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軟土地基預(yù)制樁沉樁對(duì)樁周土體擾動(dòng)研究

2024-01-10 07:22:02張軍菲鄭昆鵬邊曉亞
關(guān)鍵詞:沉樁泊松比樁體

張軍菲,鄭昆鵬,邊曉亞

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司,湖北 武漢 430070;2.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430074)

隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”戰(zhàn)略推進(jìn),我國(guó)東部沿海城市和港口迎來(lái)新的發(fā)展。然而,東部沿海地區(qū)地層主要為軟土,土體工程性質(zhì)較差,高層建筑一般采用樁基礎(chǔ)等深基礎(chǔ)作為建筑物的下部結(jié)構(gòu)[1]。預(yù)制樁作為擠土樁或部分?jǐn)D土樁,在沉樁過程中會(huì)擠壓周圍土體,擾動(dòng)土體結(jié)構(gòu),改變土體的應(yīng)力狀態(tài),使周圍土體工程性質(zhì)降低,影響樁基承載力[2]。軟土土體工程性質(zhì)特殊,軟土含水量較高,顆粒之間接合力較弱,因此其抗剪強(qiáng)度和承載能力相對(duì)較低,同時(shí)軟土還具有較大的壓縮變形和沉降特性,所以預(yù)制樁沉樁過程產(chǎn)生的擠土效應(yīng)相較于其他土層更加嚴(yán)重。

目前,對(duì)擠土效應(yīng)的研究主要有理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬3種方法。20世紀(jì)70年代,Butterfield團(tuán)隊(duì)首次在平面問題的條件下引入沉樁問題,并用小孔擴(kuò)張理論解決此問題[3]。此后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論分析方面取得豐富的研究成果[4-6]。但預(yù)制樁沉樁是一個(gè)動(dòng)態(tài)貫入的過程,理論分析不能綜合考慮樁體貫入時(shí)樁土之間的相互作用。為了還原真實(shí)的沉樁過程,學(xué)者們展開了相關(guān)試驗(yàn)及數(shù)值模擬。萬(wàn)星等[7]開展了大面積預(yù)制方樁錘擊貫入的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究;Li等[8]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量了沉樁對(duì)已有公路路堤的影響;陸燁等[9]基于DIC技術(shù)開展了砂土地基中靜壓樁沉樁的室內(nèi)半樁模型試驗(yàn);馬曉冬等[10]采用ABAQUS更新拉格朗日法,對(duì)打入樁沉樁過程中樁周土體的位移和孔隙水壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究;肖勇杰等[11]采用ALE有限元方法,對(duì)開口管樁高頻振動(dòng)貫入過程中擠土效應(yīng)、樁側(cè)阻力和土塞效應(yīng)的變化規(guī)律進(jìn)行研究;魏麗敏等[12]采用CEL有限元分析方法,研究了靜壓?jiǎn)螛稑吨芪灰茍?chǎng)變化規(guī)律。

綜上所述,已有研究主要針對(duì)沉樁完成后樁周土體位移和應(yīng)力的分布規(guī)律,而對(duì)沉樁過程中樁周土體響應(yīng)變化的討論較少。因樁體拖曳,樁周土體的位移和應(yīng)力達(dá)到最大值后會(huì)有所減?。?3]。因此,為探究預(yù)制樁沉樁對(duì)樁周土體的擾動(dòng)規(guī)律,本文采用有限元分析軟件ABAQUS自帶的耦合歐拉-拉格朗日方法(CEL方法)對(duì)預(yù)制樁沉樁過程進(jìn)行模擬,得到沉樁過程中樁周土體位移和應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律,以及沉樁完成后樁周土體位移和應(yīng)力的分布規(guī)律,所得結(jié)論可為工程實(shí)踐和類似研究提供參考。

1 模型建立

樁體采用拉格朗日體建模,單元類型為C3D8R(8節(jié)點(diǎn)線性六面體單元,減縮積分,沙漏控制),將其綁定為剛體,采用彈性本構(gòu)模型,樁體尺寸為12 m×0.4 m(樁長(zhǎng)×樁徑)。

沉樁問題是空間軸對(duì)稱問題,因此建立1/4模型,為了盡量減少邊界效應(yīng)的影響,設(shè)置土體尺寸長(zhǎng)×寬×高為8 m×8 m×25 m,土體采用歐拉體進(jìn)行描述,在頂部1 m范圍內(nèi)設(shè)置為歐拉空域,用于容納地表隆起的土體,采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。單元類型為EC3D8R(8節(jié)點(diǎn)線性歐拉六面體單元,減縮積分,沙漏控制),為了保證計(jì)算效率及確保計(jì)算結(jié)果精確,對(duì)靠近樁體部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,靠近樁體的網(wǎng)格尺寸采用D/W=4(D為樁徑,W為網(wǎng)格尺寸)。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

在模型四周及底部施加數(shù)值為0的法向速度,限制歐拉體流出模型邊界。接觸條件參考文獻(xiàn)[12]進(jìn)行設(shè)置,樁土之間的接觸采用通用接觸,分別用法向接觸和切向接觸描述樁土之間的法向和切向行為,法向接觸采用“硬接觸”進(jìn)行描述,切向接觸采用“罰函數(shù)”進(jìn)行描述,其中樁土界面摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取0.1。

設(shè)置兩個(gè)分析步,第一個(gè)分析步是地應(yīng)力平衡分析步,分析步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 s,在預(yù)定義場(chǎng)施加地應(yīng)力及對(duì)應(yīng)坐標(biāo),同時(shí)給定相應(yīng)的側(cè)向土壓力系數(shù)。在豎直方向施加-9.8 m/s2的重力加速度進(jìn)行地應(yīng)力平衡。第二個(gè)分析步是沉樁分析步,采用位移貫入法,在樁頂Z方向施加-12 m的位移來(lái)模擬樁體貫入土體的過程,分析步長(zhǎng)設(shè)為60 s,即沉樁速度為0.2 m/s,文獻(xiàn)[14]對(duì)沉樁速度為0.2 m/s的收斂性進(jìn)行了分析。設(shè)置示蹤粒子對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體進(jìn)行追蹤,通過示蹤粒子記錄的位移變量輸出土體位移。

本文土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型,樁-土摩擦系數(shù)f=0.1,其他計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 土體和樁體參數(shù)

2 樁周土體位移規(guī)律

2.1 沉樁過程中土體位移變化規(guī)律

為了研究沉樁過程中樁周土體的位移規(guī)律,以6 m深度處土體為例,對(duì)沉樁過程中距樁芯不同距離土體的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析。

圖2為沉樁過程中6 m深度處土體水平位移和豎向位移的響應(yīng)規(guī)律。由圖2(a)可以看出,當(dāng)沉樁深度到達(dá)4 m時(shí),土體開始移動(dòng),并且在沉樁深度為5~6 m時(shí),土體位移迅速增加并達(dá)到最大值,之后再減小,最后趨于穩(wěn)定。這主要因?yàn)闃秱?cè)土體受樁體拖曳的影響,樁尖上方樁身附近土體向樁身方向移動(dòng),隨著距樁中心距離的增加,拖曳力影響逐漸減弱。由圖2(b)可以看出,沉樁過程中樁周土體的豎向位移的響應(yīng)規(guī)律與水平位移的響應(yīng)規(guī)律相似,位移最大值均出現(xiàn)在6 m深度左右。區(qū)別在于,近樁處土體的豎向位移大于水平位移,且距樁中心為1R時(shí),前者約為后者的兩倍,但豎向位移受拖曳力影響小于水平位移,如距樁中心1R處土體水平位移達(dá)最大值0.096 m后減小為0.087 m,約減小0.01 m,但豎向位移由0.217 m減小為0.212 m,僅減小約0.005 m,且隨著沉樁深度的增加,土體豎向位移又基本恢復(fù)到最大值。距樁中心2R處土體水平位移到達(dá)最大值后明顯減小,但豎向位移基本趨于穩(wěn)定。隨著距樁中心距離的增加,拖曳力對(duì)水平位移和豎向位移的影響均逐漸減弱。

圖2 沉樁過程中土體位移變化規(guī)律(6 m深度處)

2.2 沉樁完成后土體位移分布規(guī)律

為了研究沉樁完成后樁周土體位移的分布規(guī)律,提取樁周土體的位移,圖3為沉樁完成后土體位移徑向分布規(guī)律(圖中H為土體深度),圖4為沉樁完成后土體位移豎向分布規(guī)律(以距樁中心3R、6R、9R處土體為例)。

圖3 沉樁完成后土體位移徑向分布

圖4 沉樁完成后土體位移豎向分布

由圖3可以看出,樁周土體的水平位移隨著距樁中心距離的增加呈對(duì)數(shù)形式減小,地表處水平位移小于樁身范圍內(nèi)土體的水平位移。樁周土體的豎向位移在地表1.5 m范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為向上隆起,貼近樁體區(qū)域部分因樁體拖曳力的作用下沉,除地表外樁周土體的豎向位移呈對(duì)數(shù)形式減小,地表處土體表現(xiàn)為向上隆起,約在1.5R處隆起值達(dá)到最大值,之后隨著距樁中心距離增加,隆起值逐漸減小。

由圖4可以看出,樁周3R處土體地表水平位移迅速減小,之后隨土體深度增加,呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定、在樁尖附近達(dá)到最大值、在樁尖下部迅速減小的趨勢(shì)。樁周3R處土體的豎向位移在1.5 m深度以上表現(xiàn)為向上隆起,在1.5 m以下表現(xiàn)為下沉,并在4 m左右達(dá)到最大值,之后緩慢減小,在樁尖下部迅速減小。距樁中心6R和9R處土體的位移趨勢(shì)與距樁中心3R處土體的位移趨勢(shì)相似,不再贅述。

分析圖3和圖4可知,沉樁過程中近樁處土體會(huì)產(chǎn)生較大的豎向位移和水平位移,但遠(yuǎn)樁處土體主要表現(xiàn)為水平位移,當(dāng)距樁中心1.5 m時(shí),土體豎向位移遠(yuǎn)小于其水平位移。

3 參數(shù)分析

相關(guān)研究表明,改變土體參數(shù)會(huì)對(duì)擠土位移產(chǎn)生較大影響,特別是土體彈性模量和泊松比,因?yàn)閺椥阅A亢筒此杀戎苯雨P(guān)系到土壤的變形特性和剛度,而擠土位移正是由于土體受到外力作用而發(fā)生變形導(dǎo)致的[11,15-16]。因此本文主要對(duì)彈性模量、泊松比對(duì)擠土效應(yīng)進(jìn)行了分析。

3.1 彈性模量對(duì)樁周土體位移的影響

為研究土體彈性模量對(duì)樁周土體位移的影響,對(duì)彈性模量為10 MPa、20 MPa、30 MPa的土體進(jìn)行研究。圖5為彈性模量對(duì)距樁中心3R、6R處土體水平位移和豎向位移的影響曲線。由圖5(a)可知,彈性模量不同時(shí),樁周土體水平位移分布規(guī)律相似,且樁周土體的水平位移值相差較小,說明彈性模量對(duì)樁周土體水平位移較小。由圖5(b)可以看出,隨著彈性模量的增加,樁周土體豎向位移逐漸增加,以距樁中心3R處土體最大向下豎向位移為例,當(dāng)彈性模量由10 MPa增加至20 MPa和30 MPa時(shí),樁周土體豎向位移由0.039 1 m增加為0.047 6 m和0.050 5 m,分別增加21.7%和29.2%。

圖5 彈性模量對(duì)樁周土體位移的影響曲線

3.2 泊松比對(duì)樁周土體位移的影響

為研究泊松比對(duì)樁周土體位移的影響,分別對(duì)土體泊松比為0.32、0.4、0.48時(shí)的土體進(jìn)行研究。圖6為沉樁完成后泊松比對(duì)距樁中心3R、6R處土體水平位移和豎向位移的影響曲線。由圖6(a)可以看出,隨著泊松比的增加,土體水平位移逐漸增加,以距樁中心3R處土體最大向下豎向位移為例,當(dāng)泊松比由0.32增加至0.4和0.48時(shí),樁周土體徑向位移由0.034 2 m增加為0.041 7 m和0.042 1 m,分別增加21.9%和23.1%,隨著距樁中心距離的增加,這種變化趨勢(shì)仍然明顯。由圖6(b)可以看出,距樁中心3R處,隨著泊松比的增加,土體豎向位移逐漸增加,當(dāng)泊松比由0.32增加至0.4和0.48時(shí),樁周土體豎向位移由0.039 m增加為0.040 1 m和0.051 7 m,分別增加2.8%和32.6%。距樁中心6R處土體豎向位移受泊松比影響較小。

圖6 泊松比對(duì)樁周土體位移的影響曲線

4 結(jié)論

采用CEL方法對(duì)軟土地基預(yù)制樁沉樁的擾動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究,分析了沉樁過程中和沉樁后樁周土體位移的變化規(guī)律,并對(duì)影響土體位移的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下:

(1)沉樁過程中,當(dāng)沉樁到達(dá)相應(yīng)深度時(shí),靠近樁身的土體受到樁體拖曳,徑向位移先增加后減小,隨著距樁中心距離的增加影響程度逐漸減弱。

(2)沉樁后,樁周土體徑向位移分布沿徑向呈對(duì)數(shù)形式衰減,近樁處土體豎向位移大于徑向位移,當(dāng)距樁中心距離大于1.5 m時(shí),土體位移主要表現(xiàn)為徑向位移。

(3)土體彈性模量和泊松比的大小影響樁周土體的位移,隨著彈性模量的增加,樁周土體豎向位移逐漸增加,隨著泊松比的增加,土體徑向位移和豎向位移均增加。

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