基于“m”法的横向受力桩综合刚度有限元分析

基于m法对弹性土抗力的假设,结合有限元基本原理,考虑桩土相互作用后横向受力桩的综合刚度——通过将桩侧土的刚度与桩身刚度叠加进行分析.结合算例计算出桩身变位和内力,并与m法的幂级数解计算结果相比较.综合刚度有限元法的算法简洁,适用范围广,便于编制程序计算和控制,精度也能满足工程要求.     

洛河特大桥抗震性能计算

为了准确计算洛河特大桥的地震反应,基于大跨径桥梁地震反应分析方法,建立了考虑桩-土相互作用的全桩模型,将波速大于500 m.s-1处的桩截去,并考虑桩-土相互作用的截桩模型与考虑各桥墩处场地土不同所产生的多点激励以及地震波有限波速传播所引起行波效应的大质量模型,采用大型通用有限元程序ANSYS进行桥梁三维地震动态时程分析。结果表明,高墩的位移响应与轴力大;墩越矮,横桥向剪力、顺桥向剪力以及顺桥向弯矩越大;截桩模型与全桩模型的位移响应在横桥向与顺桥向的最大偏差分别为7.4%与8.2%,故截桩模型可用作长桩桥梁时程的简化分析;大质量模型受质量块的大小以及桥墩高差的影响较大,跨径小于160 m以及桥长小于660 m的连续刚构桥对行波效应不敏感,因此,在高墩大跨径连续刚构桥抗震设计时,应考虑桩-土相互作用,并加强高墩的延性设计与矮墩的截面抗力设计。     

基于透明土技术的桩后土拱效应特征分析

为研究圆桩后土拱效应的特征及演化过程，从细观角度开展了基于透明土技术的桩土相互作用试验研究. 首先开展了透明土配比试验，获取物理力学性质适宜的土体；其次设计了试验系统并得到透明土与桩相互作用的散斑场图像；最后通过particle image velocimetry （PIV）技术分析得到位移矢量图，进一步分析得到透明土位移变化规律. 研究结果表明:通过位移矢量图可以得到圆桩作用下土体运动趋势及土颗粒的位移特征，并可进一步解译得到位移等值线构成的拱形结构，即桩后土拱结构，呈现出抛物线形，其范围与桩径、桩间距及深度有相关性；桩径越大，土拱区域越大，桩径30 mm时，土拱高达100 mm，桩土相互作用的影响范围越大；桩间距越大拱高最大值越大，桩间距80 mm时，土拱高也达100 mm；不同深度下土拱拱高在变化趋势上有较大的相似性，深度越深，土拱的最大拱高越小，深度50 mm时，拱高60 mm；通过拟合公式得到，土拱最大拱高沿桩身方向从桩顶至桩底呈逐渐减小趋势，同时随土体位移增加，表现出先增大，后趋于一稳定值的特征，其稳定值的大小与桩径呈正相关、桩间距呈正相关及深度呈负相关.      

厦门地区嵌岩桩单桩轴向受压容许承载力分析计算*

依照厦门市疏港路下穿仙岳路通道工程地质勘测资料,根据公路规范、建筑规范和福建省当地规范对基坑开挖过程中单排围护桩的单桩轴向受压容许承载力进行计算,并对各规范计算值进行分析比较。同时结合大型有限元软件 ANSYS建立桩基础三维弹塑性模型分析桩土共同工作机理,将规范计算值以面荷载的形式在模型中施加于桩顶,对此荷载下的桩体位移和桩底反力进行计算分析,同时对门机轴向荷载作用下的桩顶位移实测值和模型计算值进行对比分析,得出在规范计算值范围内,桩体未发生破坏。结果表明各个规范公式在计算桩基轴向受压容许承载力时对岩土参数取值各异,采用的计算模式存在差异,因此规范计算值差别较大,ANSYS模型数值分析结果与现场实测结果吻合良好,可为该地区桩基础设计提供参考。     

整体式斜交桥中桥台钢桩地震响应

采用有限元分析软件SAP2000建立了某整体式斜交桥的三维结构模型，通过离散非线性弹簧单元模拟桥台-台后土以及H型钢桩-桩周土的土-结构相互作用，通过一系列双向地震作用下的非线性时程分析，研究了桩的朝向、桩周土刚度及桩头转动刚度对整体式斜交桥中H型钢桩地震响应的影响规律。研究结果表明:双向地震作用下，H型钢桩的横桥向位移显著大于纵桥向，且受桩朝向的影响更为明显，强、弱轴弯矩均呈正反双向分布，屈服面函数最大值一般位于桩顶，另一峰值则位于桩身2~4 m埋深处；钢桩绕强轴弯曲布置时，桩顶纵桥向位移相比绕弱轴弯曲时降低18.2%，但横桥向位移增大47.7%，桩顶处绕强轴弯矩增加约3.9倍，桩身反向强轴弯矩峰值降低67.0%，桩顶处绕弱轴弯矩基本不变，桩身反向弱轴弯矩峰值增加约1.0倍；随着桩周土刚度的降低，桩顶纵、横桥向位移增大，桩顶屈服面函数值降低，而桩身屈服面函数峰值增加，桩身更不易保持弹性；当桩头采用柔性连接时，桩顶纵、横桥向位移均增大，桩顶屈服面函数值降低，有利于保护桩头，而桩身屈服面函数峰值增加，当桩头转动刚度过低时甚至可能大于桩顶刚度，导致桩身在罕遇地震作用下先进入塑性。      

盾构法隧道施工时高承台被动群桩的土拱效应

通过建立有限元模型模拟天津市地铁一号线盾构施工,有限元模型得到的土体沉降曲线与现场实测吻合,在此模型基础上进一步研究隧道开挖过程中被动群桩的土拱效应.隧道开挖时,3×3被动群桩中远离隧道的边排桩的桩间土一般形成了“反向土拱”;靠近隧道的边排桩的桩间土拱的形式主要取决于同一位置处桩与土体的相对位移.当桩的水平位移小于土体时,桩间土体形成了类似于边坡工程及堆载情况下的土拱;反之,桩间土体形成“反向土拱”.桩长增加,当桩、土水平位移接近时桩间土拱效应肖失;与地面堆载等典型的被动群桩不同,隧道开挖时当被动群桩的桩间距由4m减小至2m时土拱效应消失.     

考虑桩身自重影响的楔型桩屈曲稳定性分析

为了研究桩身特性对楔形桩稳定屈曲性状的影响,基于考虑桩身自重的桩-土体系尖点突变模型,对楔形桩的第一类稳定问题进行了分析;通过确定桩-土体系的势函数和分岔集方程,建立桩-土体系的尖点突变模型并导出桩-土体系失稳条件,得到了楔形桩的屈曲临界荷载;应用能量法原理及瑞利-里兹法计算楔形桩的屈曲临界荷载,验证突变理论计算结果的可靠性;通过算例分析了楔形桩的桩身自重和楔形桩桩径变化对屈曲临界荷载的影响.研究结果表明:当桩身埋置率从0增加到0.4时,考虑桩身自重后楔形桩和等截面桩的临界荷载减小值与不考虑桩身自重下临界荷载的比值分别减小了42.82%和75.27%;其他条件相同时,楔形桩的楔形锥角越大,稳定性越好;当无量纲桩长趋于0时,桩顶自由、桩端嵌固和桩端铰接条件下楔形桩稳定计算长度分别趋于0和无穷大.     

疏排桩支护结构内力与变形有限元数值分析

针对离心模型试验建立了三维有限元数值模型,通过与试验的比较验证了模型的可靠性,并与规范法中的m法进行了比较分析,最后结合悬臂排桩支护结构实例分析了桩身截面尺寸、桩间距和土体强度参数对桩身内力和变形的影响规律。研究结果表明：采用m法进行排桩支护结构设计偏于保守,与m法相比三维有限元法计算结果与离心机试验结果更为接近;桩身弯矩和桩顶水平位移随桩间净距的增加近似呈线性增加,随着土体黏聚力和内摩擦角的增加近似呈指数形式衰减。     

地震下单桩动力响应的有限元模拟

采用ANSYS结构分析软件建立三维有限元实体模型,计算了地震作用下桩-土动力相互作用体系的动力反应．分析了体系的加速度反应、位移反应、桩身应变、桩身挠度、桩身弯矩、桩身剪力和桩土间接触压力等方面,并探讨了桩土刚度比、上部荷载等参数对桩-土相互作用体系的影响．     

盾构开挖引起邻近单桩水平向变形解析研究

为了探索邻近桩基在盾构开挖下水平变形规律，提出了一种邻近桩基水平向受力变形响应的解析方法。首先，基于Loganathan公式获得周围土体在隧道开挖影响下的自由位移，将既有桩基简化成欧拉梁，桩-土相互作用采用Kerr地基模型，建立既有桩基水平向受力平衡方程，从而获得单桩水平变形解析解。通过与有限元GEPAN数据对比，验证了该方法的合理性；与既有的理论解析对比，该方法更贴近有限元GEPAN数据。参数分析表明：增大盾构隧道埋深会致使桩基水平向最大变形位置深度增大，同时会引起桩身最大位移增大；桩基水平向变形响应会随着地层损失比增加而逐渐增大；桩基水平向位移会随着桩基与隧道水平距离的增大而减小，但桩身产生最大水平位移处埋深会随之减小。     

桩土相互作用对大跨连续T梁桥动力特性的影响

以一座大跨连续T梁桥为例,采用大型商用有限元分析软件Midas Civil,分别建立考虑桩-土相互作用具有弹性地基和不考虑桩-土相互作用假定刚性地基的空间有限元分析模型。通过计算结果进行比较分析表明:1不考虑桩土相互作用会夸大结构的频率值;2桩土相互作用对大跨径连续T梁桥低阶振型形态影响较小,高阶振型形态影响较大。不考虑桩土相互作用时,会夸大大跨径连续T梁桥的低阶振型能量;3对于精确分析大跨连续T梁桥结构动力响应时,建议考虑桩土相互作用以得到比较满意的结果。     

静压桩对邻近埋地管道性能影响的数值分析

为了分析静压沉桩过程对邻近埋地管道性能的影响,基于位移贯入法模拟静压沉桩的二维有限元数值方法,建立了桩-土、管-土接触面并在桩顶施加位移荷载实现动态压桩过程,并综合分析了压桩过程中沉桩深度、桩径大小、管道中心与桩体中心的水平距离以及管道的埋深等因素对管道变形与力学性能的影响.研究结果表明:同等条件下,增加管-桩水平距离,管道水平位移、径向变形和管周应力相应减小,近桩侧管周土体的最大水平应力约为不设置管道时的1.5倍;随着沉桩深度增大,初始使管道产生明显水平位移的临界沉桩深度约为管道上方1 m处,随后管道水平位移呈现先增大后略微减小,并最终趋于稳定的趋势,且当沉桩深度为2倍埋深时管道水平位移最大;管道埋深越大,管道受沉桩挤土效应的影响越明显;当埋深为5倍管径时,沉桩桩径减少25%时管道最大水平位移减少27.8%,表明减小桩径可显著降低沉桩对周边管道性能的影响.      

地震液化对桥梁桩基础极限承载力的影响

地震后砂土液化是地震的主要震害之一．对砂土液化前后桥梁桩基的极限承载力进行了数值计算，结果表明砂土液化后，基桩的横向极限承载力明显降低，其降低程度与桩周可液化土体的厚度及液化程度相关．桩周可液化土体厚度越大，液化程度越高，则地基土的水平抗力系数m降低越多，桩基的横向极限承载力降低也越多．同时，砂土的液化导致基桩的水平位移在同等载荷作用下也有较大的增长．     

桩-土-断层耦合作用下桥梁桩基竖向承载特性

基于海南铺前大桥, 采用室内模型试验与数值仿真, 分析了断层-桩-岩土相互作用时桥梁桩基的距离效应与承载特性。研究结果表明: 在模型试验中, 对于直径为6.3 cm, 长度为60 cm的桩基, 当断层与桩基水平距离由9.45 cm增加到22.05 cm时, 承载力增幅为26.7%, 当水平距离由22.05 cm增加到31.50 cm时, 承载力增幅仅为3.8%, 断层与桩基水平距离对桩基承载力影响度降至6.5%, 可以忽略; 当桩长一定, 荷载相同时, 断层与桩基水平距离越小, 桩身轴力变化越小; 当断层与桩基水平距离由9.45 cm增加到22.05 cm时, 桩身30 cm处桩侧阻力增大了0.059 kN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了44.5%, 当水平距离由22.05 cm增加到31.50 cm时, 桩侧阻力增大了0.029 kN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了8.3%。在数值仿真中, 在桩基直径为1.5 m, 长度为30 m, 覆盖层厚度为10 m的工况下, 当断层与桩基水平距离由1.5 m增加到6.0 m时, 承载力增幅由11.0%减小到6.5%, 当水平距离由6.0 m增加到7.5 m时, 承载力增幅减小到4.9%;当断层与桩基水平距离由7.5 m减小到1.5 m时, 桩身轴力沿桩长方向减小趋势逐渐变缓, 当桩长一定, 荷载相同时, 断层与桩基水平距离越小, 桩身轴力变化越小; 当断层与桩基水平距离由1.5 m增加到6.0 m时, 桩身16 m处桩侧阻力增大了1.90 MN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了28.0%, 当水平距离由6.0 m增加到7.5 m时, 桩侧阻力增大了0.33 MN, 水平距离对桩侧阻力影响度降低了5.0%。模型试验与数值仿真结果均表明, 在5倍桩径范围内, 桩基竖向承载特性受断层与桩基水平距离的影响较大; 超出5倍桩径后, 水平距离的影响较小, 甚至可以忽略; 断层与桩基水平距离对承载力、桩侧阻力的影响度与桩侧阻力占比的仿真值均减小较快, 在水平距离为5倍桩径时, 较模型试验值分别降低了2.2%、6.0%、0.174, 结果较理想化, 可用作工程参考。      

桩土效应对大跨度连续刚构桥竖向振动特性的影响

以一座大跨度连续刚构桥为例,采用有限元软件Midas Civil建立了考虑桩土效应和不考虑桩土效应的有限元模型,对比分析了桩土效应对结构动力特性的影响,计算结果表明:桩土效应对桥梁结构的振型变化影响不大,但对其自振频率影响较大,且随着振型阶数的增加,误差就越大;等效嵌固法在合理的取值范围内能有效地模拟桩土效应,建模相对简单,对于地质条件差、跨径大且结构形式复杂的桥梁,为获取精确、符合实际的结构动力特性计算结果,建议采用m法模拟群桩效应。     

桩-土相互作用支护桩受力变形计算方法

为研究桩-土非线性相互作用对深基坑支护结构内力与位移的影响,提出了一种桩-土相互作用支护桩受力变形计算的方法.该方法将基坑开挖面以上的桩体视为有限数量的弹性体,开挖面以下的桩体视为Winker地基梁,支撑结构为二力杆弹簧,并考虑支护桩和内支撑的变形协调,基于桩结构分段分坐标法和弹性地基梁法,推导出了考虑桩-土-内支撑共同作用的支护桩体挠曲微分方程.结合理论土压力,采用该方程计算获得了不同开挖深度的桩体水平位移和桩体弯矩,并与规范法、实测值进行比较.结果表明:本文方法计算得到的支护桩最大水平位移比规范法小15.2%,最大弯矩较规范法小26.6%,均与实测值更为相近.      

基坑开挖影响下临近桩基稳定性分析

结合势能驻值定理,利用瑞利-里兹分析方法,分析基坑开挖与土体抗力对桥梁桩基稳定性影响。研究过程中利用土弹簧模拟桩周土,按实际地基土分层计算地基抗力系数,优化传统弹性抗力法。通过一系列演算,推导出两端固定支承时桥梁桩基临界荷载公式,提高了精确性,更加贴近实际工程。     

倾斜荷载下基桩P-Δ效应等效剪力有限元迭代法研究

假定桩身位移为三次幂函数,结合倾斜偏心荷载下单桩受力微分方程确定的桩身弯矩、剪力与桩身水平位移关系,在此基础上引入等效剪力增量概念,提出了基桩P-Δ效应的等效剪力有限元迭代法,相应编制了Matlab分析程序,并结合算例对成层地基中倾斜偏心荷载、桩自重、水平分布荷载、竖向分布荷载和竖向荷载综合作用下基桩内力位移进行了分析。结果表明:等效剪力有限元迭代法用于倾斜荷载下基桩P-Δ效应计算分析是有效的;当墩身较高时,墩身倾斜、墩顶偏心弯矩、水平力等对基桩产生的P-Δ效应显著。     

Equivalent-shear Finite Element-iterative Method of P-△ Effect of Pile under Inclined Loads

假定桩身位移为三次幂函数,结合倾斜偏心荷载下单桩受力微分方程确定的桩身弯矩、剪力与桩身水平位移关系,在此基础上引入等效剪力增量概念,提出了基桩P-△效应的等效剪力有限元迭代法,相应编制了Matlab分析程序,并结合算例对成层地基中倾斜偏心荷载、桩自重、水平分布荷载、竖向分布荷载和竖向荷载综合作用下基桩内力位移进行了分析.结果表明:等效剪力有限元迭代法用于倾斜荷载下基桩P-△效应计算分析是有效的;当墩身较高时,墩身倾斜、墩顶偏心弯矩、水平力等对基桩产生的P-△效应显著.     

列车荷载下的桩网结构低路基土拱效应

运用ABAQUS软件建立了桩网结构低路基动力有限元模型,通过计算结果与实测结果的对比验证了模型的可靠性,并分析了列车荷载下路基中动应力分布、桩土应力比与等沉面高度变化特征。分析结果表明:采用模型计算的路基不同深度处动应力与实测结果最大差值为0.56kPa,动位移的最大差值为7μm,计算和实测的平均动应力和动位移沿路基深度的传递趋势相同,因此,有限元模型可靠;在动荷载作用下,路基中存在土拱效应,土拱高度约为1.6m,与静荷载作用下土拱高度近似,路基表面的应力变化率比路基基底大;路基中动应力的分布受到土拱效应的影响,表现为传递到桩间土上方土体的动应力部分转移至桩顶上方,且在路基垫层附近动应力转移现象最明显;在动荷载作用后,路基中心处桩顶与两桩间的桩土应力比减小,而桩顶与四桩间的桩土应力比增大,桩顶与两桩间的桩土应力比始终大于桩顶与四桩间的桩土应力比;距离路基中心1m处纵断面等沉面高度为1.55m,布置桩体的纵断面等沉面高度大于未布置桩体的纵断面等沉面高度,且沿路基中心到路肩,同类纵断面的等沉面高度逐渐降低,动荷载作用后,路基中心处等沉面高度增大。