文摘

研究长径比和泥饼的影响钻孔灌注桩承载力,室内模型试验和有限元数值模拟方法被用来进行桩的载荷试验在不同泥饼厚度(0和0.5毫米)和不同长径比(10、14和24)。桩顶位移的变化规律,桩承载力、桩轴力、侧摩阻垂直荷载下进行了分析。结果表明,螺旋桩的长径比越大,周围的泥饼的负面影响更有效地桩的沉降和桩端阻力克制,和桩的极限承载力提高。研究结果具有重要的科学价值和实践意义理解的影响长径比无聊灌注桩的承载力。

1。介绍

由于施工振动小等优点,承载力大,和良好的抗震性能,钻孔灌注桩承载力已成为一个共同的基础形式为高层建筑和高架桥梁等基础设施。现场试验和工程实践表明,灌注桩的承载力的影响相关的修饰符(1],但灌注桩的承载力,桩、土之间的相互作用的结果(2]。因此,泥饼和桩长径比是重要的因素在改变桩周围的土壤摩擦属性(3],它具有十分重要的工程应用价值,研究其影响泥浆wall-protected灌注桩的承载力。

目前,一些学者进行了模型试验,数值模拟和现场试验钻孔灌注桩的承载特性与泥饼的影响的单因素或桩长径比。马吉德和海德尔4]的荷载沉降曲线,建立了预测Chin-Konder螺旋桩的极限承载力的方法。基于人工神经网络(ANN),王et al。5]和Moayedi Armaghani [6]发达条件下不同桩的沉降和承载力预测模型不同的行为。这些模型被实验证明有很高的可靠性。Jebur et al。7描述桩长径比的影响和沙堆摩擦角桩住区通过一个新的人工智能优化模型的算法。陈等人。8)发现,泥饼的浓度将大大减少摩擦桩的桩端阻力所占比例在砂卵石地层室内模型试验。亚历山大(9)认为,有一个互动端阻力和侧阻力,并增加桩的长度将加强当地的桩侧阻力的影响。周和陈10)发现通过实验和PLAXIS模拟土壤摩擦退化的程度与土壤的强度和高度在桩端周围。如果桩端周围土壤的强度高,额外的泥饼的影响更严重,减少摩擦是更大的。如果桩端周围土壤的强度低,额外的泥饼的影响对桩侧摩阻力降低。基于数值模型,周et al。11)发现,增加桩的长度和直径是一种有效和经济的方法来改善纵向和横向承载力。Alielahi和Adampira12)确定桩的实际受力性能的各种方法根据工程实例。王等人。13)发现monopile负载在黄土地区主要由反应部队提供的桩侧摩擦阻力。

虽然学者们进行研究单一因素的影响如泥饼和长径比轴承无聊灌注桩的特点,几乎没有详细介绍室内模型试验,特别是在泥饼厚度的控制。总之,研究下钻孔灌注桩的承载力合并后的泥饼和桩长径比的影响仍然是不够的。测试桩的承载力与泥饼厚度已经完成,在引入14]。本文关注长径比的影响桩的承载力与槽壁的保护,没有泥饼和桩在桩对照组。因此,本文进行了桩加载测试在不同泥饼厚度(0和0.5毫米)和不同长径比(10、14和24)通过室内模型试验和有限元建模方法,分析了桩顶位移的变化,桩承载力、轴向力、和竖向荷载作用下横向摩擦阻力,希望为相关项目提供参考。

2。室内模型试验

2.1。模型桩的准备

2.1.1。模型桩

基于模型的规模比测试(1:20),空心有机玻璃管直径50毫米被选中的模型桩,和六组模型桩的大小如表所示1。为了排除其他因素的影响在这个测试中,所有桩都是同一批次的产品在同等条件下做好准备。取样后,弹性模量进行了测试,确定和选择的样品的弹性模量是2.98∼3.03绩点,低色散。测试结果的误差可以忽略。因此,桩的弹性模量作为3 GPa和桩的底部密封有机玻璃。为了提高横向摩擦、桩统一用砂纸打磨。模型的制备过程如图1。

2.1.2。泥饼

泥饼层之间的粘性土桩和桩侧土的(14]。泥饼是来自南方的第二部分的扩展公路项目在合肥,并均匀地刷在刷的桩。固定水土比例是用来使泥饼,以确保泥饼的密度基本上是一致的,避免不同泥饼密度对实验结果的影响。其中,泥饼密度可以通过下列方法:第一,重质量米₁100毫升的量筒的电子秤精度为0.1 g,然后混合检索的泥浆现场,把它倒入量筒。测量质量米₂包含100毫升的量筒的泥浆,并计算泥浆的密度为1.119克/厘米³使用公式(1)。由于胶体率也是一个重要指标评价钻井泥浆,泥浆的胶体率选择这个测试确定为95.5%。 在哪里米₁是量筒的质量;米₂是量筒和泥浆质量的总和;和V₁是泥的体积。

泥饼制备过程如下:的泥饼浆槽是由工程机械和设备,搅拌,然后泥饼了,加载到桶里。在每个测试之前,使用搅拌机搅拌均匀超过10分钟。泥饼的厚度d是由 在哪里米₃桩的重量;米₄桩的重量和泥饼;γ泥饼密度;和l桩的长度。

2.2。土壤模型箱和模型

2.2.1。模型箱

消除边界效应的影响在成堆的轴承性能,一个圆形钢桶的直径1200毫米,高1800毫米,10毫米的厚度是用作模型盒子。马克周围的规模在垂直方向提前模型箱,运输模型的土壤塑料桶,每次包300毫米高的介质砂,紧凑的260毫米,多次重复这个过程。填充指定的高度后,选择模型土深度0厘米,30厘米,60厘米,90厘米,120厘米,分别由环刀密度测试方法,以确保模型土的密实度是一致的,和最后的土层厚度是1.8米。

2.2.2。土壤模型

模型的土壤中粒砂,这是来自宁波轨道交通1号线的部分项目网站;项目的纵向剖面如图2。沙的物理力学参数在模型中土壤应当确定。测试包括密度测试、颗粒级配分析试验和直接剪切试验。

(1)密度测试。模型测试土壤密度是由环刀方法。环刀60厘米的卷³被选中。三个测量后,平均值。测量数据如表所示2。土壤的密度模型是按照下列公式计算: 在哪里米₅的总质量环刀、土壤、和底座;米₆环刀的质量;米₇基板的质量;和V₂是环刀的体积。

因此,土壤密度是1.82克/厘米测试模型³。

(2)颗粒分级测试。土壤渗模型的筛选方法,和孔隙大小的筛子是2,1.18,0.6,0.3,0.15,和0.075毫米。用200 g模型土的电子秤精度为0.1 g和把它15分钟。筛查结果如表所示3,电子秤和筛在图所示3。

基于“公路工程测试方法的土壤”(15),粒子质量的百分比小于某一粒径在土体总样本可以根据计算 在哪里X粒子的质量百分比小于一定尺寸,计算至0.1%;一个粒子的质量小于一定粒径的样本通过2毫米筛;B是样本取自土壤样本的质量传递2毫米筛;P与粒径粒子的质量百分比小于2毫米。

不均匀系数和曲率系数可以根据计算 在哪里C_u不均匀系数;d₆₀是限制粒度;d₁₀是有效粒径;C_c曲率系数;d_30.是粒子大小对土壤的粒度分布曲线;和土壤颗粒的质量小于这个粒度是土壤颗粒的总质量的30%。

因此,不均匀系数和曲率系数模型的土壤在这个测试被确定为2.94和1.69,分别。

(3)直接剪切试验。模型土的直接剪切试验采用高速剪切的方法。选择四个样品从土壤模型和应用压力为100,200,300,和400 kPa在垂直方向,应用水平剪切力沿剪切面0.01毫米/分钟的速度得到剪切应力时失败。位移值和相应的测功器阅读记录每一次土样剪切位移的增加0.2毫米直到测力计阅读出现的峰值。这个时候,失败的值应该被记录和直剪仪图所示4。根据土壤剪切力的计算模型 在哪里R的阅读力测量仪;C测功器的校准系数;一个样地;10是单位转换的因素。

因此,土壤模型所需的参数如表所示4。

2.3。测试设备和加载方案

BE120-3A应变仪的选择,它是对称附着在前方和后方的桩,502胶,环氧树脂胶。应变计的垂直间距相同的一侧是桩长度的1/5,和应变仪连接到数据采集仪器的网格状的方法。数据采集仪器由网络电缆连接到计算机,然后提取的数据收集和数据处理软件。应变仪的布置如图5。

更好的符合实际的工作条件和保护泥饼,桩由nondisplacement安排(原状)方法,如上所述,阿赞和阿尔•Mesmary [16];即模型桩垂直悬浮和集中20厘米一个位置高于模型箱的底部。沙子倒和压实方法的部分2.2。1实现目标密实度和严格保持一致性的每个测试安装。维护缓慢加载模式是用于模型试验,采用和加载的杰克安排在桩的顶部。初始载荷为0.5 kN,补充的公差0.5 kN。桩顶荷载和位移是阅读每5、10、15、30、45、60分钟加载。加载稳定性条件和终止条件进行基于“建筑桩基技术规范”(17]。桩加载装置如图6。

3所示。室内模型试验结果的分析

3.1。荷载分析

垂直静态荷载(q s)曲线能反映桩的荷载传递和轴承行为系统。六桩荷载(q s)曲线显示在图7。基于“建筑桩基技术规范”对应的负载极限位移年代= 0.06D作为桩的极限承载力;也就是说,带负载时,桩沉降是3毫米。桩的极限承载力表所示5。

不难看到从图7在相同竖向荷载,桩的沉降没有泥饼(M0、M2和M4)和桩与泥饼(M1、M3、M5)随长径比的增加而减小。的解决与泥饼大于桩的桩没有泥饼在相同的负载和桩长度、长径比越大,桩沉降的增加就越大。

从表可以看出5泥饼的存在导致桩承载力的下降。当长径比是10,14日和24日,桩的极限承载力降低了0.12 kN, 0.13 kN,分别和0.16 kN。当没有泥饼(M0、M2和M4)和泥饼(M1、M3、M5),每个桩的极限承载力逐渐增加,当长径比大,在达到极限承载力,q s曲线的斜率显著增加,这是符合文献[7,18]。

与M0桩相比,M2和M4桩的极限承载力提高19.20%和15.47%,分别。与M2桩相比,M4、M5桩的极限承载力提高7.93%和4.09%,分别。它表明,当桩长度增加,即使有桩周围的泥饼,轴承性能仍然可以改善。

3.2。分析桩轴向力

桩的轴向力部分可以按照每个加载阶段下的桩的应变。这个公式是 在哪里E桩的弹性模量,一个桩的横截面积,的压力吗我_th部分。图8表明六桩的轴向力的变化不同的负载应用。

它可以从图8轴向力曲线非线性分布,曲线的斜率变化代表了趋势的侧向摩擦monopile,如上所述,唱(19]。斜率越大,越小的横向摩擦力。垂直荷载作用下,桩体逐渐压缩,之间的相对位移和桩身和桩侧土生成。在这个时候,桩侧土的侧向摩擦阻力开始发挥作用。总体趋势如下:在相同桩垂直载荷,轴向力逐渐降低,桩的埋深的增加,和最大桩顶轴向力。在同一深度相对于桩,桩的轴力与桩竖向荷载呈正相关。大桩的顶部的竖向荷载,桩轴力越大在同一位置,所以它属于摩擦端承桩。它还可以看到从图8当上部荷载较小,桩的轴力与大长径比小,甚至往往是0。通过对比桩的轴向力曲线M0、M1, M2和M3, M4、M5,发现泥饼的厚度有显著影响提示抗桩竖向荷载的比值。这是因为周围的泥土桩减少桩和土之间的摩擦系数,从而削弱桩侧摩擦阻力的发挥。

3.3。分析桩侧摩擦阻力

桩侧摩擦力可能源自于轴向力,和段的平均横向摩擦我是 在哪里一个_我之间的上、下部分桩侧表面和N_我和N_我+1轴向力的吗我_th和(我+1)_th部分,分别。

图9表明,当在桩顶竖向荷载小,与桩的埋深的增加,桩的侧向摩擦曲线从小型增加到最大,然后逐渐减少。在同一深度、桩侧摩擦力与桩竖向荷载呈正相关,与总体布局是“驼峰。”桩竖向荷载越大,侧阻力就越好。随着负载应用于桩顶的压力中心横向摩擦逐渐变化的上部桩的下部桩;也就是说,桩侧阻力在不同深度的土层是异步施加。桩顶的距离越远,桩侧阻力发挥越慢。随着长径比的增加,远峰位置的桩顶,因为上层土的侧向土压力很小,桩侧阻力是小的。

因为小的轴向力的降低桩,桩周围的土壤所产生的相对位移减小,阻力在桩端外侧也弱。如图10,当桩的长度是相同的,桩的极限侧摩阻与泥浆的缺陷也会减少。相比没有泥桩缺陷的长宽比10,14日和24日,桩的极限侧摩阻泥缺陷将减少15.89%,14.93%,和15.77%,分别。泥浆wall-protected灌注桩承载力,长径比更重要的影响减少最终的侧向摩擦桩。最终的侧向摩擦桩的长径比14到24减少了23.2%和48.9%,分别比桩的长径比10。

3.4。桩端阻力的特征

桩端阻力的变化趋势如图11和12。桩端阻力和桩竖向荷载的关系曲线是非线性的。当桩竖向荷载小,桩端阻力几乎没有作用。随着荷载的增加,桩端阻力逐渐发挥作用,和曲线变化速度逐渐加快。长径比越小,小费的比例越大阻力和曲线越陡峭。这是因为大长径比的桩侧摩擦桩长,并且负载主要由桩侧摩擦。泥饼的存在会影响桩的摩擦系数,减少桩侧摩擦阻力,但长径比将限制泥饼的不利影响在抵抗。

4所示。数值模拟分析

4.1。数值模型的建立

的大小和参数设置桩和土与室内模型试验相一致。桩的直径50毫米,长度是500毫米,700毫米,1200毫米,周围土壤桩的直径是1200毫米,高度是1800毫米。材料参数如表所示6。

虽然二维轴对称分析可以简化程序并获得结果更容易在很短的时间内,为了方便与群桩工作在未来,三维模型用于分析。线性弹性模型,建模的桩土和泥饼由莫尔-库仑模型建模。模型主要适用于材料的特点是粒子结构单调加载下(20.]。pile-muddy-soil接触表面采用主从联系关系,摩擦系数设置为 ,和正常的硬接触。tie-binding约束桩底和土壤之间的选择。模型采用C3D8元素,六面体网格类型。相关参数设置请参考[21]。S1桩的网格划分如图13。经过多次的仿真分析,发现当前模型的网格大小可以更好地满足计算精度和运行时间的要求,所以后续模型使用这个网格密度作为最优网格密度进行仿真计算。设置初始应力后,应力分析步骤中实现平衡。然后,桩元素被激活,让它接触周围的土壤。由于桩重量比土壤重量大,应力状态略有改变。这种方法适用于钻孔灌注桩的安装过程22]。从桩的顶部,垂直向下加载分为十个阶段,第一阶段的加载0.5 kN,然后每个阶段增加0.5 kN直到5 kN。

应该强调,桩的安装效果将影响土壤的刚度通过改变桩周围的应力状态,这也进一步导致显著改变桩的承载力随时间(23- - - - - -25]。然而,由于本文关注不同长径比的影响桩的承载力,并严格维护每个测试安装方法的一致性,本文不考虑安装的具体影响对桩的承载力的影响。

4.2。荷载分析

应该注意,编码的模拟桩平行于同一编号的测试桩和桩具有相同的特性。它可以从数据推断14和15和表7模拟沉降曲线缓慢变化没有一个明显的拐点。当垂直荷载小,桩的沉降与不同长径比小,差异不明显。随着长径比的增加,解决对照组之间的差异与相同的桩长和桩与泥饼逐渐出现,表明泥饼的润滑效果将更加明显随着长径比的增加。桩的极限承载力与长径比呈正相关;长径比越大,monopile的承载能力越好。在相同竖向荷载,桩的沉降随长径比的增加,和q s曲线更加稳定。因此,桩大长径比的影响更明显控制解决方案。

随着有限元软件太理想化处理桩相互作用的过程中,会有一些差异的数值模型试验和有限元模型在相同的影响因素。通过比较数据表5和7,每个模拟桩的沉降比的测试桩,但变化法获得的两个基本上是相同的;也就是说,泥饼在桩端将增加的解决桩顶部和削弱桩的极限承载力。长径比越大,桩的沉降越小,越小的负荷比例由土壤,以及极限承载力越大。相比,螺旋桩的长径比,螺旋桩的极限承载力与24的比例增加了30%。

4.3。分析桩轴向力

桩轴力曲线显示在图16。有一个非线性桩轴力和深度之间的关系,这基本上是按照轴向力的变化趋势的模型试验。长宽比越大,轴向力越小。最大轴向力位于顶部的桩沿桩和逐渐减少。泥饼在桩将减少桩与土之间的摩擦系数,提高桩端阻力的承载比桩极限承载力。

4.4。桩端阻力和轴向力的特征

提示建模桩阻力的变化趋势显示在数字17和18。长径比越小,阻力小费的比例越大,泥效果更明显影响提示抗桩竖向荷载的比例。的负载下5 kN, S1桩端阻力的2.61 kN比例为0.522,S3桩端阻力的2.37 kN比例为0.474,和S5桩端阻力是2.12 kN比例为0.424。

结合上面的分析,可以推断出,解决法律和轴向力变化趋势的模型试验和数值模拟通常是一致的。桩的沉降与长宽比呈负相关,与泥饼的厚度呈正相关。长径比的影响桩的位移显著大于桩的泥饼对位移的影响,和最终的侧向摩擦和桩端阻力显著降低随着长径比的增加。

5 kN负载下,轴向力的对照组(S0, S2, S4)和泥饼厚度0.5毫米桩(S1、S3和S5),如图19,表明在相同的负载,模拟桩和桩端阻力模型有相同的趋势随着长径比的变化,也就是说,仿真结果基本可靠。桩头的轴向力与长径比负相关。降低利率降低逐渐随着桩长径比的增加。桩端轴向力的增加与泥饼厚度的增加,但泥饼厚度的增加效应的轴向力,桩端并不足以弥补长径比的弱化效应在桩头的轴向力。

5。结论

根据室内模型试验和数值模拟的结果的六个钻孔灌注桩,推断,泥饼和长径比的影响在成堆的轴承性能是相互影响,并得出以下结论:(1)随着长径比的增加,泥饼的润滑效果将变得更加明显,这使得解决区别对照组和长度相同的螺旋桩逐渐出现,和尖端的承载比耐极限承载力不断增加。(2)桩头有负相关的轴向力与长径比和积极的协会与泥饼的厚度。然而,泥饼厚度的影响的轴向力,桩端仍不足以弥补的削弱影响桩的长径比在轴向力。(3)钻孔灌注桩,长径比的增加将导致桩侧摩擦阻力的比例的增加和减少的终极横向摩擦阻力。灌注桩与长径比的14到24,最终桩的摩擦阻力是23.2%和48.9%低于10桩的长径比,分别。

目前,本文只研究了轴承的行为具有不同长径比的单桩,桩和轴承的特点和解决法律组不同长径比下将受到有关未来的模型试验和数值模拟分析。总的来说,螺旋桩的长径比越大,它能更有效地抑制泥饼的不利影响沉降和桩端阻力,然后提高轴承的性能。然而,这并不是说长径比越大,就越好。因此,为了充分发挥土壤摩擦在实际工程中,桩周围的泥饼的厚度必须严格控制在选择最优桩长。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

没有报告的作者潜在的利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由安徽建筑大学的科研项目(没有。2019 qdz24)。