数值分析的轴承行为Prebored预制桩的扩大基础

文摘

Prebored预制桩的扩大基地(PPEB桩)是一种新型的绿色和环保近年来,桩基础在中国开发复杂轴承特点和许多影响因素。基于静态负载测试和关键参数的测试在上海软土深,一个三维数值分析模型建立了ABAQUS有限元软件。预制桩的荷载传递规律,水泥土壤和土壤桩和着重扩大基地的作用机理进行了分析,以及敏感性分析影响轴承性能的主要因素。计算结果表明,扩大基地的存在可以大大提高抗压承载力,增加的直径和高度扩大基地有利于承载力,直径膨胀比的影响是更有效。与结节性成堆的比例的增加,极限承载力略有增加,但变形明显增加。水泥的土壤条件下的测试桩,相邻的间隔结节的结节性桩承载力没有明显的影响,和1米间距可以优化常用的工程应用。水泥土层厚度的增加有利于桩承载力的提高,但效率很低。最后,一些改进措施PPEB桩的施工技术。

1。介绍

Prebored预制桩与扩大基地(PPEB桩)是一种新型的绿色和环保桩基础在中国近年来开发的1]。这PPEB桩需要一种特殊的安装过程(2),如图1。首先,一个特殊的混合使用钻钻,搅拌,灌浆的土壤形成井眼扩大基地土壤水泥砂浆填满。然后,预制混凝土桩插入土壤水泥砂浆的自重。土壤水泥凝固后,桩刚性桩的身体被水泥包装的结构是由土壤。的属性中使用的水泥灌浆桩身和扩大基础是不同的。一般来说,预设base-forming水泥灌浆水/水泥(/c)的比率0.6注入扩大基础,和side-forming水泥灌浆/c比1.0注入井中。因此,桩身的形式将预制桩周围的水泥强度较低的土壤和水泥土壤与高强度增大。可以由内部混凝土预制桩预应力高强混凝土(PHC)成堆,PHC桩的结节状,预应力钢筋高强混凝土桩(PRHC),等等。

由于特殊的施工工艺和复合材料组成和结构、轴承的特点PPEB桩非常复杂,影响因素众多。静载荷试验和模型试验的基础上,许多研究人员(2- - - - - -6)初步讨论了垂直压缩下的桩的荷载传递规律和验证其可靠的承载力。应该强调,现场测试桩或模型的数量是有限的,这使得分析结果有一定的局限性。数值模拟是一种有效的工具来分析复杂的工程问题,特别是桩相互作用。通过数值分析,你们et al。7- - - - - -9]讨论了荷载传递法和增强核心性能的影响以及加强了深层水泥搅拌桩的失效行为。基于浙江省PPEB桩技术的工程应用,中国,杨et al。10周],et al。11谢,et al。12)利用数值模拟方法分析预制桩的结构尺寸的影响,土壤性质、水泥土壤特性、承载能力和其他因素,丰富了PPEB成堆的特点的理解。然而,前面的数值研究缺乏内部应力分析桩基的行为,这是至关重要的理解荷载传递规律。

作者通过实地测试在上海,初步讨论了轴承的行为PPEB桩在深厚软土地层(2]。本文基于上述静载荷测试和关键参数测试,预制桩之间的荷载传递法,巩固土壤,土壤桩和扩大基地的作用机理进行了进一步分析数值模拟。然后,主要影响因素的敏感性分析抗压轴承性能。

2。现场试验

本文进行的实地测试的交集江阳南路和香港上海的广域网路。一般来说,有八个土壤层次上70米内的土壤在地面以下。土壤的基本物理机械性能如表所示1。有效的凝聚力和摩擦角从固结不排水试验测定。获得了不排水抗剪强度的原位十字板剪切试验和经验值。

指定三个测试桩,桩TP1, TP2和TP3安装现场。测试桩的长度和轴直径55米和750毫米,分别。预制混凝土桩内聚集了一个40米长,直径600毫米的PHC桩在上部与110毫米壁厚和15米长,直径650毫米(500毫米)结节性桩(即。增加,桩身直径500毫米,650毫米的结节)和100毫米壁厚在下部。扩大基地长2750毫米,直径1200毫米。确保预制桩的材料强度,测试桩采用了与100毫米C100高性能混凝土立方体抗压强度54.7的绩点120.9 MPa和弹性模量。

进行静载试验桩43-45天后安装。依法维护负载方法采用中国代码jgj106 - 2014 (13]。试验装置主要由一个反力装置使用混凝土块,使用液压千斤顶加载装置和使用力和位移传感器测量系统。测试桩检测与振弦应变仪获得桩的轴向力。

可以观察到明显的词形变化的荷载位移曲线TP1和TP2。位移是小在加载的初始阶段和急剧增加,当达到8800 kN的极限承载力。的桩头TP3是在测试期间,相对于负载测试在TP3终止在8000 kN的应用负载。TP3的荷载位移曲线没有明显的变形。桩顶位移和应用负载的几个关键阶段总结在表2。详细的测试结果中描述先前文献[2]。

3所示。有限元数值模拟

3.1。数值模拟

三维有限元分析(FEA)方法纳入软件有限元分析被用来TP1的负荷模型。的垂直加载单桩轴对称,一半的模型分析简化计算。减少有限元分析模型边界的影响,桩周围土的半径20米,宽20多倍桩径的飞机,和深度是80米,如图2。桩头的距离底部整个土壤模型的20多倍桩径,以确保边界效应是微不足道的。土壤模型的底部固定在所有三个方向,和其他方面限制只允许垂直位移。线性弹性模型用于预制桩和莫尔-库仑弹塑性模型用于水泥PPEB桩周围土壤和土壤。

的初始地应力土壤被认为是在模型中,而位移控制方法被用来应用垂直荷载。土壤的参数选择表1。根据工程经验在上海14),试验结果计算,弹性模量(E)可以作为土壤的5倍的压缩模量(E_年代)。通过反演静载荷试验的结果(2),预制桩的弹性模量是60 GPa,泊松比为0.15。

水泥土壤PPEB桩的一个重要组成部分。水泥的特点和参数土壤、预制pile-cement土壤界面,和水泥土土界面获取正确的数值分析结果至关重要。上述参数与土壤水泥将通过综合分析现场测试和实验室测试。

3.2。现场和实验室测试土壤水泥

符合要求的桩孔在现场试验,土壤水泥搅拌桩K1没有预制桩。可以认为K1的水泥土壤性质是一样的测试桩。因此,从K1获得核心样本进行测试。固化后48天,无侧限抗压强度(UCS)土壤水泥1.7∼4.0 MPa,凝聚力是342∼731 kPa,内摩擦角是37∼45°。水泥土的变形参数通常是测量变形模量(E₅₀土壤是水泥的割线模量在50%抗压强度)15]。基于无侧限压缩试样的应力-应变关系,变形模量E₅₀水泥土壤估计102∼222 MPa。

由于钻井施工困难,扩大基地的土壤水泥不能取样和测试。因此,根据实际放大的构成基础,实验室土壤水泥配比试验。典型的粉质粘土和粉土在上海被选为土壤材料,和P·O 42.5硅酸盐水泥被选为胶结材料。在实际的建设,大量的水泥浆在桩头扩大基础体积的100%,然后是钻杆上下搅拌均匀了1到5次。灌浆完成后,体积比(水泥灌浆/浆)约为1.0到1.5。在实验室测试中,泥浆的比重为1.5,当水灰比的水泥灌浆是0.6。体积比(水泥灌浆/浆)被设置为1,1.5,2准备扩大基地的土壤水泥砂浆。粗糙的样品是由挂袋方法(见图3),然后切成圆柱体的高度100毫米,直径50毫米。

标准养护室养护28天后,无侧限抗压强度试验和剪切试验进行了1毫米/分钟的加载速度。实验室测试结果如表所示3。根据现场和实验室测试结果,在有限元分析模型中,水泥土壤参数的值如表所示4。泊松比是假定在经验值。

3.3。接口定义

在有限元分析模型中,三个界面元素定义:预制pile-cement土壤界面,预制桩界面,和水泥土土的界面。所有三个接口定义的接触行为使用各向同性库仑摩擦模型,使主人和奴隶之间的滑移和分离的表面。使用库仑摩擦模型的可行性和准确性来模拟桩的相互作用已被许多研究人员以及验证(16- - - - - -18]。他们的最终表达为摩擦阻力 在哪里界面的摩擦系数,法向应力,是摩擦控制最终的价值,它是通过分析桩身轴力的现场试验(见表1)。

了解土壤的水泥界面更清晰的特点,进行模型试验设备使用圆柱界面模型,如图4。C40强度等级的混凝土材料,水泥灌浆和砂浆的体积比是设置为0.15和0.6,两组。测试结果表明,当UCS土壤水泥522∼4572 kPa,界面剪切强度增加而增加的UCS;值是0.167到0.224(平均值0.193)。的UCS水泥土壤桩身的保守作为1.0∼2.0 MPa。根据这个接口模型试验的结果,这是保守估计,提供的界面摩擦力的水泥土壤170∼340 kPa。然而,最终当地轴水泥电阻土土在上海PPEB桩约100 kPa [2]。因此,我们可以看到,预制pile-cement土界面的摩擦性能明显优于水泥土土的界面。因此,预制pile-cemented土界面的摩擦系数设置为高0.80,确保预制桩和水泥土之间的摩擦性能。

摩擦系数(μ)的桩界面可以通过方程计算(2)和(3)[19]: 在哪里φ土壤和摩擦角吗δ的内摩擦角桩界面。当摩擦角φ= 15°30°,摩擦系数μ等于0.23到0.35 (2)和(3)。桩土界面的内摩擦角也可以估计根据(0.7∼1.0)φ(20.]。当φ= 15∼30°,δ= 0.8φ的摩擦系数μ等于0.21到0.45。考虑到现场地质条件,预制桩和土之间的摩擦系数模型中为0.35。

水泥的一部分土壤泥浆渗入到PPEB桩周围的土壤,所以水泥土土界面的摩擦性能普遍优于concrete-soil接口。结合现场试验的结果的分析,水泥土土界面摩擦系数的设置为0.53。

3.4。数值结果的验证

荷载位移曲线和试验桩的轴力分布计算有限元分析程序如图5。有限元分析建模以及模拟现场试验桩的承载和变形行为,这表明,建立三维模型和所选参数是合理的。因此,基于这一三维数值模型,是可靠的分析影响抗压轴承性能的主要因素。

4所示。压轴承PPEB桩的特性

4.1。压轴承特性的分析

的发展的塑性区PPEB桩系统在加载如图6。马克(AC收益率的收益率21屈服发生时),等于1和0的不屈的。由于节点的值是由插值,它可能超过或小于0时显示,但它不影响计算结果的可靠性。代表加载条件的测试桩也显示在图6,在这问₁弹性极限负荷,问₃极限载荷,问₂中间过渡负载,问₄最大负载。

在初始加载阶段问₁的轴阻力PPEB桩上土逐渐动员;同时,脚趾阻力也发挥了作用,增加了加载。加载后问₂,土壤的外缘扩大基地是第一个进入塑性状态;有一个分离的趋势扩大基础和土壤的肩膀,所以土壤的应力松弛导致收益率。继续加载,轴阻力达到极限,更负载是由扩大基地周围的土壤。土壤的塑性区逐渐扩大的外缘基地扩大,穿过底部的扩大基础。当加载极限荷载问₃,土壤应力松弛区,其长度约1次的直径扩大基础之上成立的可变截面扩大基础。在极限荷载问₃,继续加载主要是由土壤的桩,和塑性区发展到上部的土壤。最后下的土壤水泥结节的结节性桩也形成了一个屈服区由于压力的增加和逐步发展从底部到顶部的扩大基础。最后,PPEB桩达到最大负载问₄。在整个加载过程中,没有塑性区在桩身周围的水泥土壤,表明土壤水泥的强度可以保证界面的粘结强度预制桩和水泥之间的土壤。

4.2。桩身应力分析

对比总PPEB桩轴向力和轴向力的代表加载条件下预制桩图所示7。nonenlarged基础情况下,水泥桩周围土的刚度低,所以PPEB桩的轴向力主要是由预制桩控制。的财产扩大基地的土壤水泥预制桩比这更好,扩大基础的负载共享不能被忽略。△问在图7由水泥负载共享PPEB桩土。的轴向力水泥土壤在扩大基地急剧上升与下面的深度和达到最大最后的小结。相反,预制桩的轴向力急剧下降的范围内扩大基础。这反映出扩大基地的作用。力被转移到扩大基地的土壤水泥通过结节,然后扩大基地周围的土壤。它是更大范围的土壤的反应,增强最终PPEB桩的承载力。在极限荷载下问₃,扩大基地阻力(52米部分的轴向力)约占26%的应用负载,这是近场测试结果(5]。的加载下问₁,问₂,问₃,问₄脚趾阻力(轴向力55米的部分)是830年,965年,1415年和2765 kN,分别占14%,13%,16%,和27%的总负载。

水泥土壤的压力远低于预制桩,首先,负载转移从预制桩水泥土壤然后桩周围的土壤。水泥土壤上的垂直压力钢管桩沿深度逐渐增加。垂直应力分布的结节状低桩节是更复杂的。在加载的过程中,每个结节挤水泥较低土壤和与上层土壤水泥有紧张的趋势。因此,范围内的每一个结节,结节下的水泥土壤的垂直压力是最大的,而上面的水泥土壤的垂直压力下结节是最小的。

水泥的垂直应力扩大基地的土壤也显然不同的上方和下方各结节,如图8。水泥土壤的垂直压力下最后一个结节是最大和向上发展。弹性负载后问₁,上面的拉应力区发生最后小结。与极限载荷Q3,拉应力区出现以上三个结节肿大基地。后问₃的挤压,结节得到加强。然而,挤压变形限制了桩头位移;拉应力区从下到上逐渐关闭。

水泥扩大基地的土壤也受到更高的剪切应力。图9表明,在极限载荷下问₃剪切应力(1260 kPa)的水泥下土壤的最后结节明显高于土壤的桩(265 kPa)。因此,当土壤水泥的强度还不够,水泥的压缩失败或剪切破坏土壤之前可能发生失败的堆。

5。参数分析

水平,PPEB桩的结构不均匀,纵向和桩身的大小是不同的(扩大基地),如图10,所以有许多因素影响其轴承性能。基于上面建立的三维有限元分析模型,影响因素等的高度和直径扩大基地,比例的结节状,相邻的间隔结节,水泥土壤厚度进行了分析。

5.1。扩大基础的高度

扩大基础的设置是一个重要的特性,区别其他无聊的PPEB桩预制桩和水泥深层搅拌桩常用。扩大基础的结构对轴承性能有很大的影响。在建模计算,扩大基础的高度(l_b)为0,1.0,2.0,2.7,4和5米(即。1.3 d, 2.7, 0 d, d, 3.6 d, 5.3 d,和6.7 d;D是钻孔的直径),包括0,1,2,3,4,5结节,分别。

计算结果如图所示11。结合的特点q s曲线和塑性区发展的土壤,极限承载力的定义,如图(11日)。比较分析PPEB桩的极限承载力在不同放大基础高度如图11 (b)。基于案例没有扩大基地(l_b= 0),当l_bd d d = 1.3, 2.7, 3.6, 5.3, 6.7 d,极限承载力增加了11.7%,13.0%,13.9%,15.5%,和16.7%,分别。它可以显示的存在(即扩大基地。,including one nodule) could dramatically improve the bearing capacity, but with the increase of the height of the enlarged base, the increase of bearing capacity was limited. Therefore, in actual projects, the height of the enlarged base is 3 times the borehole diameter, which contains 2∼3 nodules, and the force of the enlarged base can be guaranteed.

5.2。直径膨胀比的增大基础

直径膨胀率(λ)被定义为的比例放大底座直径钻孔直径。在建模计算,直径膨胀率λ设置为1.0,1.3,1.6,2.0,和支承层将medium-dense淤泥混合粉质粘土(⑦)和密集的细泥砂(⑧)。

数值结果在不同条件下的膨胀比和桩支承层直径图所示12。更好的支承层,极限承载力越大。同样,直径扩张比越大,极限承载力越大;此外,脚趾抵抗线性增加的比例。膨胀比的选择更扩大基础的强度是否符合控制要求的冲压或压缩阻力和建筑设备能力的限制。在实际工程中,直径膨胀率一般控制在1.6。

5.3。比例的结节

PHC结节性桩一般用于PPEB桩的下部,和结节可以有效地提高预制桩和水泥之间的结合力土壤。特别是在桩身的结束,PHC结节性桩和扩大基地形成一个整体,一起承担载荷。在数值模型中,结节性桩段的长度被设置为0,4日,15日,28日,40岁,从桩头和55米,占0%,7%,27%,50%,73%,和100%的总桩长度,分别。

与结节性成堆的比例从7%上升到100%,桩头位移显著增加,而极限承载力只增加了约3.5%,如图13。由于结节性桩的刚度小于PHC桩的直径相同,变形增加的比例的增加在相同负载下结节成堆。特别是PHC结节性桩中使用的上部桩身(如100%)接受大负载,将共享一个较大的桩变形。另一方面,更大的桩头位移导致了较大的桩土相对位移,这在一定程度上改善轴阻力。变形,因此,在项目的高要求,这是一个更合理的形式设置1∼2部分结节成堆的下部PPEB堆。

5.4。相邻的间隔结节

相邻的间隔结节(l_n)结节性成堆被设置为1,2,3,4 m进行分析。土壤条件下的水泥(UCS= 1.7∼4.0 MPa)现场试验桩的荷载位移曲线几乎是相同的使用上述不同间距时,如图14。曲线表明,相邻的间隔结节的变化从1米到4米对承载力没有明显的影响。这个结果可能有两个主要原因。首先,水泥预制桩周围的土壤有很好的属性,从而确保高之间的界面粘结强度的预制桩和水泥的土壤;界面强度高抵制结节性桩和水泥土之间的相对位移,从而削弱周边结节的结节和间距的影响轴承性能。第二,在数值模型中,结节状下部桩,只占27%的桩长度,以便结节性桩段的总体影响不显著。因此,当水泥预制桩周围土的性质是好的,结节性桩的比例相对较小,1米间距可以优化项目中常用的。

5.5。土壤厚度的水泥

水泥在PPEB桩土的厚度随钻孔的直径。在有限元分析模型中,650毫米(500毫米)直径结节性桩下部中使用。当土壤水泥钻孔的直径(D)被设置为750,850,950,和1050毫米,厚度的水泥土壤是125,175,225,和275毫米,分别在nonnodules。

条件下,扩大基地的大小是常数,而非线性承载力增加水泥土壤的厚度的增加,如图(15日)。效率分析是基于钻孔试验桩的直径750毫米,如图15 (b)。尽管轴阻力的增加是类似于承载力的发展,增加单位面积上的轴电阻率继续下降。它可以推断出,深厚软土地区,效率的提高承载力增加土壤水泥的厚度很低。

6。结论

基于静载荷试验和关键参数测试在上海软土深,使用有限元分析建立了三维有限元分析模型。然后,轴承PPEB桩的特点进行了分析。主要结论如下:(1)莫尔-库仑弹塑性模型采用桩身周围的土壤水泥和扩大基础,弹性模量是150 MPa和1500 MPa,分别。水泥预制pile-cement土界面摩擦系数和土土界面分别为0.80和0.53,分别。数值结果以及模拟现场试验桩的承载和变形行为。(2)在加载的初始阶段,负荷转移到桩头,外加负载的增加,轴阻力逐渐被动员从上到下。nonenlarged基础部分的轴向力PPEB桩主要是由预制桩控制。扩大基础部分,负载被转移到扩大基地的土壤水泥通过结节,然后扩大基地周围的土壤。扩大基地的土壤水泥高垂直压应力和剪切应力。(3)扩大基地的存在可以大大提高PPEB桩的抗压承载力。直径和高度的增加扩大基础承载力是有益的,以及直径膨胀比的影响是更有效的。在实际工程中,可靠的控制放大底座直径1.6倍的钻孔直径和采用扩大基础高度钻孔直径的3倍。(4)与结节性成堆的比例的增加,极限承载力略有增加,变形明显增加。设置1∼2部分结节成堆的下部PPEB桩是一个更合理的变形要求较高的测量项目。当水泥预制桩周围土的性质是好的,结节性桩的比例相对较小,1米间距可以优化常用的项目。(5)承载力的厚度的增加而非线性增加土壤水泥。深厚软土地区,效率的提高土壤承载力增加水泥的厚度很低。

数据可用性

使用的数据来支持本研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究项目支持的上海学术/技术研究(没有领袖。18 xd1422600),中国博士后科学基金会(没有。2021 m690784),科技广州市政建设集团(没有计划。2020 - kj013)。

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