砂土中内击沉管桩贯入过程颗粒流模拟

尹新生　洪　源

(吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程研究中心,长春　130118)



砂土中内击沉管桩贯入过程颗粒流模拟

尹新生洪源

(吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程研究中心,长春130118)

摘要：基于内击沉管灌注桩的独特沉桩过程,建立了先静压后内击的沉桩颗粒流模型,将模拟结果进行分析,对桩贯入土体宏观与微观力学响应进行了研究.通过分析土体细观变化模式，揭示沉桩过程中宏观响应的内在机理.

关键词：静压桩；内击桩；颗粒流

桩基础施工中,沉桩过程大体分为静压桩与锤击桩两种.静压桩具有低噪音,无振动,无污染的特点,但由于其施工机械自重大，对施工场地有较高的要求,在新填土、淤泥土及积水浸泡过的场地易陷机.锤击桩具有易于施工、质量控制方便、工期较短、造价较低等特点,但由于其施工过程高噪声、大振动、扰民严重.并且预压时土体受冲击荷载密实度会有所提高.因此使用由吉林省绿地建筑工程设计事务所毕建东所长提出的先沉管后内击的新型成桩形式对桩基础在城市特殊区域的应用具有重大现实意义.

1PFC3D

PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimension)即三维颗粒流程序[1].该方法是一种基于非连续介质力学的方法,并将颗粒体分离为离散单元集合.首先应用牛顿第二定律建立运动方程,然后采取动态松弛法进行迭代求解,求得颗粒体的整体运动形态.离散元方法与有限元方法相对比,取代了其宏观连续性假设,对于模拟岩土介质沉桩过程中出现的非线性大变形具有其独特的优势.

2内击沉管桩贯入过程模拟

2.1　模型建立

建立三维圆柱桩体模型与圆柱土体模型[2],具体尺寸见表1.

表1 模型参数

土体模型边界有墙体(WALL)模拟,为了减少因沉桩引起边界墙体的附加应力，以及出于模试验对称面上反对称力为零的考虑,墙体摩擦系数f设为0.法向刚度kn=5×107N/m,剪切刚度ks=5×107N/m,墙体固定不动,可认为是刚性边界.模型箱宽度与桩半径的比值W/Rmax=40>20,从而很大程度上避免了沉桩过程刚性边界效应的影响[3].具体模型见图1.

2.2　模型位移贯入曲线

通过对内击沉管桩贯入过程的PFC3D模拟,我们得出先静压后內击施工过程中桩底位移与时间的曲线关系,如图2.

图1 桩土模型

图2 模型位移贯入曲线

2.3　模型模拟结果与分析

通过PFC3D设置监测球[4](measurement sphere)对土体中的颗粒(ball)进行应力(s11,s22,s33)监测,得出的数据输入到MATLAB中绘制并得出相应的应力图.图3~图5分别为设备静压装置压桩入土深度分别为1m,2m,3m时应力图.图6~图8分别为设备內击装置锤击入土时锤击第1次、第3次、第6次的应力图.

图3 静压入土1m　　　　　　　　　　　图4 静压入土2m　　　　　　　　　　　图5 静压入土3m

图6 内压入土第1次　　　　　　　　　图7 内压入土第2次　　　　　　　　图8 内压入土第3次

通过对内击沉管桩施工过程中静压部分与內击部分的应力图进行分析,得到以下结果:

(1) 对比图3~图8可知,桩在静压过程中对土的影响范围较小,而桩在內击过程中对土的影响范围较大;

(2) 桩体贯入过程中土体表面桩周的位置应力相对集中,由图4、图5可知，在內击的时候桩周土仍然相对集中，但与桩底面的应力相比小了很多,因此在內击的应力图中表现的并不明显;

(3) 由图7可知,在內击的过程中桩底面的应力区域呈三角形，并且与静压底面的应力数值相比提高了很多;

(4) 由图8可知,在內击的过程中底面的应力继续增大后向45°方向应力有所发展.

3结论

利用PFC3D软件可以模拟内击沉管桩这样复杂的施工过程,达到理想的模拟结果.可见，离散元软件在岩土工程中的应用必将越来越广泛.同时综合以上简单地分析与阐述,对內击沉管桩贯入过程可以得出以下结论:

(1) 桩体贯入过程中,内击过程对土体的影响度远大于静压过程;

(2) 桩体贯入过程中,土体表面桩周的位置土体小范围隆起;

(3) 静压过程后桩底土体再次內击对密实度有所增加;

(4) 对内击压灌桩沉桩过程的全过程的模拟,可以再现沉桩过程中桩周土体的应力和位移的变化,对揭示内击压灌桩的承载机理提供了可靠的理论和数据的支持.

内击沉管桩对于现有的桩贯入形式是一种突破,利用静压桩与锤击桩的特点,摒弃两者的不足,使内击沉管桩从经济方面与实际施工方面更有优势.在不久的将来通过进一步的研究,争取使技术早日应用到工程中，从而体现其实际应用价值.

参考文献

[1] Itasca Consulting Group Inc.PFC3D(Particle Flow Code Three Dimensions),Version 3.1[R].Itasca Consulting Group Inc.:Minneapolis,2002.

[2] 周健,邓益兵,叶建忠.沙土中静压桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟[J].岩土工程学报,2009,31(4):501-507.

[3] BOLTON MD,GUI MW,GARNER J,et al.Centrifuge cone penetration tests in sand[J].Geotechnique,1999,49(4):543-552.

[4] 叶建忠,周健,韩冰.基于离散元理论的静压沉桩过程颗粒流数值模拟[J].岩土力学与工程学报,2007,26(S1):3058-3064.

Particle Flow Simulation of the Sand Sinking Pipe Pile Penetration

YIN Xin-sheng，HONG Yuan

(GreenBuildingEngineeringResearchCenterfortColdArea,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：Based on the pile-sinking process of the sinking pipe pile, established the particle flow model of static pressure before striking. The simulation results are analyzed, and the macro and micro mechanical response of pile penetration of soil are studied. Reveal the inner mechanism of the macroscopic response through the analysis of microstructure change pattern of soil.

Keywords:static pressure pile；strike pile；particle flow

中图分类号：TU 473.1

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)02-0025-03

作者简介：尹新生(1956~),男,吉林省长春市人,教授,硕士.

收稿日期：2014-10-24.