基于CEL和ALE方法的自升式平台桩基贯入过程瞬态研究

为研究桩基过程中桩端极限承载力、桩靴上部空腔的形成、发展和破坏机理,桩土贯入过程中桩端土体流动及土体应力分布变化,采用两种方法来处理地基土体高度扭曲的网格,并与相关地土工离心模型试验实验结果进行对比,结果表明:ALE方法较CEL方法可更好地保证地应力稳定性;桩土贯入过程中桩端土体回流优于空腔垂直壁面剪切破坏是空腔破坏的主要原因,ALE数值结果与离心试验结果一致;ALE方法保证材料-边界-网格的一致性运动,模拟桩端极限承载力较CEL更加真实、可靠。ALE方法对于桩基贯入过程中的瞬态研究结果优于CEL方法。     

桩靴支护结构对桩端极限承载力的影响

以渤海湾"胜利五号"自升式作业平台桩基贯入工程实例为基础,优化自升式平台桩靴支护结构位置,采用有限元数值模拟位置优化后的桩端极限承载力,并与实际桩端承载进行比较。优化结果表明:沿桩靴径向和垂向优化发现桩端极限承载力由内向外是先增大、后减小,支护结构在r'/r=0.6,h/H=0.4处优化达到预期效果;合理优化桩靴支护结构的位置可以改变桩靴上端面土体流动方向,减小土体对桩靴上端面冲量及桩靴上、下端面土体流速差,稳定贯桩过程,能够增加桩端极限承载力。     

预压软土地基对超长群桩承载性状的影响

建立超长桩和土体共同作用的三维非线性有限元数值模型,采用预压排水固结法研究软土地基预压后超长桩的承载特性,分析地基土固结沉降、桩身侧摩阻力、桩顶位移-荷载曲线和桩身轴力的变化规律。通过运用控制变量法对预压时间和预压荷载以及不同土质的预压效果进行分析,对比分析单桩与群桩对预压效果的敏感度,并分析固结度对超长桩承载性状的影响。结果表明:预压能较好地改善地基、提高超长群桩的承载能力。增大预压荷载,可增大土体的固结沉降和桩身侧摩阻力;延长预压时间,可提高桩身侧摩阻力,减小桩顶沉降和桩身轴力;预压对群桩的影响好于单桩;固结度越大,超长群桩承载性能越好;对于粉质黏土、黏土以及淤泥质粉质黏土,当预压时间分别达到90 d及180 d时,地基固结基本完成,预压不再改变土的力学指标。     

自升式平台插桩性能分析及验证

基于静压贯桩试验对桩端底部压力分布规律进行验证表明,桩靴底部压力由内向外先增大,后减小,再增大。采用ABAQUS/ALE模拟插桩过程以研究Mohr-Coulomb模型中土体各参数物理意义对桩端承载影响。数值模拟结果表明,弹性模量对桩靴承载力影响不大;泊松比控制桩靴上部空腔的形成、发展及破坏机理。摩擦角、内粘聚力影响土体剪切强度及桩端承载力,其中以摩擦角影响为主。     

离岸深水全直桩码头竖向承载特性有限元数值模拟

建立结构-地基相互作用三维弹塑性有限元模型,分析软土地基上离岸深水全直桩码头竖向承载特性与失稳模式。通过研究得出,竖向荷载作用下,该结构竖向承载特性及失稳模式与土体强度密切相关。当地基较软时,结构竖向极限承载力由地基土体强度决定;当地基较硬时,结构竖向极限承载力由桩身及土体强度共同控制。为此,在进行该类结构设计时,应充分考虑软土地基软化效应等可能降低土体强度的不利因素对结构竖向承载特性及失稳模式的影响。     

桩靴贯入对邻近三桶导管架基础的附加变形影响

为避免桩靴贯入过程中邻近三桶导管架基础发生倾覆破坏，利用耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法，将桩靴在真实风电场地质条件下安装过程中周围土体的流动划分为浅层贯入、邻近桶中部-桶底深度及完全穿越桶底等3个阶段，明确在各阶段“桩靴-周围土体-邻近桶”的传力机制，模拟三桶导管架基础系统的水平、竖向和转角位移响应，结果表明，随着净间距的增加以及场地分层土强度分布的增加，三桶导管架基础将产生更大的附加倾覆量。     

自升式平台插桩物理模型实验及分析

研究自升式平台插桩过程的土体运动滑移以及土体变形规律,对合理评价自升式平台桩腿及桩靴的稳定性有重要的意义。以自升式平台插拔桩为工程背景,基于自主研发的＂流固土多项耦合六自由度单双向静动态加载仪＂,对砂性土海床进行比尺实验,利用物理手段研究平台插桩过程中土体与桩靴耦合作用机理。实验中给出了海床插桩入泥深度与地基承载力的曲线,并且推导出砂土力学性质随桩靴深度变化公式。实验的破坏特征与海洋砂土地基实际破坏一致,说明了模型试验的正确性,同时也为层状穿刺试验提供了实验基础。     

富宁港软岩桩基承载特性模型试验成果及数值分析

水库周期性蓄水调度,导致库岸软岩地基的工程力学特性发生较大变化,直接影响桩基承载性能的长期有效性.通过对4种不同工况地基模型下的桩基竖向承载特性进行试验研究,得出了软岩嵌岩桩的桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力特性.结合物理模型实测成果,采用数值模拟分析了3种工况下桩基竖向承载力、桩身轴力和桩侧摩阻力的变化趋势,为内河库区港口工程软岩桩基设计和承载能力评价提供理论依据.     

海上吊物六自由度系统动力学特性分析

自升式风电安装平台由于作业臂长度的限制,在进行海上钻井和维修作业时会紧靠导管架平台。风电安装平台桩靴插桩过程中会排开大量土体,对临近平台桩基产生很大的挤压荷载。以某自升式风电安装平台和其临近固定平台为研究对象,探讨了风电安装平台桩靴入泥带来的挤土荷载与环境荷载的耦合作用对平台桩基强度的影响。分析结果表明,在靠近泥面一定范围之内,在进行导管架钢桩设计时必须考虑挤土荷载与环境荷载的耦合作用,以满足导管架平台桩基强度要求。     

刚柔性长短桩加固港口铁路双层软土地基研究

刚柔性长短桩是在刚性桩基础上用柔性短桩改良桩间土后形成的一种新型地基处理方式,适用于港口码头、公路和铁路等中浅层地基承载力不大,且地基深层土体为高压缩性土的双层软土地基。以连云港港某铁路软基处理工程为依托,通过现场试验和数值模拟研究了刚性长桩和柔性短桩对改善地基性能的贡献,并从土拱效应和拉膜效应两方面探讨了路堤荷载下刚柔性长短桩加固地基的机理。结果表明:桩间土上部路堤荷载通过土拱效应和格栅拉膜效应传递至桩顶,刚性长桩是沉降和承载控制主要结构,柔性短桩能显著减小刚性桩桩土差异沉降、桩顶应力集中和桩身负摩阻力,提高桩间土的承载能力;路堤荷载作用下刚性长桩间会形成大拱,加入柔性短桩后会在刚性长桩和柔性短桩间形成小拱,进而减小路堤临界高度,减小路堤顶面的不均匀沉降。     

水平承载桩-桶基础周围土体的变形场分析

采用数字照相变形量测技术方法,对水平承载的桩-桶基础室内模型试验进行观测,分析地基土体位移发展变化规律与变形模式,得到土体的渐进性变化过程,发现土体的剪切变形轮廓线和土体的破裂面模式基本一致,被动区都为一个与土表面成一角度的三角形,主动区沿着基础轮廓展开。该结论可为分析桩-桶基础的水平承载力提供参考依据。     

低强高压旋喷桩复合地基承载的影响因素

基于高压旋喷桩复合地基有限元模型,研究低强高压旋喷桩正三角形布置和正四边形布置时,桩体弹性模量、桩长、土体内摩擦角对复合地基承载特性的影响,并分析高压旋喷桩的有效桩长。结果表明:正四边形布置时土体的最大竖向沉降量是正三角形布置时的93%,桩体最大竖向应力值是正三角形布置时的97%,采用正四边形布置要优于正三角形布置;随着高压旋喷桩弹性模量的减小,土体最大沉降量增大,桩体最大竖向应力减小;随着土内摩擦角的增大,土体最大沉降量减小,桩体最大竖向应力减小;当采用正三角形或正四边形布置时桩长超过10 m时桩体最大竖向应力基本不变,因此低强度高压旋喷桩有效桩长约为10 m,与文献计算结果和设计取值基本一致。     

桩端桩侧后注浆灌注桩竖向承载性能有限元分析

在现场试桩试验的基础上,考虑土体的小应变刚度,应用Plaxis程序中的小应变硬化土模型,对桩端桩侧联合后注浆灌注桩的竖向承载性能进行有限元分析。研究表明：有限元分析桩土作用时,应充分考虑土体的小应变刚度;灌注桩注浆后,桩土界面条件改善,桩侧摩阻力提高明显,相对位移减小;沉渣固化和桩端持力层强度的提高,使得桩端阻力明显增大并且发挥提前,可以在较小的桩端位移下发挥较大的桩端阻力,减少了桩体沉降量,提高了承载力,改善了灌注桩的承载性能。     

饱和地基下桩柱结构地震响应

通过建立两相饱和地基下桩-土耦合系统的动力分析有限元数值模型,对饱和自由场地基以及桩柱结构在地震作用下的动力响应进行数值模拟研究。结果表明:在地震作用下超孔隙水压沿深度方向呈现出指数衰减趋势,在地表处更易导致地基液化从而散失承载能力。随着超孔隙水压的上升土体强度降低后,饱和地基土层对地震波的高频成分有明显的选择性滤波作用。在桩柱结构地震响应分析中,受桩土间动力耦合作用的影响,桩侧土体比远场地基土更易液化。随着地基承载力的降低,导致桩柱动力以及弯矩响应上升。研究结果与已有桩基础震害经验相符,其方法和结论可对饱和可液化地基抗震工程提供参考。     

桩-网复合地基承载及变形特性的三维数值分析

采用有限元程序,利用数值分析的方法,讨论了桩-网复合地基承载及变形特性。对不同荷载水平下复合地基中单桩荷载传递特性、桩间土的沉降、桩间土上的应力及桩土应力比的变化规律进行了分析;同时分析了复合褥垫层的变形模量以及分层地基中第一层土的物性参数对桩土应力比和复合地基中土表面沉降及差异沉降的影响。     

刚性承台下柔性单桩复合地基工作特性分析

基于变形协调条件,运用力学理论,对带台柔性单桩复合地基的承载特性进行了系统的分析,得到了桩土应力比、桩身轴力分布及荷载-沉降关系等系列解析算式.计算表明,柔性桩在更多的情况下不可能像刚性桩那样将荷载传递到桩端,而存在一个有效桩长;同时,桩土应力比随荷载变化的趋势与桩体刚度、桩侧剪切刚度及桩端土的抗压刚度有很大关系.计算还显示,如果以相对变形s/b=0.004～0.01所对应的承载力作为复合地基承载力特征值的话,当桩体刚度增加一倍,复合地基承载力将增加1/3～1/2.为验证所提出方法的可行性,将模型实验的结果与计算结果进行了对比,对比表明,该方法对柔性桩复合地基的设计计算有指导意义.     

桩-土-承台相互作用的有限元简化模型

针对低桩承台结构计算中往往只考虑桩土作用,忽视承台与土相互作用的问题,通过工程实例,建立考虑桩-土-承台相互作用的低桩承台有限元简化模型,分析桩间土的承载作用对承台和桩内力的影响。结果表明:在简化模型中考虑桩间土的承载作用后,承台弯矩和桩基轴力可减少35%～40%;桩身弯矩和剪力主要受水平力和土体m值影响;桩基轴力随地基土基床系数的增大而逐渐减小,但减幅逐渐趋缓。     

具桩靴自升式钻井船插桩过程有限元模拟研究

在评价具桩靴自升式钻井船的插桩深度及承载力时,包括浅基础、桩基础在内的多种计算方法均有各自的适用条件和局限性。应用有限元数值模拟方法,分别研究了桩靴在均质黏土和均质砂土中贯入一定深度时的地层响应情况,取得了桩靴贯入过程中地基土破坏形式、荷载影响深度、不同公式的适用性等多方面认识。在均质黏土中,随着插桩深度的增加,地基土先后经历了整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏三种破坏形式;在均质砂土中,地基土的破坏形式主要表现为整体剪切破坏。插桩荷载的影响深度约为3倍桩靴截面宽度。浅基础公式的计算结果与有限元模拟成果更为接近。     

水泥搅拌桩施工工艺及质量控制

采用水泥搅拌桩加固软土地基,能够达到增加软基土体的强度、提高地基承载能力的目的。文中叙述了水泥搅拌桩的施工工艺以及施工质量控制措施,介绍了水泥搅拌桩应用于天（河机场）-孝（感）一级公路软基路段的情况,经检测与观测,工程取得了较好的结果。     

层状土地基条件下具桩靴自升式钻井船插桩深度分析研究

应用有限元数值模拟方法,研究了自升式钻井船的桩靴在复杂层状地基土中贯入一定深度时的地层响应情况,取得了桩靴贯入过程中地基土破坏形式、荷载影响深度、不同承载力计算方法的适用性等多方面认识。在上硬下软及上软下硬的层状土中,所有公式的计算结果无论在数值还是趋势方面都与有限元模拟成果相差较大,这主要是由于单一的公式未考虑到插桩荷载影响深度内下伏不同地层对总承载力的贡献。有限元模拟成果显示,在3. 0B深度范围插桩荷载影响较大;桩靴自上覆硬土层贯入软土层时,会有一定厚度的硬土被压入到软土层,且厚度随插入深度变化,导致出现地层结构的动态重分布。根据层状地层中有限元模拟成果,提出了考虑到3. 0B深度范围所有地层的强度贡献、并考虑地层结构动态重分布的桩靴下地基土极限承载力计算方法,其计算结果与有限元模拟成果最为接近。工程实例计算表明,得出的计算结果以及有限元模拟结果都与实际插桩深度较为接近。