深水钢悬线立管触地区力学特性数值模拟分析

通过将钢悬线立管与海床土体的相互作用模拟成为一根置于一系列非线性弹簧上的梁单元,根据海底土体P-y曲线,对钢悬线立管与海底土体之间的相互作用进行了数值模拟分析,研究了海底形成的沟槽形状、沟槽的最大深度及触地点附近立管的弯矩变化。研究结果表明:钢悬线立管在循环位移作用下,在靠近立管加载端的下部海床上形成沟槽;土体刚度越大,形成的沟槽最大深度越小;循环位移载荷幅值越大,海床上形成沟槽的最大深度也越大;随着位移载荷的逐渐增大,沟槽最大深度点的位置向远离加载端的方向移动;立管触地点附近的弯矩变化幅度从大到小排列依次为线性硬土、线性软土、非线性黏土。     

A CONSOLIDATION MODEL OF GROUP WELLS ON COMPOSITE FOUNDATION1)

针对复合地基固结问题,考虑井阻和土体径竖向渗流的影响,建立 以"桩-土-桩"为单元的复合地基群井计算模型,采用解析解法,推导出瞬时载荷作用下复合地基群井固结解析解,讨论了复合地基固结特点和孔压等的变化规律。研究表明,复合地基群井固结模型为复合地基固结理论的研究提供了一种新思路,在井径比大于5 时,基于中心桩、边桩流量相等假设,复合地基群井固结理论所求固结度和传统固结理论所求固结度相差很小,可忽略不计;桩体渗透系数、内外扰动区土体径向渗透系数、土体竖向渗透系数越大,复合地基固结速率越快;堆载越大,最终达到稳定时的沉降量和竖向应变越大;地基表层土体的孔压消散速率和竖向应变速率大于地基深部土体。     

复合地基群井固结模型理论研究

针对复合地基固结问题,考虑井阻和土体径竖向渗流的影响,建立以"桩–土–桩"为单元的复合地基群井计算模型,采用解析解法,推导出瞬时载荷作用下复合地基群井固结解析解,讨论了复合地基固结特点和孔压等的变化规律。研究表明,复合地基群井固结模型为复合地基固结理论的研究提供了一种新思路,在井径比大于5时,基于中心桩、边桩流量相等假设,复合地基群井固结理论所求固结度和传统固结理论所求固结度相差很小,可忽略不计;桩体渗透系数、内外扰动区土体径向渗透系数、土体竖向渗透系数越大,复合地基固结速率越快;堆载越大,最终达到稳定时的沉降量和竖向应变越大;地基表层土体的孔压消散速率和竖向应变速率大于地基深部土体。     

考虑桩头约束的纵横向受荷微倾单桩响应分析

考虑桩身初始微倾斜,假定地基水平抗力系数沿深度线性增加,推导出纵横向荷载下桩周土屈服时桩身挠曲线微分方程,继而求得桩身响应的幂级数解。采用桩头约束度表征桩头转动约束,结合已有的自由段和弹性段桩身响应的幂级数解及桩底的边界条件,并基于各分界点处桩身响应的连续性,提出了桩身变形和内力的计算方法。与模型实验结果及已有解计算结果的对比验证了该法的可靠性。计算结果表明:随着桩头约束度的增加,桩顶位移和地表以下桩身最大弯矩近似线性减小;桩头约束度存在一临界值,在该值处桩身最大弯矩达到最小值;随着桩身初始倾角的增加,桩顶位移和桩身最大弯矩近似线性增大,其变化速率随纵向荷载的增加而增大。     

移动荷载下上覆弹性板饱和地基的动力响应

用半解析法对移动条形荷载作用下上覆弹性板饱和两相弹性介质的动力响应问题进行了研究。由忽略土粒压缩和土体自重的Biot波动方程出发,对荷载进行Fourier展开。假设响应函数形式,利用待定系数法求解了考虑固液耦合作用的两相介质在移动荷载作用下的土体位移,有效应力及孔压表达式。求解过程中考虑了土体和弹性板之间的相互作用,并假设土体与弹性板的竖向位移相等。通过计算给出了各参数对土体位移和孔压响应和的影响。数值结果表明弹性梁刚度对位移和孔压响应有较大影响。     

倾斜上拔荷载下挤扩支盘桩响应分析

为研究挤扩支盘桩在倾斜上拔荷载下的响应,利用 ABAQUS 对该受荷模式下挤扩支盘单桩进行了数值模拟,得到了5种上拔和水平荷载组合下两盘和三盘挤扩支盘桩盘数在不同盘间距下的荷载-位移曲线及桩身内力和位移的分布规律.数值结果表明:单桩在上拔和水平荷载作用下存在荷载耦合,上拔荷载明显减小了单桩水平刚度,水平荷载减小了单桩竖向刚度,但影响有限;基于数值结果提出复合承载力计算的椭圆公式,本文的对比结果表明:该公式的预测误差小于10%,且预测结果偏于安全;水平荷载的存在导致靠近土体表面首盘的抗拔能力不能充分发挥;建议在水平与上拔荷载比较大的支盘桩中,首盘到土面距离不宜小于8d.     

关于桩的水平位移、内力和承载力的分析

上海宝山钢铁总厂工程中,打好后的桩由于附近继续打桩特别是开挖土方出现了可观的水平位移,因而需要分析这种水平位移对桩产生的内力和对它的承载力的影响。本文试图依据桩的水平位移现场测试结果并近似地假设地基为弹性体来作一分析。先对无荷载的和后来承受着竖荷载的桩的弯曲变形和弯矩以及相关的土体位移作理论分析,从建立桩土体系的弹性平衡微分方程到求出需要的解析解。然后对外径D=406mm的钢管桩实例进行具体数值分析,从它的绝对水平位移、对士体的相对位移、桩土之间侧向压力、桩的弯矩、承载力和安全系数到容许的桩顶移位和有关处理方法。最后分析D=609和914mm钢管桩的容许桩顶水平位移。     

考虑桩头约束的水平受荷单桩响应分析

基于m法的基本假定推导了考虑桩头转动约束程度、桩身自由长度和埋深比的水平受荷单桩响应解析解,获得了更具一般性的通解形式;基于该计算公式讨论了桩头转动刚度km、量纲为一的固定因子C、桩头约束度λ三种桩头约束定量表征参数间的关系;分析了桩身埋入深度和自由长度对桩头约束表征参数和单桩响应的影响。研究表明:桩头约束度λ(即有约束单桩桩头所受弯矩与桩头嵌固条件下桩头弯矩之比)不受桩和桩周土参数的影响。通过λ取0(表示桩头自由)和1(表示桩头嵌固)之间的数值有效表征桩头约束效果;采用桩身抗弯刚度和水平地基比例系数对桩头转动刚度进行量纲归一化获得系数β,在桩身埋入深度和自由长度给定的条件下,β和λ具有一一对应关系,β成为λ与单桩和桩周土体参数间相关联的关键参数。进一步的研究表明:在β相同的条件下,刚性桩的λ值大于弹性长桩,自由长度越大桩头约束度越大;桩头位移和土面下桩身最大弯矩随λ的增大呈线性变化;对于刚性桩和自由长度大于2倍桩土刚度系数的弹性长桩,自由长度变化对桩头位移比(有约束单桩的桩头位移与桩头自由单桩的比)随λ变化规律的影响不大;桩身土面下最大弯矩点深度随λ的增加而增加,随自由长度的增加而减小;在λ小于0.5时,刚性桩和弹性长桩的最大弯矩点深度基本一致,且此规律不受自由长度的影响。     

超静定连续梁弹塑性过程分析的单位荷载法

讨论了分析超静定连续梁弹塑性受力和变形全过程的单位荷载法,运用该方法分析了集中荷载作用下一次超静定两跨连续梁的弹塑性加载和变形全过程．根据受力变形的特点,集中荷载作用下两跨连续梁的弹塑性加载过程可分为四个阶段,分别是弹性阶段、集中荷载作用点附近塑性区扩展阶段、集中荷载作用点保持为塑性铰而附近区域线性卸载阶段、两跨连接点附近塑性区扩展直至形成第二个塑性铰阶段．给出了加载过程中各阶段的弯矩内力和竖向位移随外荷载而变化的解析公式．研究结果表明：在相同的单跨荷载工况下,连续梁的变形过程不同于单跨一次超静定梁,其塑性铰形成顺序不同,静定结构形成顺序不同,但塑性极限破坏荷载相同．     

中柱失效时组合框架压拱效应力学模型分析

钢-混凝土组合梁在正弯矩下的转动中心通常要高于其在负弯矩作用下的转动中心,因此在中柱失效工况下,组合框架中存在压拱效应．针对两榀分别采用了焊接连接和平齐式端板连接的钢-混凝土组合框架进行了拆除中柱的试验研究,记录并详细分析了压拱效应．分析结果表明,无论采取何种梁柱节点形式,组合框架中均存在压拱效应;常规压杆模型无法准确描述压拱效应的效果．提出了一种考虑钢梁下翼缘及部分腹板受拉的桁架弹簧模型,并对该模型的竖向荷载-位移公式和水平位移-竖向位移公式进行了推导,公式结果与试验结果吻合良好．本文提出的桁架弹簧模型及相应变形公式可以很好地预测压拱效应对于整体结构承载力和变形的贡献,为抗连续倒塌工况下组合框架的设计提供了参考．     

竖向预应力锚索抗滑桩的优化研究

竖向预应力锚索抗滑桩是一种锚索从桩顶竖向穿过抗滑桩,直接嵌入基岩以下的新型抗滑桩。本文以某滑坡治理工程为例,采用数值模拟方法,研究竖向预应力锚索抗滑桩的内力,从桩长、锚固力、偏心距几个方面对竖向预应力锚索抗滑桩的桩身结构进行优化研究。模拟研究结果表明,其他条件不变时,竖向预应力锚索抗滑桩随着桩长的减小,桩身弯矩最大值变化不大,剪力最大值呈增大趋势; 随锚固力增加,桩身内力最大值均呈先减小后增大的趋势,表明选取合适的锚固力对桩身内力影响很大; 随着锚索偏心距的增大,桩身内力最大值均逐渐减小。优化结果表明,竖向预应力锚索抗滑桩锚固段比悬臂桩减少16.7%,桩身剪力最大值减少31.7%,桩身弯矩最大值减少41.1%。竖向预应力锚索抗滑桩是一种有应用前景的抗滑桩。     

正交各向异性地基平面问题动力响应研究

以位移分量为基本未知量,在直角坐标系下建立正交各向异性地基的平面应变问题动力偏微分方程．采用Laplace-Fourier变换和逆变换方法,引入初始条件和边界条件,推导了任意形式表面动荷载作用下正交各向异性地基平面问题在时域内动力反应的积分形式解．基于理论解,编制了相应的计算程序,并对正交各向异性土
体表面作用线性移动谐振荷载进行了算例分析,研究了土体参数、荷载移动速度、荷载频率不同而导致的土体表面各点竖向位移幅值的变化规律,以及荷载速度对竖向应力分量的影响规律．数值分析结果表明：土体的各向异性、荷载频率和移动速度对表面位移幅值有较大影响,土体阻尼比对于荷载中心点附近的位移幅值影响较小;荷载移动速度对于竖向应力分量有较大影响,这对工程实践具有重要指导意义．     

被动桩中土拱效应特征与影响参数研究

采用平面有限元方法,对被动桩在粘性、无粘性土体条件下的土拱形成机理进行了分析。从土拱效应的4个主要方面:土拱形状、桩周土体塑性(拉裂)区的分布、竖向位移等值线及桩后土体残余荷载分担比,探讨了改变桩、土参数,如粘聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、剪胀角、桩土接触面特性时,土拱效应的变化规律。研究表明,土性不同时,土拱形成过程中土体的受力和破坏形式不同;泊松比、剪胀角、桩土接触特征对土拱效应的影响最明显;强度高、剪胀角大、桩土接触面粗糙或泊松比小的土体,易形成土拱。根据研究结果,指出Tom io Ito排桩塑性绕流土压力理论计算公式尚存不足。     

高速公路工程中水泥搅拌桩桩身合理设计强度研究

在公路工程的搅拌桩地基设计中,一般假设加固区桩土变形协调,从而采用复合地基理论进行设计。但是目前许多的工程实践表明在路堤荷载作用下,搅拌桩地基桩土之间存在差异沉降,桩身强度不能够完全发挥,为此需要对复合模量的表达式进行改进。本文采用有限元分析了路堤荷载作用下搅拌桩地基的变形响应情况,分析了加固区桩间土变形与桩身模量之间关系,得到了水泥土搅拌桩强度的合理范围。     

沉桩扩孔速度对非饱和土中柱形扩孔挤土效应的影响

以柱形孔扩张模型模拟沉桩过程,推导出考虑速度因素时桩周土体的位移、应力解析解.以弹塑性交界面处单元体的运动情况作为参考标准,将区域内任何一点的应力、位移描述成塑性区半径和扩张后土体单元距孔心的距离函数.采用小变形理论求解出r处的径向扩张速度与弹塑性交界面的径向扩张速度之比应满足的关系式.最后结合沉桩扩孔速度的已知条件推导出沉桩后桩周土体塑性区、破坏区的范围.整个土体范围内应力、位移表达式形式仍与不考虑沉桩扩孔速度因素时一样.对比分析表明:相同桩径条件下,随着沉桩扩孔速度的增加,沉桩影响范围也越来越大;随着桩径的增加,沉桩影响范围受沉桩扩孔速度的影响程度则降低.此外,相应于一定的桩径存在一个临界速度,当沉桩扩孔速度大于临界速度时,需要考虑速度因素;小于临界速度时不考虑则是偏于安全的.本文的研究成果主要适合于软土.     

考虑水平摩阻力与竖桩支撑的弹性地基梁

考虑水平摩阻力,建立了任意对称荷载和具有竖桩支撑的有限长弹性地基梁的平衡微分方程.进行了合理的位移形函数假设,利用Galerkin方法建立了非线性代数方程组并采用迭代法进行求解,得到了具有竖桩支撑弹性地基梁的位移和内力解.通过实例计算可知,水平摩阻力对弹性地基梁的挠度和剪力影响很小,而对弯矩和轴力影响很大;竖桩支撑可以很大程度地改变弹性地基梁的变形和受力状态,合理地布置竖桩可以大大地减小弹性地基梁的挠度和弯矩.     

黄土地基中大直径超长群桩基础受力特性的模型实验研究

通过室内模型试验,对黄土地基中大直径超长群桩基础的承载-沉降关系、承台下土体附加应力的分布及发展、桩土承载情况以及不同位置桩的受力特性分别进行了研究。结果表明:黄土地基中大直径超长群桩基础荷载-沉降曲线呈缓变型且没有明显拐点,故群桩基础的极限承载力应综合沉降-时间对数s-lgt曲线和荷载-沉降Q-s曲线来确定。承台下土体附加应力分布为边缘大中心小。不同位置的桩承载性能不同,总体上是角桩(6#桩)最大,边桩(5#桩)次之,中心桩(1#桩)最小;同时各桩的桩侧摩阻力及桩身轴力沿桩长的变化也有所不同。     

板下地基位移分布规律及参数确定

将弹性半空间地基受任意竖向荷载作用下的静力位移积分变换解与弹性半空间地基上四边自由矩形板受任意竖向荷载作用下的弯曲解析解相结合,建立了求解板下地基位移的一般方法.对一些算例,进行大量数值计算分析,得出弹性半空间地基上四边自由矩形板下地基水平位移和竖向位移的分布规律,地基影响深度,并由此分布规律确定了其相应的简化模型-双参数地基模型的两个参数.     

弹性地基上无限大板的统一解

利用汉克尔变换法,推演得到了文克勒地基、双参数地基、弹性半空间体地基上无限大薄板,赖斯纳、汉盖、克罗姆等中厚板,在任意竖向荷载作用下的统一解;并给出了竖向轴对称荷载条件下的无限大板挠度、弯矩、剪力系数、地基反力系数的计算公式;最后,对圆形均布荷载作用下的不同地基和板模型的板挠度和弯矩进行了对比分析。结果表明:半空间体地基板与文克勒地基板的荷载圆中点的弯矩参数十分相近,但其荷载圆中点挠度系数较后者大1/3~1/2;中厚板理论对地基板挠度有更好地拟合和解析,但对板弯矩等内力的计算精度无改善。     

基于微结构指标主成分分析的沉桩挤土效应研究

前期研究已认识到,土的宏观力学性质及其表现从本质上应取决于土的微观结构。在结构性较强的软土中沉桩,桩周土体内部结构会发生显著变化,土体的强度与变形性质是这种内在变化的宏观表现,研究土体微观结构与宏观力学行为变化之间的关系,对认知土体的力学性质,从微观出发去认识沉桩挤土效应的机理,指导工程实践具有重要地理论和现实意义。本文基于天津滨海地基土实际静压桩工程,在沉桩的不同时刻、沿桩身的不同位置取桩周土体原状土样进行室内三轴固结不排水剪切试验,得到土体强度指标参数,同时进行对应的微观结构试验,得到垂直与水平方向的10个微结构指标。采用主成分分析方法,在微结构指标中提取3个主成分,较好地分析了土体微结构特征。研究表明: 3个主成分与黏聚力之间存在较好的相关关系,而与内摩擦角之间的相关性相对较弱; 第一主成分对各微结构信息的提取比较充分,第二、第三主成分是对第一主成分未反映信息的进一步补充。同时主成分分析表明,土体微结构性质对强度性质起控制作用,在沉桩过程中,近地表和下部土层宏观力学指标表现出了相反的变化规律。主成分分析方法较好地表述了土体的微结构性质,为进一步从微观入手解释沉桩挤土效应机理提供了有力依据。