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        側(cè)肢位置對(duì)側(cè)嵌式管樁承載性狀的影響

        2023-01-03 21:24:11劉東輝常文凱徐麗娜王若竹
        河南建材 2022年1期
        關(guān)鍵詞:管樁塑性樁基

        劉東輝 常文凱 翟 蓮 徐麗娜 王若竹

        吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院(130118)

        0 引言

        在側(cè)嵌式管樁的基礎(chǔ)上,要綜合各個(gè)方面考慮新型樁的經(jīng)濟(jì)效益、施工可行性及側(cè)肢壓入土體的張壓設(shè)備的選擇,并為其投入施工現(xiàn)場(chǎng)使用提供理論依據(jù)和技術(shù)上的支持。試驗(yàn)對(duì)側(cè)嵌式管樁的側(cè)肢不同位置的布置進(jìn)行了豎向及水平荷載的承載性能的研究,并進(jìn)行了ABQUS 的模擬,得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與有限元分析變化的趨勢(shì)基本保持一致。但由于ABQUS 的模擬與實(shí)際工程當(dāng)中有一定的差異,從而試驗(yàn)與理論分析也會(huì)有不同。側(cè)肢在豎向荷載作用下在側(cè)嵌式管樁上起到了一定的承擔(dān)荷載作用,承載力較普通的混凝土管樁的承受能力大。實(shí)驗(yàn)表明,在樁身下部密布一定數(shù)量的側(cè)肢會(huì)有效的提高側(cè)嵌式管樁的極限承載力,從而更有效的控制樁身沉降,使樁基基礎(chǔ)更加牢靠。

        如果在水平荷載的作用下,側(cè)肢在側(cè)嵌式管樁上也會(huì)起到一定的承載能力作用,隨著水平荷載的增加,管樁的水平位移會(huì)隨著樁身進(jìn)入土體的深度增加而逐漸的減小,此時(shí)水平荷載的繼續(xù)增加會(huì)使土體產(chǎn)生塑性變形,樁身的水平位移會(huì)繼續(xù)增大。實(shí)驗(yàn)表明,在側(cè)嵌式管樁上部布置一定數(shù)量的側(cè)肢會(huì)有效的提高管樁的承載能力,從而還可以降低最大彎矩,實(shí)現(xiàn)樁基基礎(chǔ)較高的承載能力,提高施工效率,節(jié)約成本。

        1 豎向承載性狀的影響

        1.1 理論基礎(chǔ)

        以有限元模擬為理論基礎(chǔ),研究了不同的側(cè)肢位置對(duì)側(cè)嵌式管樁承載能力和變形性能的影響,研究表明[1],樁身在豎直及水平荷載作用下軸力成一定的規(guī)律變化,試驗(yàn)制作3 層側(cè)肢在樁身兩側(cè)布置,樁身至埋置土體深度由上到下依次分為3 層,當(dāng)施加豎向荷載很小時(shí),樁身帶動(dòng)周?chē)馏w產(chǎn)生向下的豎向位移,隨著第1 層側(cè)肢附近的土體也向下移動(dòng),此時(shí)第1 層側(cè)肢對(duì)土體的影響范圍比第2 層第3 層側(cè)肢影響較大,樁身上側(cè)的軸力也會(huì)變大,并產(chǎn)生側(cè)摩阻力,側(cè)肢下部及樁身以下軸力較小,此時(shí)表明樁身上部的側(cè)摩阻力主要承擔(dān)豎向的荷載[2]。隨著豎向荷載的不斷增加,樁身與土之間產(chǎn)生相對(duì)位移,樁身自身向下的位移不斷增大,樁周?chē)馏w絕大部分位移分布區(qū)域不斷擴(kuò)大,并向樁身以下迅速延伸,1~3 層的側(cè)肢逐漸發(fā)揮作用,樁身側(cè)肢的軸力也隨著埋置土體的深度迅速增大,這表明此時(shí)樁身側(cè)肢主要承受豎向荷載的作用,由此說(shuō)明,側(cè)肢的位置埋置深度是影響側(cè)嵌式管樁承載能力的重要因素之一[3]。

        1.2 分析結(jié)果

        在有限元分析的過(guò)程中,在有3 層側(cè)肢的側(cè)嵌式管樁承受豎向荷載的情況下,側(cè)肢附近的土體塑性應(yīng)變會(huì)隨著荷載的不斷增加而發(fā)生變化[4]。隨著荷載的增加,土體的塑性應(yīng)變首先出現(xiàn)在第1 層側(cè)肢附近,此時(shí)的塑性應(yīng)變較小,第2 層第3 層側(cè)肢也有較小的變化,但此時(shí)主要表現(xiàn)在第1 層,荷載隨后逐漸增大,樁身周?chē)馏w開(kāi)始隨著側(cè)肢逐漸向下移動(dòng),塑性應(yīng)變的變化也隨著側(cè)肢層數(shù)逐級(jí)遞減,但第3 層側(cè)肢周?chē)馏w的塑性應(yīng)變變化幅度最小[5]。因此,當(dāng)豎向加載荷載很小時(shí),上層側(cè)肢承受豎向荷載比較小,抗側(cè)摩阻力也比較小,但各層土體底部受到荷載擠壓影響較大,當(dāng)達(dá)到一定荷載時(shí),第1 層第2 層側(cè)肢底部土體塑性應(yīng)變數(shù)值不斷增大,但塑性應(yīng)變影響區(qū)域?qū)⒉辉俑淖?,只是豎向荷載的數(shù)值不斷增加,但在第3 層側(cè)肢區(qū)域土體塑性應(yīng)變會(huì)顯著增加[6]。此時(shí)第3 層側(cè)肢附近土體的塑性應(yīng)變區(qū)域會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上層側(cè)肢的應(yīng)變,這是由于承受了大部分的豎向荷載,而且土體的塑性應(yīng)變區(qū)域會(huì)一直朝著樁端方向不斷延伸,最后逐漸與樁端土體鏈接在一起共同承受荷載[7]。隨著加載不斷增大,側(cè)肢附近出現(xiàn)較大的塑性應(yīng)變,隨后樁身端處發(fā)生剪切破壞,這種剪切破壞發(fā)生較為緩慢,這時(shí)這種側(cè)嵌式管樁也到達(dá)了它的極限承載能力[8]。

        2 水平承載性狀的影響

        2.1 理論基礎(chǔ)

        在樁基基礎(chǔ)工程領(lǐng)域當(dāng)中,管樁有時(shí)會(huì)承受不同的荷載類(lèi)型,如風(fēng)荷載、地震荷載及車(chē)輛荷載等,因此,管樁承受的水平荷載在基礎(chǔ)工程中也越來(lái)越重要,同時(shí)也管樁基于水平荷載的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)重要工作。有限元分析結(jié)果表明[9],側(cè)嵌式管樁樁頂及樁身的水平位移都會(huì)隨著水平荷載的增大而增大,特別是在荷載的加載部位,會(huì)產(chǎn)生最大的水平位移。隨著荷載的繼續(xù)增加,樁身的水平位移會(huì)隨著樁身進(jìn)入土體的深度增大而減小,樁身周?chē)馏w會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變變形,加載位置的橫向水平位移會(huì)不斷加大,彎矩也會(huì)隨著樁身深入土體的深度增加而增大[10]。

        2.2 分析結(jié)果

        在側(cè)嵌式管樁樁身設(shè)置一定層數(shù)的側(cè)肢,在樁頂施加水平荷載,試驗(yàn)結(jié)果表明,每層的側(cè)肢會(huì)使側(cè)嵌式管樁樁頂?shù)乃轿灰茰p小,從而有效的抵抗水平荷載[11]。研究還發(fā)現(xiàn),每層側(cè)肢的位置越靠近樁頂,樁頂?shù)乃轿灰频淖兓驮叫。@就說(shuō)明有側(cè)肢發(fā)揮的承載力就越高,而且側(cè)肢位置的設(shè)置對(duì)側(cè)嵌式管樁的最大彎矩也有很大的影響[12]。因此,側(cè)嵌式管樁的側(cè)肢應(yīng)設(shè)置在樁頂位置更有利于發(fā)揮承載作用。

        3 結(jié)論與展望

        在豎向承載的作用下試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)早期豎向荷載比較小,側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁上部更有利于在早期承擔(dān)豎向荷載,但此時(shí)承擔(dān)豎向荷載的時(shí)間有限,承載能力有限,因此,在豎向荷載較小時(shí)可以把側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁的上部,沉降量也相對(duì)于設(shè)置在樁身下部時(shí)較小[13]。當(dāng)側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁的下部時(shí),此時(shí)側(cè)肢的承載能力很小,不能承擔(dān)大部分的豎向荷載,隨著荷載增加,下部側(cè)肢開(kāi)始逐步承擔(dān)豎向荷載,此時(shí)的沉降量較大[14]。但在側(cè)肢數(shù)量相同的情況下,側(cè)肢位置設(shè)置在側(cè)嵌式管樁上部的時(shí)候最終的樁身沉降量要小于側(cè)肢位置設(shè)置在下部的最終沉降量,試驗(yàn)結(jié)果還顯示[15],當(dāng)豎向荷載增加到極限荷載3 300 kN時(shí),1~3 層的側(cè)肢及樁身周?chē)耐馏w豎向位移基本接近,各個(gè)層側(cè)肢周?chē)馏w的影響范圍也大致相同,這說(shuō)明各個(gè)側(cè)肢周?chē)馏w已完全發(fā)揮承載能力的作用,達(dá)到極限承載能力作用后,樁身周?chē)馏w主要在各個(gè)側(cè)肢附近,土體主要集中在各個(gè)側(cè)肢以下區(qū)域很小的范圍內(nèi),充分發(fā)揮了側(cè)肢承載作用[16]。

        在水平承載的作用下試驗(yàn)結(jié)果表明[17],側(cè)肢對(duì)于側(cè)嵌式管樁可以提高水平承載力、抵抗塑性變形、降低截面最大彎矩,側(cè)肢位置越靠樁頂布置水平承載能力越強(qiáng),可以充分發(fā)揮水平承載作用,因此應(yīng)該盡可能的靠樁頂布置。由此可見(jiàn)[18],隨著加載荷載的不斷增加,每個(gè)層側(cè)肢在側(cè)嵌式管樁上不斷發(fā)揮承載作用,這也是側(cè)嵌式管樁承載能力比一般的普通管樁承載能力更強(qiáng)的一個(gè)重要因素。

        隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,在建筑結(jié)構(gòu)上對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的要求進(jìn)一步提高,混凝土管樁在實(shí)際工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用,而在研究過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),旨在增加樁長(zhǎng)與樁徑達(dá)到一定程度時(shí),也并不能直接有效的提高單樁承載力[19]。在工程通常情況下[20],為了進(jìn)一步提高混凝土管樁樁基的承載力,文章提出的一種新型樁側(cè)嵌式管樁,也為實(shí)際應(yīng)用奠定了理論與試驗(yàn)基礎(chǔ),提供了一定的參考價(jià)值。因此通過(guò)這種側(cè)嵌式管樁可以改善管樁的樁型,提高施工工藝,降低混凝土用量,節(jié)約成本,如果可以投入使用將來(lái)會(huì)有很大的技術(shù)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)效益,也會(huì)為土木工程樁基基礎(chǔ)領(lǐng)域帶來(lái)前所未有的改變。

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