数值模拟研究不同的影响因素对提高根桩的承载力,直轴成堆,基座成堆

文摘

根桩(以下称为RP),这是一种很有前途的新型非圆形cross-section-shaped桩和满足抗拔桩的发展的要求,介绍了推广。验证实验和数值结果的基础上,建立了有限元模型,研究影响根的安排和尺寸参数对提高承载力和经济的RP相比直轴和基座桩(以下称为SP和PP)。结果表明,RP的隆起承载力高于SP和PP、桩的长度越长,越RP的承载力会增加与SP和PP。为了进一步提高RP的承载力,根的承载机理进行了分析,根层的大小和间距的建议值。此外,最经济的方式来增加桩承载力是增加而不是增加桩径长度。

1。介绍

随着基础设施建设的发展,桩的发展面临一系列挑战,包括提高承载力,减少物料消耗。桩与非圆形截面形状的有前途的新桩类型开发基于传统SP的要求桩基础的发展。有几个受欢迎的桩与非圆形截面形状在过去的几年里:[支盘桩1,2),页(3- - - - - -6),螺杆桩(7,8),X形桩(9,10)等等,PP轴承通常采用建筑提升负载。

RP是一种新型的桩和提出的阴11)首先,如图1通过嫁接,形成预制根部到SP。RP的机制包括一边摩擦预制桩身和悬臂行动的根源,因此RP可以有效提高承载力。此外,压实效果所产生的推动周围的土壤将增强根系周围土壤的物理和机械性能;然而,根压实效果难以定量考虑在实际工程。

(一)

(b)

(c)

RP的施工过程相对比较复杂,根据不同施工方法的顺序把根钢筋和安装。推动根钢筋首先和安装后采用实地测试,和相应的简短的施工过程如图2。

RP主要是用作抗压轴承基础出现以来,和调查和应用RP是罕见的隆起轴承的行为,使其提高承载力往往被研究者所忽视。根的抗压承载力沉箱和根的最佳分布调查锣等。12通过现场加载试验和阴et al。13)通过数值模拟,分别和他们的研究都指出,根可以显著提高抗压承载力。根的存在能否改善提升承载能力是未知的,但值得探索根的安排的影响,桩的长度和直径,提高承载力和空心部分的RP和RP相比的优势与SP和页。

验证实验和数值结果的基础上,上述数值模拟研究的受试者。根的承载机理进行了分析,数量和规模的影响根和根的间隔层的承载力进行了讨论。通过分析桩长度和直径的影响和空心部分隆起承载力的不同桩类型,综述了RP / PP的优点。此外,建议提出了关于如何提高提高承载力。

2。材料和方法

2.1。材料

土壤是由莫尔-库仑模型,模拟桩和根都由钢筋混凝土被弹性模型模拟。材料参数如表所示1,单位重量γ,泊松比ν,凝聚力c和内摩擦角φ通过现场测试和弹性模量E和扩张角ϕ通过校准。


材料	单位重量γ(kN /米³)	弹性模量E(MPa)	泊松比ν	凝聚力c(kPa)	内摩擦角φ(°)	扩张角ϕ(°)

土壤	16	15	0.3	20.	22	2。2
桩	24.5	30000年	0.2	- - - - - -	22	2。2

2.2。本构模型

采用库仑摩擦模型来描述接触表面之间的摩擦行为。自孔桩在现场测试手动钻的侧墙孔相对粗糙,外摩擦角δ土与桩之间被选为22°是一样的土壤内摩擦角φ,相应的摩擦系数μ是0.40。的最大侧摩擦定义如下: 在哪里接触表面之间的正常压力。库仑摩擦模型的有限元分析,弹性滑动的距离应该被指定。对小位移不大于 ,一个线性增加的摩擦直到达到认为,对于较大的位移,一边摩擦仍是一样的吗。,一边摩擦符合以下关系: 在哪里接触表面的切向刚度。根据先前的研究14,15),一边摩擦将达到它的最大价值5毫米的相对位移。弹性滑动的距离在本文的数值模型因此5毫米。

2.3。数值模拟

直径和模型桩的埋深1.2—-2.8米和做些米。摘要页提到,扩大基地的直径桩身直径的1.5倍,并扩大基础的高度是1米。根0.15 - -0.3米宽,0.3 - -0.4米身高-1.6米长0.6出桩身,被安排在圆周方向的间距相等。应该注意的是,根推进土壤的压实效果的数值模拟没有考虑。

基地的径向和轴向尺寸,分别为25和桩直径的16.7倍,从计算足以避免明显的造假被发现的计算结果。的位移X和Y水平方向的横向边界和四面八方的底部边界约束。桩和土被离散成C3D8R元素,和三维有限元网格模型如图3。

模型计算三个步骤。首先,进行了地应力的平衡领域。在这个过程中,土壤的重量是应用于整个模型中,水平应力系数k被定义。值得注意的是,的大小k决定了侧摩阻力的大小,即k对计算结果有很大的影响。Kulhway和Kozera16指出的价值k有关建筑的安全水平和应力历史的土壤(土的超固结比对(OCR)),这可能是主动土压力系数之间了吗k_一个和被动土压力系数k_p。这是决定采用水平应力系数,在这种情况下,数值结果与实验结果可以在协议在最大的程度上。随后,桩土之间的区别、体重又应用于桩了。在这一步中,由于不同的重量,小位移和压力会产生,这将作为数值计算的初始条件。最后,提升负载应用于桩顶部和逐渐增加直到达到极限荷载。

负载由力加载,直到计算不收敛。提高桩的荷载位移曲线可以分为突变和逐渐不同类型,并最终提升承载能力可作为前负荷前突变突变曲线和负荷诱导向上相应地逐渐60毫米的位移变化曲线。

3所示。数值模型的验证

现场加载试验进行三个桩,包括SP 1号,2号页,15卢比(见表2)。土壤剖面由大厚度和持续的黄土地层。冻融可能影响黄土的强度(17,18];然而,冻融没有参与实地测试;测试的目的是比较三种桩的承载力,所以没有考虑冻融黄土的影响。收集土壤样本和测试实验室,和样本的属性如表所示1。显示所有的加载测试进行缓慢的加载方法和由液压千斤顶加载在一个增量300 kN,如图4。位移传感器被放置在顶部的桩头隆起位移测量。实验和数值结果的比较这三个桩图所示5。


桩号	桩型	根没有。每层	不。根层	第一根层深度(d)	根层之间的间距	极限承载力问_u(kN)	问_u增量与桩1号(%)

1	RP	SP			- - -	突变,32.13毫米,2550 kN
2		页				3952年	55.0
3		4	1	7.5		3288年	28.9
4		6	1	7.5		3542年	38.9
5		8	1	7.5		3687年	44.6
6		6	1	1		突变,31.74毫米,2750 kN, 7.6%
7		6	1	2		突变,34.68毫米,3000 kN, 17.6%
8		6	1	3		突变,39.94毫米,3250 kN, 27.5%
9		6	1	4		3512年	37.7
10		6	1	5		3597年	41.1
11		6	2	4	1 d	4079年	60.0
12		6	2	4	二维	4250年	66.7
13	6	2	4	3 d	4292年	68.3
14	6	2	4	4 d	4500年	76.5
15	6	3	1	3 d	4606年	80.6

请注意。d等于1.2桩轴的直径。桩1号、2和15验证桩相同大小的实地测试桩。根的长度、宽度和高度是0.6,0.15,和0.3 m,分别。

(一)

(b)

从图可以看出5的隆起位移数值模拟获得的比实验结果大,这是因为接触表面的切向刚度不变的弹性滑动阶段数值模拟。然而,对于现场加载测试,接触表面的刚度逐渐腐烂,然后保持不变。三个测试桩的数值结果与实验结果趋势一致,表明数值结果可以真正反映了桩承载力。然后,RP进行了的数值模拟研究。

4所示。结果与讨论

4.1。研究根安排

为了研究不同的桩承载力的不同部分(包括SP、PP、和RP)和根的安排的影响提高承载力,进行了数值模拟。具体的仿真程序和相应的结果如表所示2,桩的荷载位移曲线如图1 - 156。

以下4.4.1。根桩与单根层

(1)根的数量。图6和表2表明,最终提高承载力问_uRP和PP明显大于SP, 2 - 5号和桩的荷载位移曲线逐渐变化,这是不同于SP的变异曲线,为上部结构提供更高的安全系数。此外,在桩身根嫁接,提升承载能力越高;然而,随着根的数量增加,增加的问_u逐渐减少。

进一步分析的根的影响问_u周围的塑性区土壤根下问_u提取,如图7。RP 3号(如图7(一),根的数量是4,根的环形间距是0.792米),上面的塑性区土壤根周围的根集中和分散,不会完全调动土壤高于根部。相反,塑性区桩5号(8根)是相互重叠,这将影响根的影响。至于RP 4号,6根和环形间距0.478米,因为基本上连接塑性区,上面的土壤根可以充分调动抵制隆起负载。考虑到根的影响问_u施工的难度和强化,根的数量应该是6,根之间的环形空间应该是0.4 - -0.5米。此外,根之间的环形空间将进一步分析部分4.2.2。

(一)

(b)

(c)

(d)

(2)轴承的根本机制。以RP 4号(6根)作为一个例子,根和轴承过程的影响进行了分析。图8显示了轴向应力分布的根,和图9显示了根沿横截面的弯矩。从数据可以看出,该地区除了共同的根源和桩身轴向应力和弯矩的分布接近悬臂梁在均布荷载。均布荷载的大小是由提升负荷的大小决定的,周围的土壤的物理和力学性能,根之间的间距。根独立承担提升负荷,而它们之间的间距足够大;然而,根和土壤会一起工作,和土拱效应发挥作用,当间距相对较小。

(3)根的埋深。至于RP 4号和6 - 10,每堆有一根层,和根的埋藏深度为7.5,1、2、3、4和5 d,分别。可以看到从图6和表2,埋深根改变从浅到深,荷载位移曲线逐渐从突然改变未能缓慢破坏。根驱动土壤拉在一起,减少了横向压力之间的基础和桩身的埋深根太浅了;例如,问_u和加载位移曲线RP 6号(根埋在一维深度)类似于SP。此外,隆起位移RP 9和10号的4 d和5 d的埋深小于4号的埋藏深度为7.5 d,即。,更高的桩承载力9和10号;其中的原因是根的埋深桩4号太大,只有隆起位移足够大时,根可以发挥。总之,太浅或太深埋深根不利提高承载力,与最好的嵌入深度是4和5 d。

如图10,当根的深度浅于3 d 6 - 8号(RP),塑性区将达到地面问_u的原因,提升6 - 8号桩桩顶荷载位移曲线突变。当埋深深度超过4 d (RP 4号、9和10),塑性区显示mountain-shaped分布,集中在2 d根以上的范围。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

4.1.2。根层之间的间距

如图6和表2,一个根层RP的承载力小于页;然而,随着根层的增加,明显提升承载能力增加,相反的关系了。为RP 2层(11 - 14号),其承载力层间距增加而增加。因为浅埋深的第一根层,问_u与三根桩号15层仅略大于桩14。

图11显示了RP的塑性区分布11 - 14下问_u。相比之下,图10可以看出,塑性区桩号11 - 14大于桩的一根层,表明多层RP可以调动土壤抵抗隆起负载在更大的范围内,从而导致承载力比一个根层RP。当间距不超过2 d(桩11和12号),两层之间的塑性区会重叠,应该避免。当间隔不少于3 d(桩号13 and14),第一次和第二次的塑性区层不会被连接问_u的影响,这表明两层可以独立播放,彼此不受影响。这项研究部分4.1。1表明,塑性区集中在2 d根以上的范围;换句话说,当两层之间的间距不小于2 d,根之间的影响很小,在本节中得出相同的结论。

(一)

(b)

(c)

(d)

通过上述分析,最佳埋深之间的关系的第一根层和层间距和桩径d(d本节是1.2米)进行了讨论。事实上,这两个值是完全无关的d,但与实际的距离,这将进一步阐述了部分4.2.4。

4.2。研究桩长度和直径的影响和空心部分桩承载力

4.2.1。准备桩的长度的影响

桩的长度从5米至25米的影响模拟比较隆起承载力桩长度和类型。此外,RP 20米的长度,分析了不同数量的根层研究根布局对承载力的影响。具体的仿真程序和相应的结果如表所示3,桩的荷载位移曲线如图所示12。


桩号	长度(米)	桩型	埋深的根	极限承载力问_u(kN)	问_u增量同比SP长度(%)

16	5	RP	SP	突变,16.70毫米,700 kN
17			页	1490年	112.9
18			1 d, 3.5 d	1596年	128.0
1	10		SP	突变,2550 kN, 32.13毫米
2			页	3952年	59.7
15		RP	1 d 4 d 7 d	4413年	78.3
19	15	RP	SP	突变,5030 kN, 54.92毫米
20.			页	5887年	17.0
21			1 d、4 d, 7 d 10 d	7136年	41.9
22	20.		SP	突变,7500 kN, 52.67毫米
23			页	8134年	8.5
24		RP	1 d、4 d, 7 d, 10 d, 13 d, 16 d	10000年	33.3
25		RP	1 d 4 d 7 d	9010年	20.1
26		RP	1 d、4 d, 7 d, 10 d	9044年	20.6
27		RP	1 d 4 d 7 d, 10 d, 13 d	9648年	28.6
28	25	RP	SP	突变,9975 kN, 56.37毫米
29日			页	10580年	6.4
30.			1 d、4 d, 7 d, 10 d, 13 d, 16 d	12114年	21.4

(一)

(b)

桩的承载力与桩长度的增加,增加和SP逐渐变化的载荷位移曲线突变逐渐变化。的问_u增加页和RP和SP随桩长度的增加,这对PP更明显。例如,PP的载荷位移曲线长度不少于20 m与SP。基本上是重合的问_uRP是15 - 25%的增量高于PP。此外,当桩长度大,根安排上桩可以承担提升负荷即使提升负荷很小;然而,扩大基地页只能承受负载条件下的大位移常常超过正常使用极限状态。更重要的是,扩大基地页很难操作,和崩溃孔桩长度较大时发生频繁;相反,它是可行的安排几根层的上部堆。

图12和表3表明为RP -号3 - 6根层,分别承载力增加根层数增加。此外,桩的承载力26号(5根层,根的最大埋深15.6米)几乎是一样的,27号桩(6根层),这意味着根排列的影响的下部桩上隆起的电阻负载很小,特别是对长桩。

4.2.2。桩直径的影响

桩直径1.6 - -2.8 m的影响模拟比较桩直径和根的长度和数量提升承载能力。具体的仿真程序和相应的结果如表所示4,桩的荷载位移曲线如图所示13。


桩号	直径(米)	根大小(高度×宽度)(m²)	根的长度(米)	根没有。每层	根环间距(m)	极限承载力问_u(kN)	问_u增量同比直径SP (%)

31日	1.6	0.3×0.15	0.8	SP		突变,3600 kN, 43.41毫米
32				页		4915年	36.5
33				6	0.687	5622年	56.2
34				8	0.478	5947年	65.2
35				10	0.352	6125年	70.1
36	2。0	0.4×0.2	1.0	SP		突变,4650 kN, 52.00毫米
37				页		6151年	32.3
38				8	0.585	7233年	55.5
39				10	0.428	7416年	59.5
40				12	0.323	7531年	62.0
41			0.8	10	0.428	7019年	50.9
42			1.2	10	0.428	7828年	68.3
43	2。4	0.4×0.2	1.2	SP		5692年	- - -
44				页		7079年	24.4
45				10	0.554	8515年	49.6
46				12	0.428	8684年	52.6
47				14	0.338	8809年	54.8
48	2。8	0.4×0.3	1.4	SP		6608年	- - -
49				页		8505年	28.7
50				10	0.579	9805年	48.4
51				12	0.433	9997年	51.3
52				14	0.328	10154年	53.7
53			1.0	12	0.433	9158年	38.6
54			1.2			9600年	45.3
55			1.6			10378年	57.7

请注意。桩的长度超过10米,和所有的RP安排三根层与埋深1.2米,4.8米,8.4米,分别。

(一)

(b)

与SP相比,问_u增加不同数量和长度的RP根如图14。的承载力RP的数量和长度增加而增加,而增加率随根的数量的增加而减小。一般而言,RP承载力的增加略有增加数量的根当根之间的环形间距小于0.4 - -0.5米。根长度对承载力的影响大于根数,并建议根的长度不应超过0.5倍桩径由于特殊的施工过程。

根的高度和宽度应满足桩直径;此外,建筑的影响的根钢筋也应该被考虑。换句话说,根的宽度和高度不应超过主钢筋和箍筋间距之间的间距酒吧,分别。建议高度和宽度应0.3根的长度的-0.4倍和0.1倍桩径,分别。此外,高度和宽度应小于400毫米和300毫米,分别;如果不是,高度和宽度应减少配筋率或提高混凝土强度的增加,根。

4.2.3。空心部分的影响

为了比较墙的厚度和埋深的影响空心部分的桩提高承载力和优化大直径桩的设计,模拟空心桩的不同参数。具体的仿真程序和相应的结果如表所示5,桩的荷载位移曲线如图所示15。图表表明,提升承载能力基本上是不受影响的壁厚和埋深的中空部分。


桩号	直径(米)	壁厚(m)	空心截面的埋深(米)	相对应的承载力30 mm隆起位移(kN)	相对应的承载力60毫米隆起位移(kN)

15	1.2	实心桩		3118年	4413年
56		0.3	1.35 - -8.25之间(1^圣和3^{理查德·道金斯}层)	3079年	4356年
57		0.4		3097年	4381年
58		0.5		3107年	4395年
59		0.4	1.35 - -4.65之间(1^圣和2^nd层)	3104年	4392年
60		0.4	4.95 - -8.25之间(2^nd和3^{理查德·道金斯}层)	3105年	4391年
39	2。0	实心桩		4789年	7416年
61年		0.4	1.35 - -8.25之间(1^圣和3^{理查德·道金斯}层)	4696年	7253年
62年		0.55		4817年	7345年
63年		0.7		4753年	7342年
51	2。8	实心桩		6329年	9997年
64年		0.5	1.35 - -8.25之间(1^圣和3^{理查德·道金斯}层)	6161年	9712年
65年		0.7		6266年	9875年
66年		0.9		6318年	9945年

请注意。的空心部分桩号56 - 61 - 63和64 - 66基于桩15号安排,39岁,分别和51。所有的桩长10米,安排三根层埋深1.2米,4.8米,8.4米,分别。

空心部分的安排会改变桩的应力分布。由于桩的张力条件和混凝土抗拉强度小,有必要比较空心桩的应力分布。桩的直径1.2,2.0,和2.8米,中间部分桩的轴向应力分布提取提升负载时是3000年,5000年和6000 kN,分别(相应的隆起位移都是大约30毫米),如图16- - - - - -18。应该注意的是,采用弹性模型桩,桩的破解失败并没有考虑。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

数据16- - - - - -18表明,桩的轴向应力分布的壁厚0.5米,0.7米,0.9米是类似于固体桩直径1.2,2.0,和2.8 m,分别。相应地,壁厚比桩直径是0.416,0.35,和0.32,分别。此外,它可以推断,对大直径桩,空心部分可以采用降低材料消耗。空心桩的壁厚0.3 - -0.4倍桩径,桩直径越大,价值越小。此外,应力集中发生在根和桩身之间的联合和根,和结构的措施,如增加混凝土标号和强化比率,应考虑根和联合加强。

4.2.4。讨论桩长度和直径和空心部分的影响

桩长度和直径的影响的比较在不同桩的承载力类型如图19,根层RP长度的数量从5米至25米是2 - 6,分别的长度根桩直径的一半,与根的环形间距是0.4和0.5米。可以看到从图19,问_u增量的PP和RP和SP与桩径的增加基本持平,也就是说,SP的桩直径对承载力的影响,PP, RP是相似的。然而,桩长度对承载力的影响不同的桩类型显示不同的趋势。PP和RP可以用来提高桩提高承载力,桩长度不超过10米。桩不少于15米长,相比之下,RP的承载力的增加,PP更小的增量。

桩长度和直径的影响和空心部分单位的混凝土的承载力(以下称为问_单位)与桩15号(实心桩10米的长度和直径1.2米),结果如表所示6。的问_单位增量比率往往与增加桩长度保持不变,问_单位随桩直径的增加,桩直径越大,越高。此外,直径2.8米,范围内的空心部分的安排影响不大问_单位。综上所述,提高桩承载力通过增加长度比通过增加桩直径更经济,但必须指出,施工过程变得困难的增加桩长。总的来说,建设难度的影响和混凝土消费应该考虑全面。


桩号	长度(米)	直径(米)	具体的消费(米³)	极限承载力问_u(kN)	单位混凝土的承载力问_单位(kN /米³)	问_单位增量与桩相比,15号(%)

15	10	1.2	11.79	4413年	374.30	- - - - - -
21	15		17.60	7136年	405.36	8.30
27	20.		23.42	9648年	411.99	10.07
30.	25		29.23	12114年	414.41	10.72
34	10	1.6	20.96	5947年	283.73	−24.20
39		2。0	33.80	7416年	219.41	−41.38
46		2。4	48.67	8684年	178.42	-52.33
51		2。8	67.59	9997年	147.90	-60.49
58		1.2	11.30	4395年	388.80	3.87
63年		2。0	30.33	7342年	242.07	−35.33
66年		2。8	62.17	9945年	159.97	−57.26

请注意。桩58号63和66是空心桩。

为了研究根和桩的埋深的影响上面的塑性区直径根,RP的塑性区直径从1.2米到2.4米和RP的20米的长度与不同数量的根层提取问_u,如图20.。塑性区范围,都集中在约2.4根,上面的范围基本上保持不变,增加根系深度和桩直径。换句话说,根层的间距是独立于桩的长度和直径不应小于2.4米。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

5。结论

本文的有限元模型建立了RP提升负荷,和根的安排和桩直径和长度的影响桩的承载力进行了研究。得到了以下结论:(1)可以大大提高桩的承载力安排根桩身,和RP的隆起承载力随桩长度和直径的增加,根的长度和数量,数量的根层。此外,承载力被空心部分的安排基本上不受影响。(2)PP和RP可以用来提高桩提高承载力,桩长度不超过10米。桩不少于15 m, RP在承载力和建设可行性的优势更明显比PP、和更方便使用RP提高承载力。根层的数量越多,提升承载能力越高,而根排列的影响的下部桩的抗隆起负载很小,和根层的数量不应太多。此外,根层的间距是独立于桩的长度和直径不应小于2.4米。(3)改善桩承载力通过增加长度比通过增加桩直径更经济,但必须指出,施工过程与桩长度的增加变得困难。此外,空心部分的影响在减少对大直径桩混凝土消费并不明显。总的来说,建设难度的影响和混凝土消费应该考虑全面。(4)轴承根机制类似于悬臂梁在均布荷载。根长度对承载力的影响大于根数。建议根的长度不应超过0.5倍桩直径和根的数量应符合的根环间距0.4 - -0.5米。此外,建议根应该是0.3的高度和宽度的-0.4倍根的长度和0.1倍桩径,分别,不应影响钢筋。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的研究生研究和创新的基础重庆,中国(没有。CYB18126)和西北电力设计院科技工程有限公司有限公司(没有。xb1 - tm05 - 2017)。

引用

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土木工程的发展

问题和非饱和土力学:根本性的挑战,突破,和机遇

文摘

1。介绍

2。材料和方法

2.1。材料

2.2。本构模型

2.3。数值模拟

3所示。数值模型的验证

4所示。结果与讨论

4.1。研究根安排

以下4.4.1。根桩与单根层

4.1.2。根层之间的间距

4.2。研究桩长度和直径的影响和空心部分桩承载力

4.2.1。准备桩的长度的影响

4.2.2。桩直径的影响

4.2.3。空心部分的影响

4.2.4。讨论桩长度和直径和空心部分的影响

5。结论

数据可用性

的利益冲突

确认

引用

版权

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