基于高速列车振动荷载的桩-土-结构相互作用分析

通过总结高速列车振动荷载相关研究,给出高速列车振动荷载简化表达式。将端承桩看作连续分布水平弹簧-阻尼单元的动力Winkler地基梁模型,建立不考虑轴向力影响的动力平衡微分方程,利用Laplace变换求得动力荷载作用下的水平动力阻抗,通过群桩模型计算结果验证其频率相关性,随着荷载频率变化,水平动力阻抗出现大幅度振荡。建立86 m×142m×86 m 3跨高速铁路刚构桥有限元模型,分析高速列车通过时考虑与不考虑桩土相互作用的桥梁动力响应。对比计算结果,考虑桩-土相互作用的影响,结构将产生更大的位移响应,而上部结构节点力却相应减小;随着列车运行速度变化,桩土相互作用强度也同时发生改变;土层材料参数的变化也将影响桩-土相互作用强度,而且浅层土的影响大于深层土。     

三维群桩-承台-墩的自振特性分析

提出了三维群桩-承台-墩的一种自振特性分析方法,其计算模型不但将群桩-承台-墩作为三维的整体结构来分析,而且考虑了桩-土的相互作用,同时简化了动力分析中承台的刚性模型,为全桥结构的整体抗震安全性研究打下了基础.     

高承台桩基的动力屈曲分析

为求取高承台桩基在动力作用下某节点的动力位移图并利用B-R准则判断高承台桩基的稳定性。提出一种将有限元模型应用于高承台桩基的动力屈曲分析的简化方法,将计算得到的结果与相应的基于伽辽金法理论建立的简化法高承台基桩的非线性动力屈曲问题的基本方程式,利用四阶Runge-Kutta法进行求解的结果进行对比,验证该简化有限元法的正确性及适用性。通过建立不同桩径、桩长及桩的埋土深度的模型并进行分析对比。研究结果表明:该简化有限元法应用于高承台基桩的动力屈曲的分析具有一定的可行性及实用性,为高承台桩基的动力屈曲分析提供了一种新的方法途径。     

三维群桩—承台—墩的自振特性分析

提出了三维群桩－承台－墩的一种自振特性分析方法，其计算模型不但将群桩－承台－墩作为三维的融化结构来分析，而且考虑了桩－土的相互作用，同时简化了运输 承台的刚性模型，为全桥结构２的整体抗震安全性研究了打下了基础。     

深基坑h型双排桩的变形计算及优化分析

针对目前深基坑工程中h型双排桩理论的不足,在考虑桩土非线性共同作用弹性反力法的基础上引入考虑非极限状态的土压力理论,得到一种可同时考虑非极限土压力理论和支护桩与土相互作用的支护结构水平位移计算方法。推导支护结构水平位移和地面沉降公式,研究深基坑开挖中h型桩支护结构的受力特性和变形规律。将理论成果应用于工程实例,与实测结果进行对比分析,并建立二维有限元模型,优化h型双排桩的设计参数。研究结果表明:支护结构水平位移与坡顶沉降均呈"匙"分布,桩间距为2倍桩径,排间距为5倍桩径,后排桩桩底标高略低于基底为较合理的设计参数。     

承台-桩-土作用下铁路桥梁桩基础地震反应

研究目的:低桩承台桩基础是铁路桥梁广泛采用的基础形式,考虑承台-桩-土相互作用效应,对其进行精细化地震反应分析意义重大。以32 m铁路简支梁桥为研究对象,建立考虑承台-桩-土相互作用效应的单墩抗震计算模型,采用反应谱法研究承台侧向土埋深及桩侧土m值取值对桥梁动力特性及桩基础地震反应的影响规律。研究结论:(1)承台侧向土埋深对桩顶位移及桩顶剪力影响显著,增加埋深,能有效降低桩顶剪切破坏震害的发生;(2)承台侧向土埋深对桩身弯矩的大小及分布规律影响显著,随着埋深减小,横向激励下桩身弯矩最值可能同时出现在两个部位,而纵向激励下桩身弯矩最值仅出现在某一个部位;(3)同一种土层,m值取值不同,对桩顶位移及桩顶弯矩影响显著;(4)本研究成果可应用于铁路桥梁桩基础的抗震设计。     

桥梁基桩动刚度影响因素分析

桩的动态特性反映了桩身混凝土的完整性和桩—土相互作用特性,利用机械阻抗法测定基桩激励和响应可以识别桩—土系统动力特性,估算承载力。本文首先建立了简化的摩擦桩动力解析模型,定性分析了不同参数变化对基桩动刚度的影响;其次,结合某高速公路特大桥若干桥墩基础的评估与加固,寻求基桩动刚度的合理下限值并以此初步评价基桩承载能力;继而建立了数值分析模型,通过测试数据对模型加以验证,并利用模型对动刚度影响因素进行了参数分析,参数对动刚度影响的趋势与解析解一致。针对本文工程案例,计算得到基桩动刚度合理下限为4.9 GN/m,当实测动刚度明显低于该值时,基桩承载能力偏低。通过对现场测试数据的统计分析,验证了该方法的合理性。     

客运专线拱桥承台设计方法的探讨

为解决客运专线拱桥承台设计无明确铁路规范可依这一问题,通过建立桩-土-承台结构相互作用模型的方法,阐述桩-土-承台结构在上部结构作用下如何计算承台的应力和配筋,通过与已有规范方法比较,论证了桩-土-承台相互作用模型的配筋结果更加安全,为拱桥承台设计提供了有益的参考。     

基于土-结构动力相互作用的结构隔震研究

利用土-结构动力相互作用中的地基隔震效应,提出换填地基进行结构隔震的新途径.依据成层地基中的单桩水平阻抗函数研究了土层动力特性对桩基阻抗的影响,指出在较坚硬场地上,只对桩身一定范围内的地基进行软化换填时,就可明显减弱桩基阻抗作用,降低其传递给上部结构的地震作用,从而达到上部结构隔震的效果.算例表明这一隔震途径的可行性和合理性.     

考虑桩侧初始剪应力的层状地基中单桩沉降计算简化解析

针对现有侧阻双曲线模型参数计算较困难的问题,提出一种考虑桩侧土初始剪应力以及侧阻软化特性的简化侧阻三折线模型;并结合桩端位移与桩端承载力的非线性发挥关系,采用双曲线模型模拟桩端荷载传递性状。进一步在上述桩侧和桩端荷载传递模型基础上,提出一种获取单桩荷载-沉降关系的简化递推分析方法。实例分析表明,本文所提简化模型与计算方法应用于单桩沉降计算具有较好的精度,且分析模型参数获取容易、计算便捷,研究成果可为设计施工提供有益参考。     

桥梁微型群桩桩土相互作用模拟分析

桥梁桩基、承台、土的共同作用十分复杂,桥梁微型群桩桩-土相互作用通过数值模拟方法,利用ANSYS结构分析软件,合理简化建立Drucker-Prager计算模型,采用SOLID45单元计算桥梁微型群桩桩土相互作用,得出了群桩桩土的受力、变形的一般规律。并通过工程实例验证了模拟分析的正确性。     

V形刚构拱组合桥动力特性分析

以广珠城际小榄水道特大桥主桥为工程背景,利用大型通用有限元程序建立了该桥的空间杆系有限元模型,分析了大跨度Ⅴ形刚构拱组合桥的动力特性,研究了二期恒载和桩-土-结构相互作用对桥梁动力特性的影响.     

锤击管桩沉桩过程模拟与算法

为了确保锤击管桩设计合理、提高施工质量,通过对柴油锤的冲击过程进行分析,建立了更符合实际打桩过程的柴油锤冲击模型;在对沉桩过程进行研究的基础上,基于应力波理论建立了重锤-桩-土相互作用模型,研究了施工工艺参数、桩的设计参数以及地质条件等对冲击力、桩贯入度等的影响.工程实例的对比分析表明,进行模拟的计算结果与实测结果吻合.     

桩筏复合地基负摩阻段分析及桩土应力比计算

通过对桩筏复合地基桩顶负摩阻段桩-土相互作用分析,得到桩顶负摩阻段桩间土中附加应力计算方法。在此基础上,利用弹簧组模型对桩筏复合地基桩-土-垫层相互作用进行分析,得出桩顶处桩和桩间土竖向有效应力及桩顶刺入变形计算方法。分析垫层对应力调节、沉降控制的影响。结果表明:在桩与桩间土间摩擦力作用下,桩间土竖向有效应力随深度增加衰减,并在某一深度衰减到较小水平,可不考虑该位置以下桩土相互作用对桩顶处桩土应力比的影响。垫层模量对桩顶处桩、土应力调节起重要作用,并对桩顶上刺量影响显著。垫层模量越小刺入量越大,且随模量减小刺入量增长速度加快。     

楔形刚性桩与桩周土的非线性相互作用

为探讨楔形桩的承载特性及沉降性状,本文以桩侧摩阻力分布满足双曲线模型和桩端阻力分布满足线性模型为基本假定,建立楔形刚性桩与桩周土非线性相互作用的力学模型。同时,利用荷载传递法及非线性分析的增量法,获得荷载-沉降关系等系列解析算式。算例结果表明,楔形桩侧壁倾角增大,桩侧摩阻力提高,桩与土之间的径向相互作用增强,单桩承载力提高。为了验证力学模型的可行性,对两根不同侧壁倾角的楔形桩进行模型实验,结果表明,本文建立的力学模型所得结果与实测结果吻合较好。     

静动荷载下桩网结构路基土拱效应细观分析

研究目的:为研究列车荷载下桩网结构路基中土拱效应的形成机理和受力特性,本文通过建立桩网结构路基简化离散元模型,利用PFC~(3D)软件对土拱效应机理进行细观研究,分析颗粒间的接触力链、颗粒的横向及竖向位移以及路基中的颗粒应力竖向分布。研究结论:(1)动荷载作用后,桩间土应力增加,土拱效应被削弱;(2)动荷载作用下,路基中会形成动力土拱,大部分动力会沿动力拱传递至桩顶上方;(3)等沉面的形成与位移拱有关,位移拱范围内桩顶上方颗粒挤入桩间土区域,从而导致位移拱范围外桩顶颗粒竖向位移增大,而桩间土颗粒竖向位移减小;(4)路基中设置土工格栅会降低土拱高度,削弱应力拱内多个虚拟土拱的作用,但比土拱更能提高桩土应力比;(5)本研究结果可为铁路路基结构工作机理分析提供思路和方法。     

侧方堆载作用下高架桥群桩基础变形分析

针对一城际铁路由于侧向堆载而使桥墩产生侧向变形的案例,利用三维有限元软件PLAXIS 3D建立堆载-土-结构相互作用有限元模型,并通过离心机试验与现场实测结果加以验证,从而分析侧向堆载作用下桩与土的沉降、变形及桩身弯矩、轴力分布规律。首先建立了桩与承台铰接、固接的2种模型,计算得出2种工况下桩的受力与变形,现场实测墩顶中心侧向位移介于二者之间。其次分别建立桩端自由与桩端固定情况的桩基模型,计算结果表明2种情况下承台倾斜方向相反。最后对该客专高架桥桩基进行抗弯承载力检算,推断该处桩已经发生剪切破坏,并给出了不同堆载高度下堆载的安全距离。     

桥梁基础冻结法施工冻土墙厚度的流变理论分析

在分析桩土支撑体系及其相互作用关系的基础上,利用有限元分析软件ANSYS建立了群桩体系计算模型,为解决土体非均质、成层以及边界条件难以确定的问题提供参考.通过对均质土体例题计算结果分析,可以看出利用本文建模方法与传统解答有很好的一致性,对解决上述几个问题是有效的.     

考虑双重挤土效应的补桩承载力计算方法研究

研究目的：为满足实际工程中补桩设计的需要，需考虑已就位群桩的挤土效应和补桩自身的挤土效应对补桩承载力的双重影响。 研究方法和结果：先考虑群桩挤土效应，在引入“桩土面积比”这一概念的前提下，采用等效圆截面单桩模拟群桩，基于孔隙比协调的原则，运用圆柱形孔扩张理论、弹性理论、比奥固结理论，求出等效半径，进而得出等效半径处土体变化后的应力场和强度指标；并以这一应力场和强度指标作为补桩施工时土体的初始值，考虑补桩自身挤土效应，运用圆柱形孔扩张理论、弹性理论，以土力学原理为基础，推导出饱和砂土中考虑双重挤土效应的补桩承载力计算公式；本文同时推导出了群桩挤土效应对补桩承载力的影响是否明显的临界状态。 研究结论：计算结果与实测数据，比较接近，表明该计算方法具有实用价值。     

桥梁群桩基础抗震简化计算模型的适用性研究

本文对群桩基础常用的抗震简化计算模型进行对比分析,指出各计算模型间的差异。在此基础上,提出改进的分层文克尔弹簧模型,并在该模型中采用桩身的等效面积比η间接考虑桩侧摩阻力和桩底土竖向抗力的影响。分析结果表明:应用集中弹簧模型模拟桩基础的柔性效应时,应考虑耦联刚度的影响;应用分层文克尔弹簧模型模拟群桩基础的桩土相互作用时,应考虑桩侧摩阻力和桩底土抗力的影响;在改进的分层文克尔弹簧模型中,桩身的等效面积比η随桩长及桩底土竖向地基系数的增加而增大,随桩径的增加而减小,且η值越大,对桥墩及桩基础的地震响应影响越大,只有当η接近1.0时,方可采用分层文克尔弹簧模型进行抗震分析。