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        填砂竹節(jié)樁的承載性能對比研究

        2018-12-06 08:00:52蔡邦國姜玉龍王理璞王奎華
        山西建筑 2018年31期
        關(guān)鍵詞:承載力有限元模型

        蔡邦國 姜玉龍 王理璞 王奎華

        (1.浙江溫州沈海高速公路有限公司,浙江 溫州 325024; 2.浙江大學(xué)濱海與城市巖土工程研究中心,浙江 杭州 310058)

        1 概述

        普通混凝土預(yù)應(yīng)力管樁在我國已有60多年的應(yīng)用歷史,由于其可批量化生產(chǎn),打樁速度快,經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點,目前已被廣泛的應(yīng)用于各種高層房屋、港口、高速公路等建筑物的基礎(chǔ)中[1]。但是在東南沿海地區(qū)等以軟粘土為主的地基中使用時,在承載性能方面存在很多問題,由于其主要作為摩擦樁來使用,樁極限承載力的大小很大程度上取決于樁周土體的強(qiáng)度,往往樁體本身材料未能完全發(fā)揮其抗壓性能時,就由于樁和樁周土體的相對位移過大,而導(dǎo)致樁不能正常使用,這是對樁材料本身承載力的一種極大的浪費。

        為了解決軟土地區(qū)摩擦型樁這一問題,日本學(xué)者最先提出了竹節(jié)樁這一新樁型,對其進(jìn)行了研究并將其應(yīng)用于實際工程中[2,3],取得了很顯著的成效。而后竹節(jié)樁被引進(jìn)國內(nèi)并在南方軟粘土地區(qū)進(jìn)行了少量的應(yīng)用,由于其在提高軟土地區(qū)樁基極限承載力方面的顯著優(yōu)勢,國內(nèi)的學(xué)者也開始關(guān)注該樁型,并進(jìn)行了相關(guān)的研究,楊成斌等人[4]選用了竹節(jié)樁、圓管樁和方樁各兩根進(jìn)行了抗壓對比試驗,試驗結(jié)果顯示竹節(jié)樁的單樁豎向抗壓極限承載力較管樁和方樁均能提高20%左右;史玉良[5]進(jìn)行了竹節(jié)樁和圓管樁的現(xiàn)場靜載荷試驗,并在樁身設(shè)置應(yīng)變片,研究竹節(jié)樁的荷載傳遞機(jī)理和樁側(cè)摩阻力的變化,試驗證明竹節(jié)樁側(cè)摩阻力大于同直徑的普通樁,并且具有良好的抗液化性能;周家錦等人[6-8]對靜鉆根植竹節(jié)樁展開了詳細(xì)的理論和試驗研究,分析了其豎向荷載傳遞機(jī)理以及其抗壓抗拔承載特性,并總結(jié)了其承載力計算公式。

        填砂竹節(jié)管樁是對普通竹節(jié)樁的改進(jìn),其是由竹節(jié)管樁、樁周砂石層和土體共同組成的復(fù)合樁基。由于樁周砂石層的存在,改善了樁和土體之間的接觸性質(zhì),從理論上講具有更好的豎向承載性能。但國內(nèi)外針對填砂竹節(jié)管樁的研究基本處于空白階段,沒有很好的理論基礎(chǔ)框架。研究該新型復(fù)合樁型的豎向承載性能,對于其在實際工程中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

        本文主要研究填砂竹節(jié)樁和普通預(yù)應(yīng)力圓管樁在承載力方面的差異,進(jìn)行相同外徑的填砂竹節(jié)樁和圓管樁的靜載荷模型試驗,而后利用ABAQUS建立工程用填砂竹節(jié)樁和普通圓管樁的理論模型,利用有限元計算來研究其在承載力方面的差異。

        2 填砂竹節(jié)管樁的施工方法

        填砂竹節(jié)管樁作為一種新的復(fù)合樁型,現(xiàn)在還處于試驗研究階段,無法大規(guī)模地投入工程應(yīng)用,其相關(guān)的施工方法也不成熟,這里結(jié)合浙江寧波某樁廠所進(jìn)行的填砂竹節(jié)管樁的現(xiàn)場打樁試驗,來介紹填砂竹節(jié)管樁的施工方法。

        首先以確定好的樁位點為中心,打入鋼護(hù)筒,而后竹節(jié)管樁放在鋼護(hù)筒內(nèi)的樁位點上。護(hù)筒和樁就位后,在護(hù)筒內(nèi)填滿砂石,然后開始錘擊打樁,護(hù)筒內(nèi)的砂石會隨著樁的打入不斷的填充于樁和樁周土體之間,此時應(yīng)注意不斷的向鋼護(hù)筒內(nèi)補充砂石料,以保證填砂充盈率,直至將樁打入預(yù)定深度,形成竹節(jié)管樁,樁周砂石層和地基土共同組成的復(fù)合樁基,完成填砂竹節(jié)管樁的施工,見圖1。

        3 模型對比試驗研究

        填砂竹節(jié)管樁由于竹節(jié)和樁周砂石的存在,其在豎向承載性能方面上較普通預(yù)應(yīng)力圓管樁應(yīng)有明顯的優(yōu)勢,為了研究其性能優(yōu)勢,進(jìn)行了填砂竹節(jié)管樁和圓管樁的靜載荷模型試驗。所用的樁體、土和砂石的材料參數(shù)見表1。

        表1 材料參數(shù)

        模型箱的尺寸為70 cm×70 cm×65 cm;利用尼龍棒來制作竹節(jié)管樁和管樁的模型,見圖2。其中竹節(jié)樁竹節(jié)外徑的尺寸為45 mm,樁體直徑為36 mm,竹節(jié)間距100 mm,樁長為500 mm,為了保證試驗的可對比性,圓樁的直徑與竹節(jié)樁竹節(jié)外徑相同,樁長同樣為500 mm。土和砂石取自某建筑工地的軟粘土和砂料。兩種模型樁均采用錘擊方法沉樁,竹節(jié)管樁模型的填砂方式模擬上述套筒式填砂方法,見圖2。

        加載方式采用自主設(shè)計的杠桿式砝碼加載裝置,由于加砝碼的位置不同,每級荷載約為100 N,具體的數(shù)值由讀數(shù)儀表顯示;采用量程500 kg的LOAD CELL稱重傳感器,并連接終端顯示設(shè)備來測讀模型樁樁頂?shù)暮奢d;采用數(shù)顯位移千分表來直接讀取模型樁樁頂?shù)奈灰?。利用該裝置進(jìn)行兩種模型樁的室內(nèi)模擬靜載荷試驗,見圖3,將試驗所得的數(shù)據(jù)分析整理,分別繪制兩種模型樁的荷載位移曲線,見圖4。

        由圖4可以看出,當(dāng)樁頂荷載小于100 N時,兩種模型樁的樁頂位移相差很小,這說明當(dāng)荷載較小時,普通圓管樁和填砂竹節(jié)管樁的承載性能并無較大差距;當(dāng)荷載增加至100 N~300 N之間時,兩模型樁的荷載位移曲線有較明顯的差異,填砂竹節(jié)管樁的荷載位移曲線相對平緩很多,填砂竹節(jié)管樁的樁頂位移穩(wěn)定在1 mm以內(nèi),而圓管樁的樁頂位移隨荷載的增大增加較快,并且隨著荷載的增大,兩種樁型的樁頂位移沉降差也越來越大;當(dāng)樁頂荷載大于300 N時,圓管樁的位移迅速增大,荷載增加至587 N時,樁頂位移已經(jīng)大于0.5 cm,終止圓管樁的加載;而填砂竹節(jié)管樁一直持續(xù)加載至920 N后終止加載,此時的樁頂位移為0.42 cm。由以上分析可以看出,填砂竹節(jié)管樁具有更好的豎向承載性能和沉降特性,相同荷載下樁頂沉降更小。

        4 ABAQUS有限元對比分析

        ABAQUS是國際通用的大型有限元軟件之一,其對巖土工程問題有較強(qiáng)的適用性,利用ABAQUS軟件來建模分析計算填砂竹節(jié)管樁在豎向承載性能方面的優(yōu)勢,方便快捷且節(jié)省了現(xiàn)場試驗所需的大量人力物力。本文根據(jù)寧波某樁廠生產(chǎn)的樁型型號,分別建立了竹節(jié)外徑400 mm,樁體直徑350 mm的填砂竹節(jié)管樁(400-350型)和外徑400 mm的普通預(yù)應(yīng)力管樁的二維有限元模型,見圖5。

        接觸形式定義為罰接觸[9],參考相關(guān)文獻(xiàn)[10][11]確定的不同接觸面的摩擦系數(shù),樁土接觸面摩擦系數(shù)取為0.2,樁—砂石接觸面摩擦系數(shù)取為0.36,砂石—土接觸面摩擦系數(shù)取為0.3,土體和砂石的各項參數(shù)設(shè)置見表1,并根據(jù)剛性大小來判斷接觸對中的主從接觸面;在LOAD步給予樁頂40 mm豎向位移,采用位移法來控制樁頂荷載,而后采用CAX4(軸對稱四節(jié)點單元)為該模型劃分網(wǎng)格,所用土體和砂的各項參數(shù)如表1所示,并提交作業(yè)進(jìn)行計算,分別得到填砂竹節(jié)管樁和普通圓管樁荷載位移曲線對比圖,見圖6。

        由圖6有限元模擬的結(jié)果可以看出,當(dāng)樁頂荷載小于250 kN時,兩種樁型的樁頂沉降基本相同,承載性能沒有較大的差異;當(dāng)荷載大于250 kN時,圓管樁的樁頂沉降隨荷載的增大發(fā)展較快,兩條曲線有了較為明顯的差異,相同荷載下,填砂竹節(jié)管樁的樁頂位移小于普通圓管樁,且隨著荷載的增大,兩種樁型的樁頂沉降差不斷增大;當(dāng)樁頂位移達(dá)到40 mm時,填砂竹節(jié)管樁的樁頂荷載為689 kN,圓管樁的樁頂荷載為576 kN,填砂竹節(jié)管樁的承載力相較提高了19.6%左右。綜上ABAQUS有限元分析的結(jié)果可知,填砂竹節(jié)管樁具有更容易控制的樁頂沉降,且承載力較相同外徑的圓管樁有較大的提高。

        5 結(jié)語

        本文主要針對目前還處于研究開發(fā)階段填砂竹節(jié)管樁復(fù)合樁基展開模型和有限元模擬計算方面的研究,通過進(jìn)行相同外徑的填砂竹節(jié)管樁和普通圓管樁的室內(nèi)靜載荷模型試驗,而后通過建立兩種樁型的有限元模型,利用ABAQUS軟件進(jìn)行分析計算,得出以下結(jié)論:1)當(dāng)樁頂荷載較小時,兩種樁型的樁頂沉降隨荷載的變化并無明顯差異;當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大,普通圓管樁的樁頂沉降隨位移發(fā)展較快,填砂竹節(jié)管樁具有更容易控制的樁頂沉降。2)填砂竹節(jié)管樁極較與之竹節(jié)相同外徑的普通圓管樁的承載力提高了20.5%左右,填砂竹節(jié)管樁在提高樁基承載力的同時,節(jié)約了樁體材料,具有很好的工程推廣應(yīng)用前景。

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