直径850 mm振动沉管灌注桩沉桩过程数值模拟研究

2022-06-20马岷成王跃军郑亚林巩立斌

甘肃科学学报 2022年3期

马岷成,王跃军,郑亚林,巩立斌

(1.甘肃省建设设计咨询集团有限公司,甘肃兰州 730050;2.兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050)

随着全国经济发展实力的日益提高,高层建筑以及超高层建筑的技术建设与应用快速发展,桩基础的研究设计与使用量也在成倍增加,尤其在有效提高桩基承载力,减少地基沉降的新型桩上具有显著的优点[1]。在被广泛采用的深基础中,桩基础结构是最常用的形式之一,它不仅能较好满足各种荷载情况,而且也可以适应各种地质条件。

国外最早开始研究高频率振动打桩技术,1930年德国最先进行了高频率振动打桩试验[2],文献[3]中进行了室内模型试验,研究了模型桩在砂土中的沉桩特性。1980年前后,国内沿海发达城市在码头等地区开始研制锤击沉管桩并投入工程实践中[4],同期在浙江地区开始研究振动沉管桩,振动锤的设置大大提高了施工效率[5]。文献[6-8]中研究表明,灌注桩可以改善不良地基诱发的灾害,桩端后压浆形成的加固体,其强度随时间的推移而发生增长,桩端后压浆存在时间效应。文献[9-10]中针对灌注桩桩基承载力进行了探究,表明海上桩基础施工,对设备性能依赖程度较高,选择合适的设备可以大大加快施工进度并保证工程质量。但是在湿陷性黄土等不利地质条件下使用振动沉管灌注桩时,由于建筑高度的增长,所需的承载力越来越大,目前市场投入使用的最大桩径为426 mm,难以满足工程需要,所以对大直径振动沉管灌注桩进行研究是必要的。

前人研究主要针对现场工程实例,由于在现场开展科学试验存在局限性,未能在危险截面布置大量的传感器,受施工工期、经济成本等因素影响,对大直径沉管灌注桩在沉桩过程中的力学特性研究相对较少。本次研究利用ABAQUS有限元软件,建立了可以充分考虑土体大变形、地应力平衡、桩土界面摩擦和沉桩过程中的应力场和位移场等复杂工况的三维桩土模型,在加载与渗流耦合工况下进行湿陷性模拟,预测湿陷量,以期为大直径灌注桩在湿陷性黄土地区的施工提供一定的技术指导。

1 实例分析

1.1 工程地质条件

建筑场地坐落于甘肃省天水市,土质属于湿陷性黄土,地貌单元属于天水籍河二级阶地[11],基础采用大直径振动沉管灌注桩,最大桩径为850 mm,桩长为15 m,桩端嵌入圆砾层,土层参数如表1所列。

表1 试验场地各土层参数Table 1 Parameters of each soil layer on test site

1.2 大直径振动沉管灌注桩施工

湿陷性黄土是一种特殊土,湿陷的发生是由于自身结构的外在因素诱发引起的状态变化,内因和外因缺一不可[12]。在动荷载的作用下,呈现的效果更明显。综上所述,大直径振动沉管灌注桩的施工过程尤为重要,根据前人经验及现场工程实践得出的施工流程[13]如下:

(1) 按施工图在现场标记桩孔位置,将钢桩尖放置于桩孔位置;

(2) 打桩机移动到桩孔位置,将套管安装在钢桩尖上;

(3) 锤击沉管,沉管收锤后,专业技术人员按照要求,用电感探灯观察沉管内是否存在积泥或者污垢等现象。若发现有,则使用泵进行清理;若在施工过程中发现钢桩尖已经变形或破坏,则应在施工时先向桩内浇入0.2～0.3 m3的混凝土,立即停止振动,拔出桩管,重新安装钢桩尖,进行第二次沉管,桩管前后两次的入土量不宜超过600 mm;

(4) 沉管工序完成后,移走冲击锤,在桩顶位置设置振动锤;

(5) 放入预制的钢筋笼,开始灌注混凝土;

(6) 启动振动锤,拔管的同时灌注混凝土。设置振动锤的目的在于可以在拔管时产生强烈的振动,以增加混凝土的密实度,提高了成桩后的强度。

(7) 当拔管至地表6～8 m时,可向桩管内部直接灌入强度等级为C15的混凝土,厚度约1 m,这种施工方法增大了桩管的内压,使得内部混凝土能够在压力作用下顺利浇筑,从而使桩的完整性得到保障。

1.3 施工优点

大直径振动沉管灌注桩有以下施工优点:

(1) 配置了大功率的柴油锤,增加了桩体的贯入能力,圆锥形钢桩尖的设置使贯入力得到进一步加强,能把桩管打入持力层,桩端阻力得到了加强,桩基承载力得到了提高[6];

(2) 配置了振动锤,可以在拔管时产生剧烈振动,使混凝土浇筑更顺畅,密实度得到了提高;

(3) 配置了测桩径仪,可及时了解拔管过程中桩身混凝土成形情况,便于及时采取措施。

1.4 经济效果分析

在湿陷性黄土施工场地,该项技术首次成功投入工程实践,其桩身直径可达850 mm,远远超过了目前市场上普遍应用的最大直径为426 mm 的桩径,为大直径灌注桩在复杂地质条件下的使用提供了帮助,与普通灌注桩相比,既安全又工期短、污染小。与相同承载力的预制桩相比,造价节约三分之一以上,取得了良好的社会经济效益,为湿陷性黄土地区的施工提供了技术指导。

2 数值模拟分析

沉桩挤土效应的数值模拟是桩基工程研究的热点问题之一,前人已经提出了多种研究方法,例如小孔扩张理论、应变路径法等。从数值分析的角度来看,沉桩挤土效应模拟的难点在于贯入过程中复杂的接触问题(桩体位置不断改变,土体挤出空腔)和大变形引起的网格畸变。研究通过ABAQUS的standard模块分析三维沉桩挤土效应,并通过渗流边界条件,对沉桩后土体湿陷性的发生程度进行分析。

2.1 沉桩挤土效应的模拟

(1) 三维有限元模型的建立采用ABAQUS有限元软件。计算时土体采用M-C塑性屈服准则来模拟,桩采用弹性模型[14],桩的直径为850 mm,桩的长度为15 m,由于连续有限元在模拟贯入方面存在天然缺陷,因此在地基土中先预设置小孔,相应地,桩尖以下设置光滑的细柱体,如图1所示。

图1 桩管模型Fig.1 Pile pipe model

地基土体设置半径为5 m,高为30 m的圆柱体,为了便于收敛,初始状态桩尖已经入土。网格单元采用C3D8单元,桩体附近区域通过设置种子数来进行局部加密。有限元网格划分如图2所示。

图2 三维有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model

(2) 模型边界条件及荷载的施加实际工程中假设桩端阻力影响范围外的土体不发生变形,故土体的底面及四周需要三向约束。为了确保桩沿竖直方向压入土体中,限制桩体在x、y方向的位移以及x、y、z方向的转角。由于桩的贯入需要考虑桩的自重影响,分析步中首先应进行地应力平衡。沉桩模拟通过桩顶设置位移值来实现(需要在分析步中打开大位移选项),位移加载的优点为可与现场实际工程相对应。

(3) 桩土接触面设定在桩基模拟中,通过摩擦系数来描述桩土相互作用力。桩-土的接触面设置为硬接触[14-15],摩擦特性设置为罚函数。桩-土接触面采用 General contact 接触方式,软件可以根据桩的贯入自动搜索接触对象,为摩擦系数0.3和局部的接触性质,即桩管-土接触为摩擦系数0。根据土体和桩的弹性模量大小关系,将桩管设为主面,土体设为从面。

2.2 沉桩挤土效果分析

(1) 土体应力场分析总体来说,在沉桩过程中,由于挤土效应的存在,桩端周围接触的土体会发生明显的应力集中现象[15-16]。沉桩不同深度时水平应力云图、竖向应力云图以及土体剪切应力云图分别如图3～图5所示。

从图3～图5可以看出,当振动沉管灌注桩沉至4 m时,土体的水平应力最大值为76 kPa,竖向应力最大值为24 kPa,剪切应力最大值为2.6 kPa;沉至10 m时,土体的水平应力的最大值为380 kPa,竖向应力最大值为300 kPa,剪切应力的最大值为10 kPa;沉至15 m时,土体的水平应力最大值为620 kPa,竖向应力最大值为592 kPa,剪切应力最大值为19 kPa。通过对比发现,剪切应力的峰值均小于其余方向的峰值,这表明在沉桩过程中,因为土体发生了剪切破坏,使得桩体下沉。各应力分量的最大值集中区随着桩体的下沉而下移,同时各应力峰值也不断增加。此外,由图 3、图4还可以看出,桩端周围土体的应力值远大于其他位置处的应力值。

图3 沉桩不同深度时水平应力云图Fig.3 Horizontal stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

图4 沉桩不同深度时竖向应力云图Fig.4 Vertical stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

图5 沉桩不同深度时土体剪切应力云图Fig.5 Shear stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

(2) 土体位移场分析数值分析中通过在荷载模块的分析步中设置位移值加载来实现沉桩,在桩顶按照设定的位移量进行分级加载,使桩基础完全贯入土体。桩完全贯入土体后位移云图如图6所示。

图6 土体位移云图 Fig.6 Displacement nephograms of soil

由图6(a)可以看出,桩尖附近的土体受到桩的冲击,产生向下的位移,这与工程实际相一致。由图6(b)可以看出,土体的变形沿着土体的中性轴逐渐发展,土体在沉桩过程中,径向位移逐渐沿中性轴向两边延伸;大概距离中性轴约5 m处,土体的径向位移基本趋于零。

(3) 沉桩阻力灌注桩在土中的沉桩阻力曲线如图7所示,曲线可以看成双折线分布,即沉桩初期(①段)和沉桩中后期(②段)。由图7可以看出,在沉桩初期,曲线有轻微的波动,这主要是因土体表面在桩尖刺入的过程中,土体发生了剪切破坏,使得土层表面土体松动。随着沉桩深度的增加阻力不变,桩体与土体之间的接触面积增大,进而使得总沉桩阻力也增大,这与文献[17]中沿桩深度方向沉桩阻力逐步增大的结论相一致。

图7 沉桩阻力曲线Fig.7 Sinking resistance curve of the pipe pile

2.3 黄土湿陷性模拟

有限元计算模型采用二维轴对称模型,土性参数、本构模型和边界条件与第一个模型相同,不同点为装配时桩体已入土,网格单元采用CAX4R单元。根据现场地勘报告,7.2 m以下为细砂层,通过设置水头高度为0.45 m,底部孔压为0,在土体表面施加荷载来模拟上部结构的自重,通过边界条件的施加来还原黄土的湿陷性变形[18]。有限元模型如图8所示,根据ABAQUS软件的优越性,轴对称模型可以后处理为三维云图,后续云图采用三维模式。

图8 桩-土模型Fig.8 Pile-soil model

2.4 湿陷性结果分析

(1) 土体位移场分析最终状态的位移云图如图9所示。从图9(a)中可以看出,竖向位移的最大值为16.63 cm,与现场实测值14.32 cm相比,增大了16.13%,产生此差异的主要原因是现场条件的局限性,且监测周期短,土体固结未完全。图9(b)中水平位移的峰值为0.117 cm,说明水平位移很小,与现场所得结果一致,黄土湿陷性主要导致竖向位移。从竖向位移云图还可以看出,离桩近的位置土体沉降较小,说明采用灌注桩对湿陷性黄土的沉降具有抑制作用。

图9 土体位移云图 Fig.9 Displacement nephograms of soil

(2) 桩身应力分析最终状态的桩体应力云图如图10所示。由图10可以看出,湿陷性工况下桩身会存在负摩阻力,从变化趋势看出侧摩阻力先增大后减小,峰值为1 088 kPa,出现在距桩顶8.25 m的位置,约为桩长的0.55倍,小于规范值0.7倍桩长,桩身负摩阻力会导致承载力下降。根据文献[19]中所述,负摩阻力会随时间而消散,灌注桩成桩过程中会产生微浸水现象,也会减小负摩阻力。