鋼管-水泥土組合樁的抗拔性能

羅太安, 馮建光, 安文東

(1.泰州市第一建筑監(jiān)理有限公司,江蘇 泰州 225300;2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海 200232)

鋼管-水泥土組合樁的抗拔性能

羅太安1, 馮建光2, 安文東3

(1.泰州市第一建筑監(jiān)理有限公司,江蘇 泰州 225300;2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海 200232)

為改善水泥土攪拌樁的抗拔性能,在攪拌樁內(nèi)插入鋼管,構(gòu)成鋼管 -水泥土組合樁,利用ANSYS有限元軟件分析鋼管長度對組合樁承載力的影響。結(jié)果表明:鋼管 -水泥土組合樁的主要受力構(gòu)件為鋼管,鋼管的荷載傳遞作用可以克服水泥土攪拌樁樁身材料的缺陷。鋼管長度 l=8 m時,與 l=6 m的鋼管 -水泥土組合樁相比,極限承載力提高了 32%,鋼管長度 l>8 m時,對提高組合樁的極限承載力貢獻不大。

鋼管 -水泥土組合樁;抗拔性;極限承載力;有限元

Abstract:Directed at improving the uplift resistance of cement-soil mixing pile,this paper introduces a method designed to form steel-cement composite pile by inserting a steelpipe into and presents an analysis of the impact of steel pipe length on bearing capacity using finite element sof tware-ANSYS.The results show that steel pipe is the main force component for the steel-cement composite pile and the load transfer function of steel pipes can eliminate the material defects of cement-soil mixing pile.The steel pipe with length of 8 m gives the ultimate bearing capacity 32%greater than steel-cement composite pile with length of 6 m;steel pipe,longer than 8 m,contributes little to improving the bearing capacity.

Key words:steel-cement composite pile;uplift resistance;ult imate bearing capacity;finite element

0 引 言

水泥土攪拌樁可利用固化劑與軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng),使軟土硬結(jié)成為具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的優(yōu)質(zhì)地基,被廣泛應(yīng)用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高的黏性土的加固方面。抗拔樁主要依靠樁身與土層之間的摩擦力提供抗拔力。傳統(tǒng)的等截面抗拔樁往往由于樁周土提供的摩擦力不足[1-2]發(fā)生破壞。水泥土攪拌樁的水泥土與樁周原位土滲透結(jié)合較好,樁周摩阻力較等截面樁提高很多,具有作為抗拔樁的可行性,但由于樁身材料的限制,其承載能力難以充分發(fā)揮[3-4]?；诖?筆者采用在水泥土樁中插入圓鋼管的方法,構(gòu)成鋼管 -水泥土組合樁,并利用 ANSYS有限元軟件分析鋼管長度對組合樁極限承載力的影響,以期改善水泥土攪拌樁的抗拔性能。

1 單樁有限元模型

1.1 計算假設(shè)

由于實際施工條件較為復(fù)雜,模型作如下假設(shè):(1)樁體垂直設(shè)于土體內(nèi),且底面為水平面。(2)樁側(cè)及樁底土均為連續(xù)均勻、各向同性的非線性彈塑性體。

(3)樁側(cè)及樁底土體的物理力學(xué)性質(zhì)不隨樁的設(shè)置而改變。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用 ANSYS三維有限元模型模擬鋼管 -水泥土組合樁的受力情況。擬定計算區(qū)域的水平方向為樁身半徑的 20倍 (6 m),垂直方向為樁長的 2.5倍(25 m)。實驗所選樁型為水泥土攪拌樁,樁長10 m,樁身半徑 0.3 m;鋼管外徑 0.2 m,長度分別為6、8、10 m。樁土模型中,水泥土內(nèi)芯、樁體及土體均由 SOL ID45單元中的八節(jié)點六面體單元進行網(wǎng)格劃分,如圖 1所示。

圖 1 單元網(wǎng)格劃分Fig.1 Elementmeshing

1.3 材料參數(shù)

模擬時,土體和樁體采用 D-P模型,內(nèi)芯采用彈性模型,具體材料參數(shù)見表 1。

表 1 材料參數(shù)Table 1 Parameters of materials

1.4 接觸面及邊界條件

采用面面接觸單元模擬內(nèi)芯與樁體、樁體與周圍土體界面的接觸行為,摩擦系數(shù)從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及文獻[5]中獲得。

取模型的 1/4進行有限元分析,設(shè)模型上表面為自由邊界;土體的底部為固定支座,即三個方向的約束為零;土體的側(cè)面的邊界條件為 x、y方向約束,z方向自由;對稱面上的邊界條件為約束垂直于對稱面方向的位移。

1.5 計算步驟

鋼管 -水泥土組合樁受力的計算步驟:(1)初始應(yīng)力計算,寫入初始應(yīng)力文件,求解。(2)重新建立相同的模型,在施加重力的情況下提取初始應(yīng)力文件,讀入初始應(yīng)力,求解。

(3)在步驟 (2)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上以 2 MPa均勻加載,求解。

2 結(jié)果分析

圖 2為鋼管 -水泥土組合樁的荷載 (p)-位移(s)曲線。由圖 2a可以看出,對于 l=6 m的鋼管 -水泥土組合樁,荷載小于 26.8 MPa時,上拔荷載較小,鋼管與水泥土之間相對位移很小,二者通過黏結(jié)作用能夠協(xié)同工作;隨著荷載的增加,二者相對位移增加,這主要是因為上部鋼管與水泥土間出現(xiàn)滑移,使黏結(jié)力 (最大靜摩阻力)轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽ψ枇Α．?dāng)荷載達到 26.8MPa后,上部鋼管與水泥土間的相對滑動使下部鋼管與水泥土間具有相對滑移的趨勢,進而產(chǎn)生黏結(jié)力。當(dāng)荷載增加至 31.9MPa時,下部鋼管與水泥土間出現(xiàn)滑移,鋼管位移線性增加,組合樁基本失去承載能力。在整個加載過程中,水泥土的位移一直保持在 11.8 mm,說明水泥土與樁周土體黏結(jié)較好。

對于 l=10 m的鋼管 -水泥土組合樁 (圖 2b),加載初期,鋼管與水泥土間的相對位移很小,最大僅為 1.2 mm;當(dāng)加載至 19.5MPa時,上部樁土黏結(jié)力不足以約束上部鋼管,鋼管頂部位移增加明顯;當(dāng)加載至 44.8MPa時,鋼管頂部與水泥土頂部的相對位移保持相對穩(wěn)定;荷載大于 44.8 MPa后,水泥土位移迅速增加。這說明鋼管未屈服,但水泥土與樁周土的黏結(jié)已破壞?？梢?鋼管是組合樁的主要受力部件。

對于 l=8 m的鋼管 -水泥土組合樁 (圖 2c),荷載小于 42.1MPa時,鋼管與水泥土的位移變化較為平緩,而當(dāng)荷載大于 42.1 MPa后,二者位移急劇增加,說明組合樁已破壞。

由上述分析可知,l=8 m的鋼管 -水泥土組合樁的破壞趨勢與 l=10 m的較為相似,在加載后期鋼管與水泥土的相對位移差均保持穩(wěn)定,二者的破壞原因均為樁 -土界面發(fā)生破壞,且前者的極限承載力略小于后者。與 l=6 m的鋼管 -水泥土組合樁相比,l=8 m的極限承載力提高了 32%。

圖 2 鋼管 -水泥土樁 p-s曲線Fig.2 p-scurves of steel-cement

圖 3為鋼管在深度方向上的應(yīng)力變化曲線。

由圖 3可以看出,l=6 m鋼管的應(yīng)力隨著深度(h)的增加呈線性遞減的趨勢,且整體應(yīng)力值位于 y軸上方,深度為 6 m處的應(yīng)力值為 5.9 MPa。l=10 m鋼管的應(yīng)力在深度小于 6 m時也呈線性遞減趨勢,在 7 m左右,遞減趨勢得到延緩,到 8.2 m時,應(yīng)力為0,深度繼續(xù)增加,應(yīng)力變?yōu)樨?fù)增長。l=8 m鋼管各深度處的應(yīng)力較l=6 m鋼管均有明顯提高,與l=10 m鋼管相比,前期情況基本保持一致,后期有所提高,且未出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力。由以上分析可知,l=6 m鋼管并未充分發(fā)揮組合樁的極限承載力,而 l=10 m鋼管未充分利用材料效用,造成材料浪費,因此,l=8 m鋼管 -水泥土組合樁較為合理。

圖 3 鋼管應(yīng)力隨深度變化曲線Fig.3 Stress of steel along depth

3 結(jié) 論

(1)鋼管 -水泥土組合樁的主要受力構(gòu)件為鋼管。在各種破壞模式下,鋼管均未達到屈服強度。組合樁破壞的主要原因在于鋼管 -樁或樁 -土接觸界面發(fā)生破壞。

(2)組合樁的極限承載力隨著鋼管長度的增加而增加,l=8 m的鋼管 -水泥土組合樁的承載力較l=6 m的明顯提高,其極限承載力提高了 32%,但l=10 m時,提高幅度很小,說明鋼管無須通長配置。

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(編輯 荀海鑫)

W ithdrawal resistant capacity of re inforced steel-cement composite pile

LUO Taian1, FENG Jianguang2, AN W endong3
(1.Taizhou First Construction Supervision Company,Taizhou 225300,China;2.School ofMechanics&Civil Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Shanghai Hongbo Limited Company of Consultation&Management Construction,Shanghai 200232,China)

TU473.1

A

1671-0118(2010)05-0350-03

2010-04-19

羅太安 (1963-),男,江蘇省泰州人,工程師,研究方向:建筑快速施工,E-mail:lta008@sina.com。