2017, Vol. 34扩展功能
文章信息
- 尹平保, 聂道流, 张建仁, 刘新喜, 赵衡
- YIN Ping-bao, NIE Dao-liu, ZHANG Jian-ren, LIU Xin-xi, ZHAO Heng
- 斜坡段桥梁基桩竖向承载特性模型试验研究
- Experimental Study on Vertical Bearing Characteristic Model of Bridge Foundation Pile in Slope
- 公路交通科技, 2017, 34(7): 37-43
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2017, 34(7): 37-43
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2017.07.006
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文章历史
- 收稿日期: 2016-09-11
2. 长沙理工大学 土木与建筑学院, 湖南 长沙 410114;
3. 长沙理工大学 桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室, 湖南 长沙 410114;
4. 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083
2. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha Hunan 410114, China;
3. Key Laboratory of Bridge Structure Safety Control of Ministry of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410114, China;
4. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083, China
随着我国西部山区交通基础设施的进一步推进，越来越多的铁路或公路桥梁工程将穿越峡谷和陡坡。出于对水文地质条件、路线线形选择及环境保护等方面的考虑，有些桥梁在选址时不得不沿高陡斜坡行进，而将基础设置在斜坡上，形成斜坡基桩[1-3]。与平地桩相比，斜坡基桩的承载特性及失效机理更为复杂，若仍按平地桩设计，势必会造成误差，带来安全隐患[4-5]。因此，对斜坡基桩的承载特性展开深入研究显得尤其重要。
早期有关斜坡基桩的研究，多集中在抗滑桩领域。近年来，许多学者针对斜坡段桥梁基桩展开了一些有益的研究，如：赵明华等[6-8]对复杂荷载作用下高陡斜坡段桥梁桩基受力与变形特性进行了理论与试验研究，提出了斜坡段桥梁基桩内力与位移计算方法；蔺鹏臻等[9]考虑边坡效应，对黄土高边坡上的铁路桥梁桩基的力学行为进行了数值模拟研究；穆红海等[10]通过室内模型试验，获得不同坡度条件下基桩水平极限承载力；李彰明等[11]在土质边坡中开展了桩基水平荷载试验，研究了坡体中水平受荷桩的变形特征及承载力。上述研究主要从水平承载方面去探讨斜坡基桩的受力与变形特性。实际上，对于桥梁基桩而言，以承受竖向荷载为主。为此，冯忠居、程刘勇等[12-13]从基桩竖向承载角度，对黄土边坡上桥梁基桩的竖向承载机理及影响因素展开了模型试验及数值模拟研究，并获得了基桩有效桩长计算公式。但该公式是否适用于其他条件下的桥梁基桩，目前尚无定论。综上所述，有关斜坡段桥梁基桩竖向承载方面的问题尚缺乏深入系统研究。为了解其竖向荷载传递规律及破坏模式，试验是最为合理的手段[14-19]。然而，受斜坡地形和环境的限制，就地开展现场试验非常困难，故借助模型试验来开展相应的研究工作成为必然。
鉴于此，拟通过室内模型试验获取不同坡度和桩长条件下桩顶荷载-位移曲线、桩身轴力与侧摩阻力分布曲线，以探讨斜坡段桥梁基桩的竖向承载特性及破坏模式，从而为类似工程提供参考。
1 模型试验设计 1.1 试验材料确定本次模型试验是以湖南省张家界至花垣高速公路某钢筋混凝土桥梁基桩为原型。桩位处边坡坡度30°~50°，桩周上覆土体主要为卵石、角砾和碎石，下覆强风化-中风化砂质板岩，基桩穿过上覆土层，并嵌入强风化-中风化板岩中。本次试验主要根据相似理论来确定模型试验各物理量，假定原型与模型相同物理量之间的关系用相似比λi来表示[8]：
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(1) |
式中，λi为原型与模型间物理量i的相似比；下标p和m分别代表原型和模型。
现有模型试验研究表明，三型聚丙烯管材，即PPR管是一种良好的基桩模拟材料[8]，其外径为63 mm，内径为58 mm。模型边坡由粗砂填筑而成，通过室内土工试验可获得其物理力学性质指标：含水率w=2.43%，重度g=15.65 kN/m3，压缩模量E=36.98 MPa，内摩擦角φ=39°，曲率系数Cc=1.05，不均匀系数Cu=8.57。原型与模型各物理量参数及相似比，如表 1所示。
| 物理量 | 原型 | 模型 | 相似比 |
| 桩径d/m | 2.0 | 0.063 | 31.8 |
| 桩长h/m | 25.0 | 0.80 | 31.3 |
| 弹性模量E/GPa | 28.0 | 1.68 | 16.67 |
| 惯性矩I/m4 | 0.785 | 2.18×10-7 | 3.61×106 |
| 抗弯刚度EI/(kN·m-2) | 2.2×107 | 0.366 | 6.01×107 |
| 竖向荷载P/kN | 400 000 | 8.0 | 50 000 |
1.2 试验方案
现有研究表明坡度、桩长等设计参数对斜坡基桩竖向承载的影响较大[12-13]，由此制定考虑坡度和桩长影响的基桩竖向承载模型试验方案，见表 2。
| 影响因素 | 编号 | h/mm | l/mm | L/mm | a/(°) |
| 坡度a | M0 | 800 | 400 | 1 200 | 0 |
| M1 | 800 | 400 | 1 200 | 30 | |
| M2 | 800 | 400 | 1 200 | 45 | |
| M3 | 800 | 400 | 1 200 | 60 | |
| 桩长L | M4 | 800 | 600 | 1 400 | 45 |
| M5 | 800 | 800 | 1 600 | 45 | |
| 注：h为基桩埋入坡体中的长度；l为基桩自由段长度; 基桩总长L=h+l。 | |||||
1.3 试验加载及测试系统
(1) 加载系统
本模型箱为钢板与有机玻璃组合结构，尺寸为1.6 m(长)×0.8 m(宽)×1.2 m(高)，见图 1。
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| 图 1 模型箱和加载系统 Fig. 1 Model box and loading system |
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该模型箱由卡槽、有机玻璃板子拼接而成。试验加载系统则由液压千斤顶、反力架、压力传感器组成，并通过电子显示屏控制加载大小。
(2) 加载方案
试验采用慢速维持荷载法进行加载，即逐级施加桩顶竖向荷载，第一级施加2 kN，其后每级施加1 kN，当某级荷载下桩顶沉降量小于0.1 mm/h时，则认为已达稳定，然后再施加下一级荷载直至模型破坏。根据文献[4, 12]，本试验以允许最大桩顶沉降量或水平位移为试验终止标准，即当某级荷载下的桩顶沉降量大于前一级荷载沉降量的5倍或桩顶水平位移已达0.1倍桩径，则表明模型已破坏，可终止加载。
(3) 测试系统
模型试验加载过程中需要测定的参数主要包括：桩顶沉降量、桩顶水平位移、桩身应力、桩端阻力。其中，桩顶沉降及水平位移采用百分表测定；桩身应力采用电阻式应变片及数据采集系统测定；桩端阻力由电阻式土压力盒及数据采集系统测定。桩身应变片及模型试验布置，见图 2~图 3。
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| 图 2 桩身应变片布置图(单位:cm) Fig. 2 Layout of strain gauges on pile body(unit:cm) |
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| 图 3 模型试验布置图(单位:cm) Fig. 3 Arrangement of model test(unit:cm) |
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2 基桩竖向承载特性分析 2.1 基桩荷载位移曲线变化规律分析
根据不同坡度及桩长下基桩竖向加载室内模型试验数据，获得相应条件下基桩桩顶竖向荷载P与桩顶沉降sv以及桩顶水平位移sh之间的关系曲线(P-sv曲线、P-sh曲线)，如图 4所示。
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| 图 4 不同坡度及桩长下基桩曲线 Fig. 4 Curves of foundation piles in different slope gradients and pile lengths |
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图 4(a)显示，当桩顶竖向荷载相同时，桩顶沉降随坡度及桩长(自由长度)增加而增大，其P-sv曲线无明显拐点。由图 4(b)可知，桩顶荷载相同时，桩顶水平位移也表现出随坡度及桩长(自由长度)增加而增大的规律；且其P-sh曲线同样拐点不明显。
2.2 基桩竖向荷载传递规律分析若保持基桩入土深度h不变，仅改变其自由长度l，则基桩竖向荷载传递规律基本类似。为此，仅以桩顶2 kN荷载作用为例，给出不同坡度下桩身轴力p及桩侧摩阻力q沿深度h的分布曲线(图 5和图 6)。而以桩长1.2 m、坡度45°的M2号模型为例，则可得到不同桩顶竖向荷载下桩身轴力和桩侧摩阻力沿深度的分布曲线(图 7和图 8)。
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| 图 5 不同坡度下桩身轴力 Fig. 5 Axial forces of pile body in different slope gradients |
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| 图 6 不同坡度下桩侧摩阻力 Fig. 6 Pile lateral frictions in different slope gradients |
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| 图 7 不同桩顶荷载下桩身轴力曲线(M2) Fig. 7 Axial force curves of pile body under different loads(M2) |
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| 图 8 不同桩顶荷载下桩侧摩阻力曲线(M2) Fig. 8 Pile lateral friction curves of pile body under different loads(M2) |
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图 5和图 6显示，在2 kN荷载作用下，对45°和60°模型桩，桩侧摩阻力表现出沿深度先增大然后几乎保持不变的发展规律；而对0°和30°模型桩，桩侧摩阻力则沿深度先增大后减小，其最大值分别为0.089 kN和0.074 kN，二者约出现在坡面以下50 cm处。且在该截面处，0°，30°，45°和60°对应的桩身轴力分担比(该截面轴力与桩顶荷载比值)分别为：88.4%，91.8%，93.4%及94.5%；相应的桩侧摩阻力分担比(该截面平均摩阻力与桩顶荷载比值)分别为：4.25%，3.3%，2.7%及2.4%。可见，斜坡坡度对基桩竖向承载机理的影响仅限于约50 cm(8倍桩径d)范围内。
由图 7和图 8可知，在同一深度处，桩身轴力和桩侧摩阻力均随桩顶荷载的增大有小幅增加。在坡顶以下50 cm处，桩顶荷载2，4, 6 kN对应的桩身轴力分担比分别为：93.4%，96.2%及97.3%，而桩侧摩阻力分担比分别为：2.7%，1.5%及1.0%，可见90%以上的桩顶荷载通过桩身传递到桩端。当桩顶荷载较大时，与平地桩相比，斜坡基桩更易达到极限摩阻力，即由桩侧分担的荷载将不再增加。因此，验算斜坡基桩竖向承载力时，对桩侧摩阻力进行适当折减甚至忽略是偏安全的。
3 基桩极限承载力及破坏模式分析根据单桩极限承载力确定方法及现有研究成果[4, 12]，试验取桩顶沉降量为20 mm或桩身水平位移为6 mm对应的桩顶竖向荷载(二者中较小者)作为基桩极限承载力Pu值。具体可由图 4来确定本试验基桩的极限承载力Pu值，如表 3所示。
| 编号 | 沉降20 mm对应的荷载 | 水平位移6 mm对应的荷载 | 极限承载力Pu |
| M0 | 8 932 | 10 905 | 8 932 |
| M1 | 8 208 | 9 768 | 8 208 |
| M2 | 7 514 | 7 523 | 7 514 |
| M3 | 5 600 | 5 536 | 5 536 |
| M4 | 7 152 | 7 030 | 7 030 |
| M5 | 6 120 | 5 013 | 5 013 |
由表 3可以看出，桩长1.2 m, 坡度为0°，30°及45°模型桩的极限承载力均由竖向变形控制，而坡度60°(桩长1.2 m)、桩长1.4 m(坡度45°)及桩长1.6 m(坡度45°)模型桩的极限承载力则由水平变形控制。由此可见，竖向荷载作用下斜坡段桥梁基桩主要表现为变形过大(包括竖向与水平向变形)导致基桩屈曲失稳的破坏模式。
为探讨斜坡效应对基桩竖向承载的影响，不妨设基桩竖向承载的斜坡效应影响度αv为[12]：
|
(2) |
式中，P0为相同条件下平坡基桩的竖向极限承载力值；令ζv为基桩竖向承载折减系数，ζv=1-αv。由此可得不同坡度及桩长下基桩竖向承载的斜坡效应影响度αv及竖向承载折减系数ζv，见表 4和表 5。
| 坡度/(°) | 0 | 30 | 45 | 60 |
| Pu/N | 8 932 | 8 208 | 7 514 | 5 536 |
| αv/% | 0 | 8.11 | 15.88 | 38.02 |
| ζv | 1.00 | 0.92 | 0.84 | 0.62 |
| 桩长(坡度)/m | 1.2(0°) | 1.2(45°) | 1.4(45°) | 1.6(45°) |
| Pu/N | 8 932 | 7 514 | 7 030 | 5 013 |
| αv/% | 0 | 15.88 | 21.29 | 43.88 |
| ζv | 1.00 | 0.84 | 0.79 | 0.56 |
由表 4和表 5可知，坡度和桩长对基桩竖向承载的斜坡效应影响度αv及竖向承载折减系数ζv均有显著影响。根据表 4和表 5，通过非线性拟合可以建立基桩竖向承载折减系数ζv与l/h(基桩自由段长度与入土段长度之比)、tan α(坡度正切值)之间的关系式：
|
(3) |
式中，λ=l/h，表示基桩自由段与入土段长度比；ω=tan α，为坡度正切值。由非线性拟合式(3) 可得到的拟合值与试验值对比如图 9和表 6所示。
|
| 图 9 ζv与l/h及tan α之间的关系曲面 Fig. 9 Curved surface of relation among ζv, l/h and tan α |
| |
| 编号 | 试验值Pu/N | 拟合值Pf/N | 拟合误差/% |
| M0 | 8 932 | 8 719 | 2.38 |
| M1 | 8 208 | 8 653 | -5.42 |
| M2 | 7 514 | 7 431 | 1.10 |
| M3 | 5 536 | 5 581 | -0.81 |
| M4 | 7 030 | 6 682 | 4.95 |
| M5 | 5 013 | 5 175 | -3.23 |
由表 4、表 5、及图 9可以看出，边坡越陡(tan α越大)或基桩自由段越长(l/h越大)，其竖向承载折减系数ζv就越小，斜坡效应影响度αv也就越大。这验证了斜坡段桥梁基桩桩侧竖向土抗弱化现象的存在，即斜坡效应对基桩竖向承载力的影响也不容忽视。因此，设计位于斜坡段且自由段较长的桥梁基桩时，应对其竖向承载能力及稳定性展开分析和验算。另外，由表 6知，非线性拟合公式(3) 的相关指数R=0.965>0.95，由其反算得到的拟合值Pf与实测值Pu最大误差尚不足6%，可见式(3) 是可靠的。非线性拟合公式(3) 主要适用于砂性土质边坡段基桩竖向承载力的评价，其是否适用于黏性土质边坡或岩质边坡段基桩竖向承载力评价，还需更多现场试验加以论证，进而对式(3) 进行修正和完善。
4 结论以湖南省张家界至花垣高速公路某斜坡段桥梁基桩为原型，根据相似理论，确定了模型试验材料，制定了详细的试验方案；通过加载测试，获得了不同坡度和桩长下基桩桩顶竖向荷载P与桩顶沉降sv及桩身水平位移sh间的关系曲线、桩身轴力与侧摩阻力沿深度的分布规律、基桩极限承载力。通过分析发现如下规律：
(1) 竖向荷载相同时，桩顶沉降与水平位移均随边坡坡度及桩长的增加而增大，基桩荷载-位移曲线均没有明显的拐点。
(2) 斜坡效应对基桩竖向承载特性的影响约在8倍桩径深度范围内，且90%以上的桩顶荷载由桩端承担。与平地桩相比，斜坡基桩更易达到极限摩阻力，实际工程设计时，建议对桩侧摩阻力进行适当折减甚至完全忽略。
(3) 竖向荷载作用下斜坡段桥梁基桩主要呈现出因变形过大(包括竖向与水平向变形)导致的屈曲失稳破坏模式；边坡越陡、基桩自由段越长，其竖向承载折减系数ζv就越小，斜坡效应影响度αv也就越大，即斜坡效应表现得越显著。
上述研究表明，设计位于陡坡且自由段较长的桥梁基桩时，很有必要对其竖向承载能力及稳定性进行分析和验算。有关斜坡段桥梁基桩屈曲稳定性问题尚待深入研究。
| [1] | 冯忠居. 特殊地区基础工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008. FENG Zhong-ju. Foundation Engineering in Special Area[M]. Beijing: China Communications Press, 2008. |
| [2] | 邓友生, 赵明华, 邹新军, 等. 山区陡坡桩柱的承载特性研究进展[J]. 公路交通科技, 2012, 29(6): 37-45 DENG You-sheng, ZHAO Ming-hua, ZOU Xin-jun, et al. Research Progress of Bearing Characteristics of Pile Column at Steep Slope in Mountain Areas[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2012, 29(6): 37-45 |
| [3] | ZHAO Heng, YIN Ping-bao, LI Xi-bing. Mechanical Response of Bridge Piles in High-steep Slopes and Sensitivity Study[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(10): 4043-4048 |
| [4] | JTG D63-2007, 公路桥涵地基与基础设计规范[S]. JTG D63-2007, Code for Design of Ground Base and Foundation of Highway Bridges and Culverts[S]. |
| [5] | 高博雷, 张陈蓉, 张照旭. 砂土中边坡附近单桩水平抗力的模型试验研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(11): 3191-3198 GAO Bo-lei, ZHANG Chen-rong, ZHANG Zhao-xu. Model Tests on Effect of Slopes on Lateral Resistance of Near Single Piles in Sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(11): 3191-3198 |
| [6] | ZHAO Ming-hua, LIU Jian-hua, LIU Dai-quan, et al. Force Analysis of Pile Foundation in Rock Slope Based on Upper-bound Theorem of Limit[J]. Journal of Central South University, 2008, 15(3): 404-410 |
| [7] | 赵明华, 刘涛, 杨超炜, 等. 考虑陡坡效应的横向受荷桩受力分析纽玛克解答[J]. 公路交通科技, 2014, 31(10): 58-64 ZHAO Ming-hua, LIU Tao, YANG Chao-wei, et al. Analysis on Mechanical Characteristics of Laterally Loaded Pile by Newmark Method Considering Steep Slope Effect[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014, 31(10): 58-64 |
| [8] | 赵明华, 尹平保, 杨明辉, 等. 高陡横坡段桩柱式桥梁双桩基础模型试验研究[J]. 中国公路学报, 2013, 26(4): 57-63 ZHAO Ming-hua, YIN Ping-bao, YANG Ming-hui, et al. Model Tests of Double-pile Foundation for Pile-column Bridge in High and Steep Cross Slopes[J]. China Journal of Highway and Transport, 2013, 26(4): 57-63 |
| [9] | 蔺鹏臻, 武发辉, 杨子江, 等. 考虑边坡效应的铁路桥台桩基力学行为分析[J]. 中国铁道科学, 2014, 35(2): 32-37 LIN Peng-zhen, WU Fa-hui, YANG Zi-jiang, et al. Mechanical Behavior of Railway Abutment Piles Considering Slope Effect[J]. China Railway Science, 2014, 35(2): 32-37 |
| [10] | 穆红海, 彭社琴, 赵其华, 等. 碎石土斜坡桩基水平承载特性模型试验[J]. 科学技术与工程, 2016, 16(24): 268-272 MU Hong-hai, PENG She-qin, ZHAO Qi-hua, et al. Model Test of Lateral Bearing Properties of Pile Foundation in Slope of Gravel Soil[J]. Science Technology and Engineering, 2016, 16(24): 268-272 |
| [11] | 李彰明, 全国权, 刘丹, 等. 土质边坡建筑桩基水平荷载试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(6): 930-935 LI Zhang-ming, QUAN Guo-quan, LIU Dan, et al. In-situ Testing Study on Pile Foundation in Soil Slope under Horizontal Loadings[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(6): 930-935 |
| [12] | 冯忠居, 王航, 魏进, 等. 黄土冲沟斜坡桥梁桩基竖向承载机理模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(12): 2308-2314 FENG Zhong-ju, WANG Hang, WEI Jin, et al. Model Tests on Vertical Bearing Performance of Bridge Pile Foundation in Loess Gulch Slope Area[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(12): 2308-2314 |
| [13] | 程刘勇, 陈善雄, 余飞, 等. 竖向荷载下斜坡桩基承载力及影响因素数值研究[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(18): 5399-5403, 5422 CHENG Liu-yong, CHEN Shan-xiong, YU Fei, et al. Numerical Simulation for Vertical Ultimate Capacity and Influencing Factors of Oblique Slope Pile under Vertical Loads[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(18): 5399-5403, 5422 |
| [14] | YANG Z, JEREMIC B. Study of Soil Layering Effects on Lateral Loading Behavior of Piles[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(6): 762-770 |
| [15] | 聂如松, 冷伍明, 吴爱红, 等. 单桩残余应力实测分析[J]. 公路交通科技, 2014, 31(1): 61-66 NIE Ru-song, LENG Wu-ming, WU Ai-hong, et al. Field Measurement and Analysis of Residual Stress in a Bored Pile[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014, 31(1): 61-66 |
| [16] | 尹平保, 赵明华, 杨超炜, 等. 复杂荷载下横坡段桥梁桩基承载特性试验研究[J]. 土木工程学报, 2014, 47(5): 110-117 YIN Ping-bao, ZHAO Ming-hua, YANG Chao-wei, et al. Experimental Study on Bearing Capacity of Bridge Piles in Cross Slopes under Complex Loads[J]. China Civil Engineering Journal, 2014, 47(5): 110-117 |
| [17] | 杨明辉, 刘广轩, 赵明华. 高陡横坡段桥梁双桩结构计算方法研究[J]. 公路交通科技, 2010, 27(8): 55-59 YANG Ming-hui, LIU Guang-xuan, ZHAO Ming-hua. Study on Calculation Method of Bridge Double Piles Structure in High-steep Transverse Slope[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010, 27(8): 55-59 |
| [18] | 牛富生, 许建聪, 马亢. 黄土斜坡桩基竖向荷载传递规律现场试验研究[J]. 岩土力学, 2014, 35(7): 1899-1906 NIU Fu-sheng, XU Jian-cong, MA Kang. Field Experimental Study of Transmitted Characteristics of Pile Foundation under Vertical Load in Loess Slope[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(7): 1899-1906 |
| [19] | 张永亮, 陈兴冲. 基于非线性Pushover分析的单桩横向受力特性研究[J]. 公路交通科技, 2015, 32(1): 96-101 ZHANG Yong-liang, CHEN Xing-chong. Research on Lateral Load Bearing Behavior of Single Pile Based on Nonlinear Pushover Analysis[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015, 32(1): 96-101 |