饱和沙土中高频液压振动沉桩敏感性因素分析

2020-04-30谢建斌赵一锦孙孝海叶海涵林煌超

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2020年2期

陈伟，谢建斌，赵一锦，孙孝海，叶海涵，林煌超

(云南大学建筑与规划学院, 昆明650501)

在一带一路的推动下，云南省昆明市的公共基础设施正在加速建设.然而，昆明市处于四面环山地形、地质条件特别复杂的区域，在工程施工中会大大增加工程桩的难度.昆明市区车流量多，人口密集，都会影响到工程桩的沉桩效率和安全.因此，在选择任何一种沉桩工艺时都首先要考虑经济问题、沉桩质量、如何确保施工中的安全显得非常重要.目前，根据地形、地质条件如何选取工程桩的类型、支护桩和相配套的施工工艺已成为岩土工程领域研究的热点之一[1].

桩基础在岩土工程中应用广泛[2]，因为它具有承载力高、适应性强、施工速度快等特点.但是，桩基础作用在有水平作用力的情况下，容易对桩基础本身产生剪切破坏.因此，在有水平剪切荷载大的地区不易使用桩基础[3].到目前为止，国内常用的沉桩方法主要有三种：1)锤击法沉桩.适用于软土、砂土层中，采用该施工方法时会对周边环境产生巨大的噪声和振动[4]，对人体也会产生一定的危害.所以，在城市中心、人口密集区域使用该工艺日趋减少[5]；2)钻孔灌注桩.适用于任何土层中，钻孔效率高，钻孔时需要配合泥浆护壁[6]，施工成本较高.采用该工艺施工时，作业范围小且对周边要求较高；3)静压法沉桩.适用于泥炭质土、软土[7]，采用该方法施工时，需要静力液压桩机.该设备体积大且转移不便，对场地要求较高.采用该工艺在饱和砂土中施工时，容易出现桩头压爆、沉桩难等情况[8].

本文拟依托云南省昆明市昆纺旧址改造项目，该项目使用了高频液压振动对钢管桩实施沉桩.以此为依据，深入研究在饱和砂土中钢管桩高频液压振动沉桩机理，对其结果进行总结并优化沉桩工艺[9-11].

1 三维整体动力有限元模型的建立

分析钢管桩桩径(D)对钢管桩沉桩速率及桩周环境的影响[12-14].分别取桩径D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m，建立三维整体有限元计算模型.图1为各直径钢管桩示意图.

利用MIDAS-GTS NX有限元分析软件建立了如图2(A)所示的钢管桩直径为D=0.83 m的三维有限元模型，模型边界尺寸为：24 m×24 m×36 m，三维有限元模型包含了46 610个节点和79 098个单元；钢管桩与土之间采用截面单元，模型底部单元采用固定约束，钢管桩周边采用黏弹性边界模拟.

图1 不同直接的钢管桩

利用MIDAS-GTS NX有限元分析软件建立了如图2(B)所示的钢管桩直径为D=1.00 m的三维有限元模型，模型边界尺寸为：24 m×24 m×36 m，三维有限元模型包含了54 010个节点和93 942个单元；钢管桩与土之间采用截面单元，模型底部单元采用固定约束，钢管桩周边采用黏弹性边界模拟.

图2 不同桩径的三维动力模型

利用MIDAS-GTS NX有限元分析软件建立了如图3(A)所示的钢管桩直径为D=1.20 m的三维有限元模型，模型边界尺寸为：24 m×24 m×36 m，三维有限元模型包含了62 337个节点和10 518个单元；钢管桩与土之间采用截面单元，模型底部单元采用固定约束，钢管桩周边采用黏弹性边界模拟.

利用MIDAS-GTS NX有限元分析软件建立了如图3(B)所示的钢管桩直径为D=1.40 m的三维有限元模型，模型边界尺寸为：24 m×24 m×36 m，三维有限元模型包含了77 765个节点和128 277个单元；钢管桩与土之间采用截面单元，模型底部单元采用固定约束，钢管桩周边采用黏弹性边界模拟.

图3 不同桩径的三维动力模型

2 桩径敏感性计算结果分析

通过有限元模型计算钢管桩直径为D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m沉桩位移云图如图4(A)、(B)、(C)、(D)所示.

图4 不同桩径的位移场云图

如图5所示，可以看出钢管桩直径为D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m时，在这四种不同工况下沉桩位移变化曲线近似于一条直线.在10 s内，钢管桩直径为D=0.83 m时的沉桩位移量为-0.178 807 2 m、钢管桩直径为D=1.00 m时的沉桩位移量为-0.157 548 6 m、钢管桩直径为D=1.20 m时的沉桩位移量为-0.140 189 9m、钢管桩直径为D=1.40 m时的沉桩位移量为-0.114 751 m.从图中可以看出，钢管桩在沉桩过程中钢管桩的直径越大会导致沉桩位移减小.假设每根钢管桩的厚度都是一样的，如果钢管桩直径增加时必然会导致钢管桩内、外侧与土壤的接触面积变大，使得钢管桩的内摩阻力和外摩阻力增大容易引起钢管桩在沉桩的过程中偏离中心点、沉桩效率低、沉桩难度大等一系列问题.因此，下沉钢管桩的沉桩位移随着钢管桩直径增加而减小.

图5 不同桩径的钢管桩沉桩位移曲线

钢管桩直径为D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40m的沉桩加速度云图如图6(A)～(D)所示.在钢管桩设置监测点，分别将D=0.83 m、D=1.00 m、D=1.20 m、D=1.40 m不同桩径下钢管桩沉桩加速度时程变化曲线进行对比，如图7所示.

图6 不同桩径的加速度场云图

图7 钢管桩桩端竖向加速度时程曲线

由图6可知，随着钢管桩直径不断增加，钢管桩端部的垂直加速度也在不断地减小.在动力沉桩10 s后，直径为D=0.83 m的钢管桩端部的垂直加速度值为2.7 m/s2，D=1.00 m的钢管桩端部的垂直加速度值为2.363 503 m/s2，D=1.20 m的钢管桩端部的垂直加速度值为2.107 723 m/s2，D=1.40 m的钢管桩端部的垂直加速度值为1.728 75 m/s2，分别与钢管桩直径为D=0.83 m相比加速度幅值减小了12.46%、21.94%、35.97%.随着钢管桩直径不断增大，钢管桩的内、外摩阻力也在不断的增大.因此，随着钢管桩直径的增大端部的垂直加速度也在逐渐地减小.

图8 不同桩径桩周地表土体竖向位移变化曲线

在工程中不仅要深入研究高频液压振动沉桩对周围土壤的影响还要深入研究钢管桩贯入位移量[15].图8通常研究土壤垂直加速、土壤垂直运动速率、土壤的垂直位移和沉降量时要考虑到不同桩径管壁的影响，研究过程中对比不同桩径可能会对周围土壤引起不同的运动情况.图9、10分别为不同桩径下地表竖向位移、地表竖向速度、地表竖向加速度对应的曲线.