直徑850 mm振動沉管灌注樁沉樁過程數值模擬研究

馬岷成,王躍軍,鄭亞林,鞏立斌

(1.甘肅省建設設計咨詢集團有限公司,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730050)

隨著全國經濟發(fā)展實力的日益提高,高層建筑以及超高層建筑的技術建設與應用快速發(fā)展,樁基礎的研究設計與使用量也在成倍增加,尤其在有效提高樁基承載力,減少地基沉降的新型樁上具有顯著的優(yōu)點[1]。在被廣泛采用的深基礎中,樁基礎結構是最常用的形式之一,它不僅能較好滿足各種荷載情況,而且也可以適應各種地質條件。

國外最早開始研究高頻率振動打樁技術,1930年德國最先進行了高頻率振動打樁試驗[2],文獻[3]中進行了室內模型試驗,研究了模型樁在砂土中的沉樁特性。1980年前后,國內沿海發(fā)達城市在碼頭等地區(qū)開始研制錘擊沉管樁并投入工程實踐中[4],同期在浙江地區(qū)開始研究振動沉管樁,振動錘的設置大大提高了施工效率[5]。文獻[6-8]中研究表明,灌注樁可以改善不良地基誘發(fā)的災害,樁端后壓漿形成的加固體,其強度隨時間的推移而發(fā)生增長,樁端后壓漿存在時間效應。文獻[9-10]中針對灌注樁樁基承載力進行了探究,表明海上樁基礎施工,對設備性能依賴程度較高,選擇合適的設備可以大大加快施工進度并保證工程質量。但是在濕陷性黃土等不利地質條件下使用振動沉管灌注樁時,由于建筑高度的增長,所需的承載力越來越大,目前市場投入使用的最大樁徑為426 mm,難以滿足工程需要,所以對大直徑振動沉管灌注樁進行研究是必要的。

前人研究主要針對現(xiàn)場工程實例,由于在現(xiàn)場開展科學試驗存在局限性,未能在危險截面布置大量的傳感器,受施工工期、經濟成本等因素影響,對大直徑沉管灌注樁在沉樁過程中的力學特性研究相對較少。本次研究利用ABAQUS有限元軟件,建立了可以充分考慮土體大變形、地應力平衡、樁土界面摩擦和沉樁過程中的應力場和位移場等復雜工況的三維樁土模型,在加載與滲流耦合工況下進行濕陷性模擬,預測濕陷量,以期為大直徑灌注樁在濕陷性黃土地區(qū)的施工提供一定的技術指導。

1 實例分析

1.1 工程地質條件

建筑場地坐落于甘肅省天水市,土質屬于濕陷性黃土,地貌單元屬于天水籍河二級階地[11],基礎采用大直徑振動沉管灌注樁,最大樁徑為850 mm,樁長為15 m,樁端嵌入圓礫層,土層參數如表1所列。

表1 試驗場地各土層參數Table 1 Parameters of each soil layer on test site

1.2 大直徑振動沉管灌注樁施工

濕陷性黃土是一種特殊土,濕陷的發(fā)生是由于自身結構的外在因素誘發(fā)引起的狀態(tài)變化,內因和外因缺一不可[12]。在動荷載的作用下,呈現(xiàn)的效果更明顯。綜上所述,大直徑振動沉管灌注樁的施工過程尤為重要,根據前人經驗及現(xiàn)場工程實踐得出的施工流程[13]如下:

(1) 按施工圖在現(xiàn)場標記樁孔位置,將鋼樁尖放置于樁孔位置;

(2) 打樁機移動到樁孔位置,將套管安裝在鋼樁尖上;

(3) 錘擊沉管,沉管收錘后,專業(yè)技術人員按照要求,用電感探燈觀察沉管內是否存在積泥或者污垢等現(xiàn)象。若發(fā)現(xiàn)有,則使用泵進行清理;若在施工過程中發(fā)現(xiàn)鋼樁尖已經變形或破壞,則應在施工時先向樁內澆入0.2～0.3 m3的混凝土,立即停止振動,拔出樁管,重新安裝鋼樁尖,進行第二次沉管,樁管前后兩次的入土量不宜超過600 mm;

(4) 沉管工序完成后,移走沖擊錘,在樁頂位置設置振動錘;

(5) 放入預制的鋼筋籠,開始灌注混凝土;

(6) 啟動振動錘,拔管的同時灌注混凝土。設置振動錘的目的在于可以在拔管時產生強烈的振動,以增加混凝土的密實度,提高了成樁后的強度。

(7) 當拔管至地表6～8 m時,可向樁管內部直接灌入強度等級為C15的混凝土,厚度約1 m,這種施工方法增大了樁管的內壓,使得內部混凝土能夠在壓力作用下順利澆筑,從而使樁的完整性得到保障。

1.3 施工優(yōu)點

大直徑振動沉管灌注樁有以下施工優(yōu)點:

(1) 配置了大功率的柴油錘,增加了樁體的貫入能力,圓錐形鋼樁尖的設置使貫入力得到進一步加強,能把樁管打入持力層,樁端阻力得到了加強,樁基承載力得到了提高[6];

(2) 配置了振動錘,可以在拔管時產生劇烈振動,使混凝土澆筑更順暢,密實度得到了提高;

(3) 配置了測樁徑儀,可及時了解拔管過程中樁身混凝土成形情況,便于及時采取措施。

1.4 經濟效果分析

在濕陷性黃土施工場地,該項技術首次成功投入工程實踐,其樁身直徑可達850 mm,遠遠超過了目前市場上普遍應用的最大直徑為426 mm 的樁徑,為大直徑灌注樁在復雜地質條件下的使用提供了幫助,與普通灌注樁相比,既安全又工期短、污染小。與相同承載力的預制樁相比,造價節(jié)約三分之一以上,取得了良好的社會經濟效益,為濕陷性黃土地區(qū)的施工提供了技術指導。

2 數值模擬分析

沉樁擠土效應的數值模擬是樁基工程研究的熱點問題之一,前人已經提出了多種研究方法,例如小孔擴張理論、應變路徑法等。從數值分析的角度來看,沉樁擠土效應模擬的難點在于貫入過程中復雜的接觸問題(樁體位置不斷改變,土體擠出空腔)和大變形引起的網格畸變。研究通過ABAQUS的standard模塊分析三維沉樁擠土效應,并通過滲流邊界條件,對沉樁后土體濕陷性的發(fā)生程度進行分析。

2.1 沉樁擠土效應的模擬

(1) 三維有限元模型的建立 采用ABAQUS有限元軟件。計算時土體采用M-C塑性屈服準則來模擬,樁采用彈性模型[14],樁的直徑為850 mm,樁的長度為15 m,由于連續(xù)有限元在模擬貫入方面存在天然缺陷,因此在地基土中先預設置小孔,相應地,樁尖以下設置光滑的細柱體,如圖1所示。

圖1 樁管模型Fig.1 Pile pipe model

地基土體設置半徑為5 m,高為30 m的圓柱體,為了便于收斂,初始狀態(tài)樁尖已經入土。網格單元采用C3D8單元,樁體附近區(qū)域通過設置種子數來進行局部加密。有限元網格劃分如圖2所示。

圖2 三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model

(2) 模型邊界條件及荷載的施加 實際工程中假設樁端阻力影響范圍外的土體不發(fā)生變形,故土體的底面及四周需要三向約束。為了確保樁沿豎直方向壓入土體中,限制樁體在x、y方向的位移以及x、y、z方向的轉角。由于樁的貫入需要考慮樁的自重影響,分析步中首先應進行地應力平衡。沉樁模擬通過樁頂設置位移值來實現(xiàn)(需要在分析步中打開大位移選項),位移加載的優(yōu)點為可與現(xiàn)場實際工程相對應。

(3) 樁土接觸面設定 在樁基模擬中,通過摩擦系數來描述樁土相互作用力。樁-土的接觸面設置為硬接觸[14-15],摩擦特性設置為罰函數。樁-土接觸面采用 General contact 接觸方式,軟件可以根據樁的貫入自動搜索接觸對象,為摩擦系數0.3和局部的接觸性質,即樁管-土接觸為摩擦系數0。根據土體和樁的彈性模量大小關系,將樁管設為主面,土體設為從面。

2.2 沉樁擠土效果分析

(1) 土體應力場分析 總體來說,在沉樁過程中,由于擠土效應的存在,樁端周圍接觸的土體會發(fā)生明顯的應力集中現(xiàn)象[15-16]。沉樁不同深度時水平應力云圖、豎向應力云圖以及土體剪切應力云圖分別如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出,當振動沉管灌注樁沉至4 m時,土體的水平應力最大值為76 kPa,豎向應力最大值為24 kPa,剪切應力最大值為2.6 kPa;沉至10 m時,土體的水平應力的最大值為380 kPa,豎向應力最大值為300 kPa,剪切應力的最大值為10 kPa;沉至15 m時,土體的水平應力最大值為620 kPa,豎向應力最大值為592 kPa,剪切應力最大值為19 kPa。通過對比發(fā)現(xiàn),剪切應力的峰值均小于其余方向的峰值,這表明在沉樁過程中,因為土體發(fā)生了剪切破壞,使得樁體下沉。各應力分量的最大值集中區(qū)隨著樁體的下沉而下移,同時各應力峰值也不斷增加。此外,由圖 3、圖4還可以看出,樁端周圍土體的應力值遠大于其他位置處的應力值。

圖3 沉樁不同深度時水平應力云圖Fig.3 Horizontal stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

圖4 沉樁不同深度時豎向應力云圖Fig.4 Vertical stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

圖5 沉樁不同深度時土體剪切應力云圖Fig.5 Shear stress nephograms of the soil at different depths for the pipe pile sinking

(2) 土體位移場分析 數值分析中通過在荷載模塊的分析步中設置位移值加載來實現(xiàn)沉樁,在樁頂按照設定的位移量進行分級加載,使樁基礎完全貫入土體。樁完全貫入土體后位移云圖如圖6所示。

圖6 土體位移云圖 Fig.6 Displacement nephograms of soil

由圖6(a)可以看出,樁尖附近的土體受到樁的沖擊,產生向下的位移,這與工程實際相一致。由圖6(b)可以看出,土體的變形沿著土體的中性軸逐漸發(fā)展,土體在沉樁過程中,徑向位移逐漸沿中性軸向兩邊延伸;大概距離中性軸約5 m處,土體的徑向位移基本趨于零。

(3) 沉樁阻力 灌注樁在土中的沉樁阻力曲線如圖7所示,曲線可以看成雙折線分布,即沉樁初期(①段)和沉樁中后期(②段)。由圖7可以看出,在沉樁初期,曲線有輕微的波動,這主要是因土體表面在樁尖刺入的過程中,土體發(fā)生了剪切破壞,使得土層表面土體松動。隨著沉樁深度的增加阻力不變,樁體與土體之間的接觸面積增大,進而使得總沉樁阻力也增大,這與文獻[17]中沿樁深度方向沉樁阻力逐步增大的結論相一致。

圖7 沉樁阻力曲線Fig.7 Sinking resistance curve of the pipe pile

2.3 黃土濕陷性模擬

有限元計算模型采用二維軸對稱模型,土性參數、本構模型和邊界條件與第一個模型相同,不同點為裝配時樁體已入土,網格單元采用CAX4R單元。根據現(xiàn)場地勘報告,7.2 m以下為細砂層,通過設置水頭高度為0.45 m,底部孔壓為0,在土體表面施加荷載來模擬上部結構的自重,通過邊界條件的施加來還原黃土的濕陷性變形[18]。有限元模型如圖8所示,根據ABAQUS軟件的優(yōu)越性,軸對稱模型可以后處理為三維云圖,后續(xù)云圖采用三維模式。

圖8 樁-土模型Fig.8 Pile-soil model

2.4 濕陷性結果分析

(1) 土體位移場分析 最終狀態(tài)的位移云圖如圖9所示。從圖9(a)中可以看出,豎向位移的最大值為16.63 cm,與現(xiàn)場實測值14.32 cm相比,增大了16.13%,產生此差異的主要原因是現(xiàn)場條件的局限性,且監(jiān)測周期短,土體固結未完全。圖9(b)中水平位移的峰值為0.117 cm,說明水平位移很小,與現(xiàn)場所得結果一致,黃土濕陷性主要導致豎向位移。從豎向位移云圖還可以看出,離樁近的位置土體沉降較小,說明采用灌注樁對濕陷性黃土的沉降具有抑制作用。

圖9 土體位移云圖 Fig.9 Displacement nephograms of soil

(2) 樁身應力分析 最終狀態(tài)的樁體應力云圖如圖10所示。由圖10可以看出,濕陷性工況下樁身會存在負摩阻力,從變化趨勢看出側摩阻力先增大后減小,峰值為1 088 kPa,出現(xiàn)在距樁頂8.25 m的位置,約為樁長的0.55倍,小于規(guī)范值0.7倍樁長,樁身負摩阻力會導致承載力下降。根據文獻[19]中所述,負摩阻力會隨時間而消散,灌注樁成樁過程中會產生微浸水現(xiàn)象,也會減小負摩阻力。

圖10 樁體應力云圖Fig.10 Pile stress nephogram

綜上所述,土體濕陷量模擬值與現(xiàn)場實測值相近,所以根據地勘報告,通過設置水頭、初始孔隙比和孔壓邊界條件,以數值模擬來估算濕陷量是合理的,這樣有助于判斷濕陷程度,預測可能發(fā)生的沉降量,以便選取合理的措施來減小濕陷性帶來的危害。

4 結論

大直徑振動沉管灌注樁是一種新型的基礎形式,樁的直徑越來越大,樁的長度越來越長是必然趨勢,也為樁基工程的發(fā)展提出了新挑戰(zhàn)和難題,因此需要對理論及施工工藝進一步完善,做到更加合理、安全、經濟的施工。

研究采用數值模擬的方法,通過建立三維有限元模型,模擬振動沉管灌注樁的沉樁過程,得到了以下結論:

(1) 樁體下沉是因為在樁尖刺入土體的過程中,土體發(fā)生了剪切破壞;

(2) 隨著沉降深度的增加,樁側土體各應力峰值不斷增大;

(3) 通過在樁頂設置位移值可以近似模擬沉樁過程,且容易收斂,結果與實際值相吻合;

(4) 隨著灌注樁的逐漸下沉,沉樁阻力逐步增大,整個沉樁阻力曲線可以近似看成雙折線;

(5) 通過ABAQUS在加載與滲流耦合工況下進行濕陷性模擬,能更好地得到與實際情況相近的濕陷沉降量,并且土體沉降會導致樁身出現(xiàn)負摩阻力,降低樁基承載力。所以通過本研究的方法來模擬濕陷變形以獲取濕陷量,進而指導工程實踐是有意義的。