文献综述(或调研报告):
桩顶荷载一般包括轴向力、水平力和力矩,为简化起见,在研究桩的受力性能以及计算桩的承载力时,往往是在对竖向和水平受力情况进行单独研究后,再进行组合讨论。
桩基水平承载力的研究现状
文献[1]指出,在水平力和弯矩作用下,桩身产生挠曲变形,并挤压桩侧土体,土体产生水平抗力,而桩周土体水平抗力决定了竖直桩的水平承载力,其大小和分布于桩的变形、土体条件及桩的入土深度等因素有关。因此我国规范将桩分为刚性桩和柔性桩分别进行计算。
国内外关于水平荷载下桩的理论分析方法较多,桩基的设计计算理论包括定值设计法和极限状态设计法。基于容许应力理论的定值设计法在已有的桩基设计中得到了广泛的应用,以概率理论为基础的极限状态设计法在近年中得到了广泛的发展。
定值设计法是一种传统的设计方法,主要是将抗力和荷载看成不变的定值,通过比较由外荷载(不带系数)产生的应力与允许应力或工作应力水平,得到结构的安全系数,据此进行平台基础设计。
以概率理论为基础的极限状态设计法中,海上风机桩基础设计的不确定性的三个主要来源是空气动力载荷、流体动力荷载和土体特性。较多学者关注极限状态下载荷的不确定性[2-3]。Gavin[4]介绍了土体变化、桩设计参数、荷载和直径对风机桩基可靠度的影响,并使用概率方法着重分析了风机单桩基础中土体与桩体之间的相互作用,强调了土体参数变化对风机基础可靠度的影响。
随着风机的尺寸逐渐变大,需要更大的桩体来承受相应的结构和环境荷载。然而由于目前海上施工建造技术的局限,增大桩体并不总是最为经济合理的设计方案。因此有学者提出通过在桩体上安装混合特征来提高单桩水平承载力。其中,Haiderali[5]利用三维有限元分析,将混合特征和岩石护面应用于大直径单桩,以提高黏性土中大直径单桩的水平承载力,结果表明在提高单桩的工作性能方面,裙式钢底座和带肋片钢底座最为有效。Lehane[6]的离心试验和三维有限元分析表明,在相同尺寸条件下,当与直径为17.5m、厚2.625m的钢底座组合使用时,砂土中直径为3.33米的单桩水平承载力几乎提高了一倍。在同尺寸条件下,Stone[7]的离心试验将直径为0.95m的单桩与直径为5m、厚0.25m钢基组合使用,也提高了桩基在砂土中的水平承载力。Arshi[8]通过的1G模型试验中,在直径为80mm的钢底座上增加了裙部,与无裙部相比,钢底座可将砂中单桩的水平承载力提高约50%。然而由于未具体说明裙部的长度,报告存在模糊的部分。相反,Lehane[9]离心试验和三维有限元分析表明,对于直径为15-20米的钢底座,在近地表土体不排水抗剪强度为20kPa的情况下,裙部的有无对黏性土中直径4米单桩的水平承载力无明显影响。
Bienen[10]的离心试验显示,在中密砂土中,当单桩与3.2m长、1.6m宽的钢翼板组合使用时,直径为2.4m、嵌入长度为9.6m的单桩水平承载力比原始模型提高了40%。Peng[11]的1G模型试验和三维有限元分析均指出,中密砂土中的短刚性桩的最佳肋长是预埋桩长的一半。Nasr[12]通过对埋入长度与直径比为15的柔性桩进行了1G模型试验,结果显示,中密砂土地基中,与三角形翼板相比,矩形翼板能更有效地提高桩的水平承载力。Bienen[10]和Nasr[12]使用了两个垂直于水平荷载方向的翼板,而Peng[11]使用了四个等间距翼板。
除了对单桩基础进行研究外,国内外学者也对多桩基础以及群桩基础展开研究。刘冰雪[13]通过研究海上风机三桩及四桩基础结构在单向荷载及复合荷载作用下的承载力特性,探讨了荷载作用方向、单桩桩径及桩间距对海上风机多桩基础极限承载力的影响。并进一步针对确定的海上风机基础,研究了其在地震作用下的反应。
在钢管桩沉桩的施工过程中,地基土体会进入桩体内部,我们将这部分土体称为土塞。若桩内土塞高度随钢管桩贯入深度增加不再变化,则桩内土塞完全闭塞,此时钢管桩的性质类似于闭口桩;若土塞高度随贯入深度增加而增大,则桩内土塞未完全闭塞,此时钢管桩仍可按开口桩考虑。由于闭口桩在打桩 过程中挤土效应较强,打桩阻力比开口桩大,且 开口桩与闭口桩的承载特性存在较大区别,因此土塞效应的正确判断对打桩阻力 和承载力的预测有重要意义。周龙[14]采用数值模拟、理论分析和室内模型试验相结合的方法,分析了砂土中超大直径钢管桩的桩土相互作用机理,发现在水平荷载作用下,小直径钢管桩桩身上部发生了较大的挠曲变形,,符合传统柔性桩的变形特点;而大直径钢管桩在水平荷载作用下桩身发生挠屈变形,桩端发生了与桩顶反方向的变位,桩身变形同时具有小直径柔性桩的桩身挠屈特性与刚性桩的转动特性。陈新奎[15]通过数值模拟,分析了钢管桩不同土塞高度、不同内外侧摩擦系数、不同桩径对水 平承载特性的影响,结果表明土塞高度和内侧摩擦系数对钢管桩水平承载特性的影响很小, 而外侧摩擦系数的变化对其有较大影响
