靜壓樁壓入過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬

周俊鵬，黃雪峰，方 晟

(1.后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系，重慶 400041；

2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401311)

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【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

靜壓樁壓入過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬

周俊鵬1,2，黃雪峰1,2，方 晟1,2

(1.后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系，重慶 400041；

2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401311)

為了研究靜壓樁在沉樁期間的力學(xué)特性和承載性狀，通過(guò)靜力壓樁試驗(yàn)及載荷試驗(yàn)，分析了沉樁過(guò)程和載荷試驗(yàn)中摩阻力隨埋深的變化；對(duì)非飽和黃土地區(qū)靜壓樁在施工過(guò)程中的承載性狀及沉樁機(jī)理進(jìn)行了研究，得出靜壓樁在非飽和黃土中的沉樁特性；將ANSYS計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，二者發(fā)展趨勢(shì)較一致，說(shuō)明ANSYS分析的結(jié)果可以為以后的工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考。

靜壓樁；壓樁力；側(cè)阻力；載荷試驗(yàn)；數(shù)值模擬

靜壓樁技術(shù)由于噪音小、接樁方便、樁身品質(zhì)有保證、施工清潔等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)。但實(shí)踐表明，預(yù)制樁在靜壓期間會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不良影響，在貫入期間將使下部土體產(chǎn)生側(cè)向位移并隆起，且對(duì)已壓入的鄰樁產(chǎn)生水平壓力及豎向拉力，以致使鄰樁產(chǎn)生諸多缺陷，如樁身彎曲、傾斜、側(cè)移等，給工程帶來(lái)不良后果。關(guān)于靜壓樁承載力的研究已較為深入[1-5]，但至今人們對(duì)壓樁的擠土效應(yīng)、沉樁機(jī)理等仍不是十分清楚，理論嚴(yán)重落后于工程實(shí)踐。

有限元數(shù)值模擬方法已被證明是一種高效的模擬工具，許多學(xué)者利用其研究靜壓樁[6-8]。本文在分析了靜力壓樁試驗(yàn)及單樁靜載試驗(yàn)中樁側(cè)阻力的變化規(guī)律及其承載特性的基礎(chǔ)上，采用ANSYS軟件對(duì)靜壓樁進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了樁土之間的摩阻及變形，并對(duì)這些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行比較分析[9-12]。

1 試驗(yàn)概況

預(yù)制樁為空心鋼管樁，壁厚5 mm，每節(jié)樁長(zhǎng)2.5 m，樁徑500 mm，樁蓋為20 mm厚并預(yù)留3個(gè)直徑為20 mm孔洞(為利于應(yīng)變片接線引出) 的鋼板。孔洞處于樁蓋的邊緣，并沿樁蓋均勻分布。每隔25 cm在孔洞的正下方貼一個(gè)應(yīng)變片，每列共10個(gè)，在同一高度三等分處貼3個(gè)，共計(jì)30個(gè)?；静襟E：貼應(yīng)變片，引線，編束，并進(jìn)行校正，以確保每個(gè)應(yīng)變片均能發(fā)揮作用。

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

擬建場(chǎng)地位于蘭州市五泉下廣場(chǎng)東側(cè)。地形較為平坦，場(chǎng)地地面標(biāo)高為1 529.30～1 530.20 m。地貌單元為黃河南岸Ⅱ級(jí)階地后緣，原地貌為山前沖洪積的古河道，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。土層基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 場(chǎng)地土層分布

1.2 試驗(yàn)方案

試樁壓入使用靜力壓樁機(jī)，試驗(yàn)加載采用慢速維持荷載法，每級(jí)加載為預(yù)估極限荷載的1/10～1/15，第一級(jí)可按2倍分級(jí)荷載加荷。沉降觀測(cè)：每級(jí)加載后間隔5、10、15 min各測(cè)讀一次，以后每隔15 min測(cè)讀一次，累計(jì)1 h后每隔30 min 測(cè)讀一次。

單樁靜載試驗(yàn)在樁壓入后10 d開(kāi)始，堆載重40 t，加荷設(shè)備為油壓千斤頂，設(shè)置基準(zhǔn)梁，位移傳感器測(cè)量樁頂位移。共分10級(jí)加載，每級(jí)荷重30 kN。加載、卸載按規(guī)范執(zhí)行，采用位移計(jì)和應(yīng)變片測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

2 壓樁過(guò)程分析

圖2為側(cè)摩阻力與壓入深度關(guān)系圖，從圖2可以看出，側(cè)摩阻力隨樁的埋深而增加，且存在一有效深度，到達(dá)此深度就基本保持不變。但在-2～-6 m深度，側(cè)摩阻力反復(fù)變化，該本段處于非飽和黃土和黃土狀粉土層中，土質(zhì)松散，側(cè)摩阻力變化原因與樁周土性質(zhì)有關(guān)。

圖2 側(cè)摩阻力與壓入深度關(guān)系

側(cè)摩阻力與壓入深度關(guān)系曲線大致分為3段：樁端區(qū)，樁端附近土體被擠密而產(chǎn)生較大法向應(yīng)力，使得該區(qū)域側(cè)阻qs1較原狀土的靜態(tài)強(qiáng)度大；

高內(nèi)在動(dòng)機(jī)通過(guò)增強(qiáng)認(rèn)知的靈活性和復(fù)雜性提升一般創(chuàng)造力。較強(qiáng)的自我實(shí)現(xiàn)需要、濃厚的興趣、強(qiáng)烈的使命感和責(zé)任感可以激發(fā)內(nèi)在動(dòng)機(jī)，一旦內(nèi)在動(dòng)機(jī)得到激活，人的一般創(chuàng)造力就會(huì)大幅度提升。樹(shù)立遠(yuǎn)大的理想、信念，培植強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感和使命感，同時(shí)保有對(duì)某一事物的持久興趣可以激發(fā)較高的內(nèi)在動(dòng)機(jī)。當(dāng)人感覺(jué)到對(duì)工作能夠自主支配和有能力時(shí)，內(nèi)在動(dòng)機(jī)最容易產(chǎn)生[8]。給予個(gè)體更多的工作自主支配權(quán)以及提高個(gè)體能力能夠促進(jìn)提高內(nèi)在動(dòng)機(jī)。最后，由于外在動(dòng)機(jī)對(duì)內(nèi)在動(dòng)機(jī)存在擠出效應(yīng)[9]，因而，在可能的情境下，可以盡量減少對(duì)個(gè)體的經(jīng)濟(jì)報(bào)酬、物質(zhì)獎(jiǎng)勵(lì)等的外在動(dòng)機(jī)激勵(lì)。

滑移區(qū)，樁貫入過(guò)程中由于土體被排開(kāi)而產(chǎn)生擾動(dòng)，使得該區(qū)域側(cè)阻qs2小于qs1；

無(wú)側(cè)阻區(qū)，由于樁貫入時(shí)產(chǎn)生橫向晃動(dòng)，地表處土體不斷被擾動(dòng)而出現(xiàn)裂隙，使得該區(qū)域側(cè)阻qs3較小。

壓樁力=端阻力+總摩擦力

壓樁力、端阻力和總摩擦力分布見(jiàn)圖3。靜壓法沉樁期間，其下土體被擾動(dòng)和重塑，樁貫入時(shí)受到的土體阻力非靜摩阻力，同樣也非錘擊法沉樁時(shí)的摩擦阻力。沉樁阻力與地層性質(zhì)、持力層埋深、施工方法和硬土層厚度等因素有關(guān)。樁端阻力和樁側(cè)阻力所占比率并非不變。壓樁過(guò)程中，當(dāng)樁端阻力較小時(shí)，靜壓樁以較大速度連續(xù)貫入，此時(shí)樁側(cè)摩擦力較之更小，樁端阻力增大會(huì)導(dǎo)致沉樁速度降低。但是，當(dāng)樁側(cè)摩擦力值增到38.5 kN時(shí)，樁端阻力達(dá)到峰值，之后隨著樁側(cè)摩擦力的增大而減小。

圖3 壓樁力、總摩擦力和端阻力隨深度變化

3 靜載試驗(yàn)分析

由圖4可知，試樁呈現(xiàn)出典型的摩擦樁特性，樁頂和樁端Q-S曲線較為相似，均為緩變型，無(wú)明顯陡降段。

圖4 單樁靜載試驗(yàn)Q-S曲線

由圖5可知， 側(cè)摩阻力沿樁身分布是先增大，后變?。?在同一埋深，側(cè)摩阻力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且開(kāi)始增長(zhǎng)的速率較快。這說(shuō)明隨著荷載增加，樁身上部樁土之間首先發(fā)揮作用，達(dá)到極限摩阻力后逐漸往深處發(fā)展，緊接著中部摩阻力也達(dá)到極限，此時(shí)荷載傳遞到樁端處，樁端處土體被壓縮而產(chǎn)生塑性變形，樁體產(chǎn)生沉降，但樁身下部樁土界面的摩阻力并未完全發(fā)揮達(dá)到其極限。

圖5 側(cè)摩阻力沿樁身變化

靜壓樁的終壓力與單樁豎向極限承載力存在一定關(guān)系，但影響因素繁多，而今還很難對(duì)影響因素進(jìn)行定量分析。前人通過(guò)大量試驗(yàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析，建立了終壓力與單樁豎向極限承載力的經(jīng)驗(yàn)公式[9-11]。

本文根據(jù)壓樁時(shí)運(yùn)動(dòng)特性，引入滑動(dòng)摩擦因數(shù)建立經(jīng)驗(yàn)公式：

Qu=KuPu

(1)

式中，Qu為極限承載力，Pu為終壓力，Ku為與滑動(dòng)摩擦有關(guān)的系數(shù)，其值為靜摩擦因數(shù)與滑動(dòng)摩擦因數(shù)的比值，滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ按Scheidegger的統(tǒng)計(jì)公式來(lái)確定：

lgμ=-0.156 6lgV+0.624 19

(2)

式中：V為樁周影響范圍內(nèi)土的體積，破裂面夾角為被動(dòng)土壓力時(shí)的破裂角。

式(1)偏于保守，將造成部分浪費(fèi)，且未能反映樁長(zhǎng)L對(duì)承載力的影響，根據(jù)大量的工程實(shí)踐資料，對(duì)于不同的樁長(zhǎng)，Ku可取如下值：當(dāng)6 m≤L<15 m時(shí)，Ku取(0.7～1.0)；當(dāng)15 m≤L<23 m時(shí)，Ku取(0.9～1.1)；當(dāng)23 m

4 有限元模擬分析

4.1 模型建立

考慮對(duì)稱(chēng)性，取1/4樁進(jìn)行分析，將土體大小取為在x，y，z方向的長(zhǎng)度分別為樁的5倍、3倍、5倍。樁的彈性模量為土體的100倍，故設(shè)定樁為剛性體，土體為柔性體，因此樁上的面為剛性目標(biāo)面，而土體的面為接觸面。樁身和土體都采用SOLID45實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有x，y，z方向的自由度。具有塑性、膨脹、潛變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的能力，樁的本構(gòu)模型為線彈性，土體的本構(gòu)模型為Drucker-Prager模型。剛性目標(biāo)面為T(mén)arge170單元，接觸面為CONTA173 單元。建立的有限元模型如圖6所示。施工過(guò)程采用單元生死技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖7為樁軸向位移云圖，上圖表明樁在荷載作用下位移是由樁周土的壓縮變形和下臥層變形組成。由于樁體剛度和強(qiáng)度與土體相比較大，因而在瞬時(shí)荷載作用下，周?chē)馏w產(chǎn)生較大變形，該變形主要是由樁身摩阻力作用引起。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比分析

由圖8可以看出，樁體沉降A(chǔ)NSYS分析結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本吻合。當(dāng)外力小于100 kN時(shí)，試驗(yàn)曲線與有限元曲線幾乎一致，當(dāng)外力大于100 kN時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果總體比有限元結(jié)果小，總體變化趨勢(shì)一樣，都隨著荷載的增加而增加。當(dāng)外力大于200 kN時(shí)，沉降發(fā)展的速率比之前快。兩條曲線均為緩變型，無(wú)明顯陡降段，說(shuō)明均未達(dá)到極限破壞狀態(tài)。

圖6 有限元模型

圖7 樁豎向位移云圖

圖8 沉降對(duì)比

由圖9可知，當(dāng)荷載為30 kN時(shí)，在0～-2.5 m范圍內(nèi)有限元分析的軸力和實(shí)測(cè)的軸力相差較大，有限元結(jié)果先是略為減小，而后增大。-2.5 m以下范圍內(nèi)有限元分析的軸力和實(shí)測(cè)的軸力十分接近，沿著樁長(zhǎng)變化比較均勻；當(dāng)荷載為90 kN時(shí)，有限元分析的結(jié)果比實(shí)測(cè)的結(jié)果大，且0～-2 m范圍內(nèi)有限元結(jié)果存在突變，-2 m以下范圍內(nèi)變化較為均勻；當(dāng)荷載為150 kN時(shí)，有限元結(jié)果比較理想，變化均勻，沿著樁長(zhǎng)從上到下軸力逐漸減小，兩者變化趨勢(shì)基本一致。

由圖10可知，當(dāng)荷載小于210 kN時(shí)，有限元計(jì)算的摩阻力大于實(shí)測(cè)的摩阻力，當(dāng)荷載大于210 kN時(shí)，反之，實(shí)測(cè)的摩阻力大。但總體來(lái)說(shuō)，兩者變化趨勢(shì)相同，且在不同的荷載情況下，有限元計(jì)算的和實(shí)測(cè)的摩阻力的數(shù)值相差不大，說(shuō)明有限元模擬結(jié)果較為理想。

圖9 軸力對(duì)比

圖10 摩阻力對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)靜力壓樁試驗(yàn)及載荷試驗(yàn)，在引入滑動(dòng)摩擦因數(shù)的前提下推導(dǎo)了承載力與終壓力的關(guān)系。對(duì)黃土地區(qū)靜壓樁在施工過(guò)程中的承載性狀及沉樁機(jī)理進(jìn)行了研究，得出靜壓樁在非飽和黃土中的沉樁特性。將ANSYS計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值比較，二者較為接近、發(fā)展變化的趨勢(shì)一致，說(shuō)明ANSYS分析的結(jié)果可以為以后的工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Field Testing and Numerical Modelling of Penetrating of Jacked Piles

ZHOU Jun-peng1, 2, HUANG Xue-feng1, 2, FANG Sheng1, 2

(1.Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 400041, China; 2.Chongqing Key Laboratory of Geotechnical and Geological Engineering Protection, Chongqing 401311, China)

In order to study the mechanism and bearing characters of static pressure pile in the process of pile driving mechanics, through the test and load test, static pressure pile under the premise of the introduction of sliding friction coefficient deduced the relationship between bearing capacity and final pressure, and static pressure under different loads under the bearing capacity of the pile and the relationship of the force that press a pile were analyzed; Static pressure pile in collapsible loess area in the construction process of bearing characteristics of pile driving mechanism was studied, and it is concluded that pile of static pressure pile is in unsaturated loess characteristics; Finite element calculation value was compared with the actual monitoring results, and the two were closer, and the trend of the development and change of consistent can show the results of finite element analysis for future reference and reference for the engineering design and construction.

jacked pile; pile jacking pressure; resistance at pile end; static load test; numerical modelling

2016-04-18；

2016-05-20

周俊鵬 (1991—)，男，碩士，主要從事地基處理與基礎(chǔ)工程研究。

10.11809/scbgxb2016.10.039

周俊鵬，黃雪峰，方晟.靜壓樁壓入過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(10):185-189.

format:ZHOU Jun-peng, HUANG Xue-feng, FANG Sheng.Field Testing and Numerical Modelling of Penetrating of Jacked Piles[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):185-189.

TU473

A

2096-2304(2016)10-0185-05