载的斜桩,其桩身最大剪力均在桩的顶部,并且在桩顶下方7.5d处存在极值剪力。     

竖向和水平荷载共同作用下PHC管桩受力分析

考虑桩身摩阻力、桩身自重及土抗力的影响,从弹性桩的挠曲线微分方程出发,假定均匀地基土层中地基系数按m法线性增大,推导了在竖向和水平向荷载共同作用下基桩的内力和位移的幂级数解答.公式规律性强,意义明确,容易编制成程序来求解问题.通过计算桩身挠曲线、转角和弯矩,竖向荷载的作用能稍微提高管桩的水平承载性能.     

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.     

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。