砂土中內(nèi)擊沉管樁貫入過程顆粒流模擬

尹新生　洪　源

(吉林建筑大學(xué)寒地綠色建筑技術(shù)工程研究中心,長春　130118)

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砂土中內(nèi)擊沉管樁貫入過程顆粒流模擬

尹新生洪源

(吉林建筑大學(xué)寒地綠色建筑技術(shù)工程研究中心,長春130118)

摘要：基于內(nèi)擊沉管灌注樁的獨(dú)特沉樁過程,建立了先靜壓后內(nèi)擊的沉樁顆粒流模型,將模擬結(jié)果進(jìn)行分析,對樁貫入土體宏觀與微觀力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究.通過分析土體細(xì)觀變化模式，揭示沉樁過程中宏觀響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理.

關(guān)鍵詞：靜壓樁；內(nèi)擊樁；顆粒流

樁基礎(chǔ)施工中,沉樁過程大體分為靜壓樁與錘擊樁兩種.靜壓樁具有低噪音,無振動,無污染的特點(diǎn),但由于其施工機(jī)械自重大，對施工場地有較高的要求,在新填土、淤泥土及積水浸泡過的場地易陷機(jī).錘擊樁具有易于施工、質(zhì)量控制方便、工期較短、造價較低等特點(diǎn),但由于其施工過程高噪聲、大振動、擾民嚴(yán)重.并且預(yù)壓時土體受沖擊荷載密實度會有所提高.因此使用由吉林省綠地建筑工程設(shè)計事務(wù)所畢建東所長提出的先沉管后內(nèi)擊的新型成樁形式對樁基礎(chǔ)在城市特殊區(qū)域的應(yīng)用具有重大現(xiàn)實意義.

1PFC3D

PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimension)即三維顆粒流程序[1].該方法是一種基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法,并將顆粒體分離為離散單元集合.首先應(yīng)用牛頓第二定律建立運(yùn)動方程,然后采取動態(tài)松弛法進(jìn)行迭代求解,求得顆粒體的整體運(yùn)動形態(tài).離散元方法與有限元方法相對比,取代了其宏觀連續(xù)性假設(shè),對于模擬巖土介質(zhì)沉樁過程中出現(xiàn)的非線性大變形具有其獨(dú)特的優(yōu)勢.

2內(nèi)擊沉管樁貫入過程模擬

2.1　模型建立

建立三維圓柱樁體模型與圓柱土體模型[2],具體尺寸見表1.

表1 模型參數(shù)

土體模型邊界有墻體(WALL)模擬,為了減少因沉樁引起邊界墻體的附加應(yīng)力，以及出于模試驗對稱面上反對稱力為零的考慮,墻體摩擦系數(shù)f設(shè)為0.法向剛度kn=5×107N/m,剪切剛度ks=5×107N/m,墻體固定不動,可認(rèn)為是剛性邊界.模型箱寬度與樁半徑的比值W/Rmax=40>20,從而很大程度上避免了沉樁過程剛性邊界效應(yīng)的影響[3].具體模型見圖1.

2.2　模型位移貫入曲線

通過對內(nèi)擊沉管樁貫入過程的PFC3D模擬,我們得出先靜壓后內(nèi)擊施工過程中樁底位移與時間的曲線關(guān)系,如圖2.

圖1 樁土模型

圖2 模型位移貫入曲線

2.3　模型模擬結(jié)果與分析

通過PFC3D設(shè)置監(jiān)測球[4](measurement sphere)對土體中的顆粒(ball)進(jìn)行應(yīng)力(s11,s22,s33)監(jiān)測,得出的數(shù)據(jù)輸入到MATLAB中繪制并得出相應(yīng)的應(yīng)力圖.圖3~圖5分別為設(shè)備靜壓裝置壓樁入土深度分別為1m,2m,3m時應(yīng)力圖.圖6~圖8分別為設(shè)備內(nèi)擊裝置錘擊入土?xí)r錘擊第1次、第3次、第6次的應(yīng)力圖.

圖3 靜壓入土1m　　　　　　　　　　　圖4 靜壓入土2m　　　　　　　　　　　圖5 靜壓入土3m

圖6 內(nèi)壓入土第1次　　　　　　　　　圖7 內(nèi)壓入土第2次　　　　　　　　圖8 內(nèi)壓入土第3次

通過對內(nèi)擊沉管樁施工過程中靜壓部分與內(nèi)擊部分的應(yīng)力圖進(jìn)行分析,得到以下結(jié)果:

(1) 對比圖3~圖8可知,樁在靜壓過程中對土的影響范圍較小,而樁在內(nèi)擊過程中對土的影響范圍較大;

(2) 樁體貫入過程中土體表面樁周的位置應(yīng)力相對集中,由圖4、圖5可知，在內(nèi)擊的時候樁周土仍然相對集中，但與樁底面的應(yīng)力相比小了很多,因此在內(nèi)擊的應(yīng)力圖中表現(xiàn)的并不明顯;

(3) 由圖7可知,在內(nèi)擊的過程中樁底面的應(yīng)力區(qū)域呈三角形，并且與靜壓底面的應(yīng)力數(shù)值相比提高了很多;

(4) 由圖8可知,在內(nèi)擊的過程中底面的應(yīng)力繼續(xù)增大后向45°方向應(yīng)力有所發(fā)展.

3結(jié)論

利用PFC3D軟件可以模擬內(nèi)擊沉管樁這樣復(fù)雜的施工過程,達(dá)到理想的模擬結(jié)果.可見，離散元軟件在巖土工程中的應(yīng)用必將越來越廣泛.同時綜合以上簡單地分析與闡述,對內(nèi)擊沉管樁貫入過程可以得出以下結(jié)論:

(1) 樁體貫入過程中,內(nèi)擊過程對土體的影響度遠(yuǎn)大于靜壓過程;

(2) 樁體貫入過程中,土體表面樁周的位置土體小范圍隆起;

(3) 靜壓過程后樁底土體再次內(nèi)擊對密實度有所增加;

(4) 對內(nèi)擊壓灌樁沉樁過程的全過程的模擬,可以再現(xiàn)沉樁過程中樁周土體的應(yīng)力和位移的變化,對揭示內(nèi)擊壓灌樁的承載機(jī)理提供了可靠的理論和數(shù)據(jù)的支持.

內(nèi)擊沉管樁對于現(xiàn)有的樁貫入形式是一種突破,利用靜壓樁與錘擊樁的特點(diǎn),摒棄兩者的不足,使內(nèi)擊沉管樁從經(jīng)濟(jì)方面與實際施工方面更有優(yōu)勢.在不久的將來通過進(jìn)一步的研究,爭取使技術(shù)早日應(yīng)用到工程中，從而體現(xiàn)其實際應(yīng)用價值.

參考文獻(xiàn)

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

[2] 周健,鄧益兵,葉建忠.沙土中靜壓樁沉樁過程試驗研究與顆粒流模擬[J].巖土工程學(xué)報,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] 葉建忠,周健,韓冰.基于離散元理論的靜壓沉樁過程顆粒流數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報,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

中圖分類號：TU 473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-8919(2015)02-0025-03

作者簡介：尹新生(1956~),男,吉林省長春市人,教授,碩士.

收稿日期：2014-10-24.