呂曉光,高 鵬,胡延武,李浩男
(1.安徽省城建基礎(chǔ)工程有限公司,安徽 合肥 230002;2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
大直徑預(yù)應(yīng)力混凝土管樁憑借其樁體強(qiáng)度高、樁體承載力高、施工限制小、施工方便、環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用[1]。
橋梁建設(shè)中廣泛采用大直徑管樁基礎(chǔ),目前已有大量學(xué)者對(duì)大直徑管樁的承載性能、側(cè)摩阻力和土塞效應(yīng)發(fā)表了大量報(bào)道[2-3]。確定大直徑管樁承載性能常用的方法是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn),但由于其成本較高且環(huán)境限制較大,尤其是大直徑管樁基礎(chǔ),開展現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的難度較高。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作,并且已經(jīng)有許多的確定單樁極限承載力的經(jīng)驗(yàn)公式,但是由于成樁工藝、場(chǎng)地地質(zhì)條件的不同,樁型、尺寸的不同,經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)用性受到局限[4-6]。此外大型橋梁大直徑管樁基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為匱乏,而為了更快、更便捷地獲取更多工程數(shù)據(jù)一般用數(shù)值軟件進(jìn)行模擬研究,已經(jīng)成為確定大直徑管樁的一種高效的方法。在樁基的設(shè)計(jì)中,其豎向承載性能與橫向承載性能,是非常重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[7-8]。因此,開展豎向荷載作用及橫向荷載作用下大直徑鋼管樁承載性能的數(shù)值模擬研究,對(duì)于確定地層中管樁的承載性能是十分重要的。
本文應(yīng)用FLAC3D軟件數(shù)值模擬大直徑管樁的承載性能,分析不同壁厚大直徑管樁的荷載承載性能,可為實(shí)際工程大直徑管樁的設(shè)計(jì)施工和檢測(cè)提供參考。
本次模擬大直徑樁樁長(zhǎng)45 m,樁徑3.5 m,土體采用摩爾-庫(kù)倫模型,樁體采用線彈性模型,密度取值為2 500 kg/m3,體積模量K=15.56 GPa 剪切模G=11.67 GPa。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與規(guī)范,本次建模取樁周土10倍樁徑范圍,樁端1倍樁長(zhǎng)為有效的檢測(cè)范圍,為有效節(jié)省計(jì)算時(shí)間取樁土的50%做計(jì)算并約束邊界條件,并且考慮初始地應(yīng)力條件。
本次模擬的大直徑管樁樁身采用radcylinder六面體漸變放射網(wǎng)格。為了模擬及對(duì)比方便,本次模擬忽略管樁各樁段的接頭影響。
本次將對(duì)三種大直徑管樁的模型進(jìn)行建構(gòu)。其樁體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。
1)管樁外徑3.5 m,內(nèi)徑1.5 m,樁壁厚100 cm;樁長(zhǎng)46 m,其中樁體露出地表1 m,地下埋藏45 m。
2)管樁外徑3.5 m,內(nèi)徑2.1 m,樁壁厚70 cm;樁長(zhǎng)46 m,其中樁體露出地表1 m,地下埋藏45 m。
3)管樁外徑3.5 m,內(nèi)徑3.2 m,樁壁厚15 cm;樁長(zhǎng)46 m,其中樁體露出地表1 m,地下埋藏45 m。該樁型壁厚為一般工程中大直徑管樁最大壁厚。
三種大直徑管樁的模型建構(gòu)圖如圖1~3所示。
圖1 壁厚100 cm管樁-土系統(tǒng)及樁體模型建構(gòu)
圖2 壁厚70 cm管樁-土系統(tǒng)及樁體模型建構(gòu)
圖3 壁厚15 cm管樁-土系統(tǒng)及樁體模型建構(gòu)
三種樁型的荷載-沉降曲線如圖4~6所示。從圖4~6可知,三種樁型的荷載-沉降曲線均為陡降型曲線,且壁厚100 cm管樁、壁厚70 cm管樁三者的加載前中期曲線直線段幾乎完全一致。而壁厚15 cm管樁的加載前中期曲線直線段曲線比前三者較陡,說(shuō)明該樁型在承受相同荷載時(shí)的樁頂沉降較大,其承受豎向荷載的能力相對(duì)其他三者較差。這是由于壁厚15 cm管樁樁身體積較小,其樁身能夠承受的彈性壓縮量較小,樁體位移主要為樁身的剛性位移。
圖4 壁厚100 cm管樁荷載-沉降曲線
圖5 壁厚70 cm管樁荷載-沉降曲線
圖6 壁厚15 cm管樁荷載-沉降曲線
三種樁型的荷載-沉降曲線的拐點(diǎn)明顯,且三種樁型加載前中期的直線段曲線十分接近。同時(shí),三種樁型的單樁承載力極限值均集中于79 000-82 000 kN。這是由于三種樁型均為大直徑深長(zhǎng)樁,根據(jù)模型土層參數(shù)可知四者均為摩擦樁,頂部施加荷載主要由樁側(cè)土體摩阻力承受。而三種樁型的外徑相同,則三者的樁側(cè)表面積相同,與樁側(cè)土體的接觸面積就相同。這使得當(dāng)樁側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮時(shí),三種樁型的豎向承載性能不會(huì)發(fā)生較大的變化,單樁承載力特征值也十分接近,集中在40 000 kN附近。
三種大直徑管樁的水平靜荷載模擬實(shí)驗(yàn)的模擬計(jì)算數(shù)據(jù)如圖7~9所示。
圖7 壁厚100 cm管樁樁頂數(shù)值模擬水平力-水平位移曲線
圖8 壁厚70 cm管樁樁頂數(shù)值模擬水平力-水平位移曲線
圖9 壁厚15 cm管樁樁頂數(shù)值模擬水平力-水平位移曲線
壁厚100 cm大直徑管樁的數(shù)值模擬水平承載力特征值為750 kN,水平承載力極限值取1 250 kN。
壁厚70 cm大直徑管樁的數(shù)值模擬水平承載力特征值為750 kN,水平承載力極限值取1 250 kN。
上述極限值對(duì)應(yīng)的樁頂位移為0.730 mm,不超過(guò)10 mm,滿足《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)的要求。
三種樁型的水平力-水平位移曲線的走向有較大的不同。自拐點(diǎn)之后,位移曲線進(jìn)入陡降段,樁頂位移隨水平荷載的增加而迅速增大,其增長(zhǎng)速率甚至超過(guò)相同荷載下的大直徑管樁。三者的水平力-水平位移曲線始終為非線性變化,呈現(xiàn)明顯的彈性變形和破壞不同階段變化。
在加載前期,三種樁型在相同荷載條件下的樁頂水平位移有明顯不同。其中,壁厚100 cm和壁厚70 cm的大直徑管樁兩者的樁頂位移十分接近,兩個(gè)曲線走勢(shì)一致。但可以看出,壁厚70 cm的大直徑管樁的樁頂位移始終略大于壁厚100 cm管樁。而壁厚15 cm的管樁的樁頂位移則要遠(yuǎn)大于前二種樁型。說(shuō)明小內(nèi)徑管樁的水平承載性能要優(yōu)于大內(nèi)徑的水平承載性能。這是由于水平受荷樁的承載力來(lái)源于樁側(cè)土壓力及樁體本身,當(dāng)樁側(cè)土壓力一致時(shí),樁體本身的承載性能將決定單樁水平承載性能。而內(nèi)徑較大的管樁本身體積較小,故承受水平荷載的能力也較弱。
1)三種樁型的單樁承載力極限值均集中于79 000~82 000 kN。這是由于三種樁型均為大直徑深長(zhǎng)樁,頂部施加荷載主要由樁側(cè)土體摩阻力承受。而三種樁型的外徑相同,使得當(dāng)樁側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮時(shí),三種樁型的豎向承載性能不會(huì)發(fā)生較大的變化。
2)三種樁型的樁身壓縮量對(duì)比圖中可以發(fā)現(xiàn),壁厚15 cm管樁在各級(jí)荷載下的樁身壓縮量遠(yuǎn)大于其他二種樁型,說(shuō)明樁身壁厚的大小會(huì)對(duì)樁體的承載性有直接影響。
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