管桩支护水平位移数值模拟

2018-03-05姜洪峰郭浩天

吉林建筑大学学报 2018年1期

孙超姜洪峰郭浩天

(吉林建筑大学测绘与勘查工程学院,长春 130118)

0 引言

随着城市建设的不断发展,深基坑支护技术也在不断的丰富和完善,为确保基坑以及周边建(构)筑物、管线、道路等的安全,严苛的施工环境对基坑支护技术提出了挑战,但同时也促进了基坑支护技术不断丰富和完善.在传统的基坑支护技术的基础上,结合工程实际,涌现出了一些新的基坑支护技术,混凝土预制管桩就是其中之一,作为一种常见的挤土桩,常作为基础,具有单桩承载力高、造价低、施工速度快、穿透力强、成桩质量可靠等特点,一般情况下,软土、粘性土、粉土、砂土及全风化岩体等地层条件均可采用,因此在工业与民用建筑、铁路、公路、桥梁、港口、码头等工程中得到了广泛的应用.近些年管桩被用于基坑支护工程,除施工效率高,能迅速形成围护结构外,其挤土效应对桩间土还具有一定的挤密效果,尤其是闭口管桩,对于支护桩嵌入段土体抗力的提高作用十分显著,因而工程界逐步将管桩应用于基坑支护工程,预应力混凝土空心桩按截面形式可以分为管桩、空心方状,按混凝土等级强度等级可分为预应力高强度混凝土桩、预应力混凝土桩[1].本文运用三维连续体拉格朗日快速分析(FLAC3D)软件,分别在PHC(the pre-stressed high-intensity concrete)管桩壁厚、直径、弹性模量等变量下,模拟计算不同因素对支护结构变形(水平位移)的影响大小,在此基础上，分析影响管桩刚度的原因、预应力对抗裂弯矩检验值影响,从而为工程设计和施工提供参考.

1 管桩支护数值模拟

1.1 模型建立

深基坑采用预制PHC管桩支护,基坑宽5m,深5m,桩型为圆桩管桩,桩长15m,桩身材料选用C80混凝土,模拟土层为粉质黏土,计算模型以水平向右为x轴,长度取25m,垂直纸面向里为y轴,长度取1m，垂直向上为z轴,取25m,整个模型尺寸25m×1m×25m,共划分6 275个网格单元,8 067个节点.模型前后左右自由边界法向固定,边界处格节点速度、位移不变,模型底面x,y,z三个方向自由度固定,顶面为自由表面.计算示意及立体模型见图1、图2.

1.2 定义本构模型及参数

支挡结构所承受的土压力多为主动土压力,FLAC3D 数值模拟主动土压力时,采用Mohr-Coulomb模型更符合工程要求[2],支护桩体为均质各向同性连续介质材料,具有线性应力-应变性[3].故土体采用Mohr-Coulomb模型,支护桩采用Elastic模型,桩土物理力学参数见表1.

表1 桩、土物理力学参数Table 1 Physical mechanical parameters for pile and soil

2 数值模拟结果及分析

2.1 不同弹性模量下的结果及分析

模型初始应力平衡见图3,支护桩体的弹性模量分别为37.8GPa,47.8GPa,57.8GPa,67.8GPa时,进行数值模拟,其中弹性模量最小37.8GPa、最大67.8GPa时的桩体位移云图见图4、图5,位移曲线见图6.

图6表明,预应力管桩桩顶水平位移分别为4.4993e-5m,3.5189e-5m,2.9722e-5m,2.5225e-5m,随支护桩体混凝土弹性模量的增加,桩体水平位移逐渐减小.在开挖面以上,水平位移减小幅度最为明显,开挖面以下由于土体的约束作用,水平位移减小幅度呈降低趋势,由此可知,增加支护桩体弹性模量,使桩身整体刚度增加,从而使水平位移减小,弹性模量对支护桩体水平位移影响近似线性.

图6 不同弹性模量值的桩体位移Fig.6 Displacement of pile under different elastic modulus values

图7 不同壁厚桩体位移曲线Fig.7 Displacement curves of piles with different wall thickness

2.2 不同壁厚下的结果及分析

支护桩体内径不变,壁厚分别为0.1m,0.2m,0.3m时,进行数值模拟,其中壁厚最小、最大时的桩体位移曲线见图7,位移云图见图8.

图8表明,增加管桩壁厚,支护桩体水平位移减小,且开挖面以上随壁厚增加,水平位移减小幅度增加,开挖面以下由于土体的约束作用,水平位移几乎不变,由此可知,内径不变下,增加壁厚,减小支护桩体位移效果明显.

图8 壁厚0.1m,0.3m时位移云图Fig.8 Displacement nephogram of wall thickness 0.1m and 0.3m

图9 外半径0.2m,0.45m时位移云图Fig.9 Displacement nephogram of external radius 0.2m and 0.45m

2.3 不同外径下的结果及分析

支护桩体壁厚(0.1m)不变,通过增加内半径,使外半径分别为0.2m,0.3m,0.4m,0.45m时,进行数值模拟,其中外半径最小、最大时的桩体位移云图见图9,位移曲线见图10.

图10表明,管桩壁厚不变,随外径的增加,支护桩桩顶水平位移呈非线性减小,外径增大,使管桩惯性矩、刚度增大,直接导致支护管桩水平位移减小,随深度增加,在开挖面以下,土体对支护桩体有约束作用,管桩外径增加对水平位移影响很小.

图10 不同外半径桩体位移曲线图Fig.10 Displacement curves of piles with different external radius

图11 管桩壁厚示意Fig.11 Schematic of pipe pile wall thickness

图11(c)的截面惯性矩大于图11(b),图11(b)的截面惯性矩大于图11(a),其原因是内半径r不变时壁厚δ变化对管桩刚度的影响大于壁厚δ不变时内半径r变化对管桩刚度的影响,所以理论上在其他条件相同的情况下,增加壁厚δ可减小管桩水平位移,且效果比增加内半径r好.但在实际工程中因施工、周围环境复杂条件所限,大多数情况下不允许增加壁厚,因为维持内半径不变,增加壁厚,会增加挤土效应,对周围建筑物及施工影响较大,容易引起支护桩体水平位移、上浮及断桩,因此,在管桩支护设计时,要综合考虑,在消耗成本最小的情况下,取得最好的效果.

3 预应力对水平位移影响的分析

钢筋混凝土构件加载开裂时,截面刚度变小,从而导致整个构件刚度减小[4].弯矩值小于抗裂弯矩值时,刚度没有损失,当大于抗裂弯矩值时,刚度急剧减小,不同型号的桩,都有这一规律,预应力越大,管桩的刚度降低幅度越小越慢,所以,增加预应力能有效降低支护管桩水平位移.

《预应力管桩规范》[5]数据(见表2)表明,抗裂弯矩增加幅度随着预应力增加呈减小趋势.

表2 预应力高强混凝土管桩的配筋和力学性能Table 2 Mechanical properties of pre-stressed reinforcement and concrete pipe pile

表2表明,管桩外径300mm,壁厚70mm,混凝土有效预压力3.8MPa,抗裂弯矩检验值23kN·m,预应力增加1.5MPa,抗裂弯矩检验值增加5kN·m.

如想抗裂弯矩检验值再增5kN.m,则预应力需增加1.9MPa,要获得相同的增幅,就需增加更大的预应力.所以,增加预应力可以延迟管桩的开裂,从而推迟刚度的降低,使管桩变形减小,水平位移也减小,预应力与管桩抗裂弯矩检验值之间呈非线性关系.在某种情况下,如一味通过增加预应力来增加管桩的抗裂弯度或减小管桩的变形是不经济的.