文摘

桩基础的侧向位移对整体结构的安全是至关重要的。在这项研究中,数值模拟的侧向位移叠加荷载作用下桩基础进行确定其与不同的影响因素。仿真结果表明,叠加在桩端荷载主要影响桩基础的侧向位移。桩基侧向位移的增加一个数量级时,堆垛负载增加从100 kPa到300 kPa。其他影响因素比堆垛负载更重要。桩身和桩的侧向位移,可以有效地降低最高增加表面土体的变形模量,减少软土的厚度,并扩大桩径。我们的分析表明,横向位移之间存在非线性关系,桩顶和桩直径。桩侧阻力的身体可以增强耦合叠加荷载沿桩和桩的轴向力。实际的大型工程项目被选为模拟的影响postconstructed路堤的侧向位移和轴向力桥桩基在不同施工条件下,得到桩身侧向位移和造成的负摩擦阻力在堆垛负载下软土的压缩。在计算结果的基础上,工程安全性和稳定性进行了评估,提出了设计和施工的指导。

1。介绍

桩基础在桥梁、房屋建筑和码头建筑工程主要承受轴向负荷。然而,桩基础是不可避免的受到土体的横向运动由于开挖实际的建设和使用,目前的冲刷,相邻堆垛负载,或其他原因,根据梁等。1[]和波勒斯2]。工程事故可能发生如果这种影响并不彻底。此外,预期目标是不能实现的,如果桩基础的水平阻力,将保持土壤稳定在一些高路堤或边坡工程,是不够的。这些问题表明,研究桩基础在横向运动的反应土壤质量是很重要的。讨论这些问题,学者们进行了大量的理论和实验研究和工程应用的突破。例如,可以设计的边坡稳定问题提出的极限平衡法Ito et al。3]。水平力应用于桩基计算通过使用理论公式推导出Ito和松井(4弹塑性位移的理论的基础上。考虑到实际工程的复杂性和多样性,许多研究学者报道桩基的水平阻力。陈和Poulos [5]研究了垂直桩在水平运动的反应土体采用简化的边界元。吴作栋et al。6]分析了单桩的反应embankment-induced土体的横向运动。Ashour和诺里斯7]分析了桩身的弯曲刚度的影响,桩截面形状、桩间隔,和土壤层桩基横向电阻的使用压力楔形模型公式。的基础上的挠曲微分方程温克勒弹性桩与桩相互作用弹簧模型,梁等。1)提出了一种简化的分析方法相结合的两阶段方法,用来解决土壤桩的侧向位移的影响。勒布朗et al。8],德桑蒂斯和Russo [9),Kitiyodom和松本(10)进行了相应的研究,主要集中在桩在纯粹的横向负载下的行为。然而,加载在桩基可能发生倾斜或组合形式在实际服务。Karthigeyan et al。11),简et al。12),李et al。13),和μet al。14)发现,桩组合荷载作用下反应的显著差异在纯粹的垂直或纯水平加载。μet al。15)研究的反应共同作用下的单桩垂直和横向负载通过一系列的实验,发现垂直负荷可以提高单桩的水平阻力。这些研究没有考虑桩周围的土壤质量。考虑桩基的实际深度分层条件范围,吴作栋et al。6),Ashour et al。16),和阳和鲍里斯17)评估与两层土桩的横向行为。京et al。18]研究了深层搅拌桩的侧向位移和弯矩在不同路堤位置通过边坡破坏模式和发现的最大弯矩总是出现在摘要土壤界面。这些研究考虑几个主要土壤层和两层土壤(软、硬土层),这显然是不同于实际工程。此外,他们没有考虑土壤的相对厚度软、硬层。因此,应该进行进一步的研究。研究桩基础的水平阻力的关键是确定桩的侧向位移。最准确的方法确定桩的侧向位移是通过原位测试或实验研究,为钱教授等人提出的。12),郭和酥油19),Reddy和Ayothiraman [20.]。然而,该方法很难应用于实际工程。实证方法和有限元方法被广泛使用。实证方法是由许多工程项目的积累,只适用于某些情况下。在特殊情况下,实证方法可能会导致巨大的错误。随着计算机的性能的提高,大型有限元软件已应用于分析工程问题,从而获得准确的结果。杨和鲍里斯17),Hazzar et al。21),Zhang et al。22,23),对牛群et al。24陈,和许25]研究了横向荷载下桩的行为通过使用有限元方法。随后,Karthigeyan et al。11]讨论了轴向荷载对桩侧阻力的影响通过一个数值模拟基础。张先生和李26]研究了桩的弯曲特性的共同作用下桩的轴向荷载和侧向位移使用3 d非线性弹塑性有限元方法。崔et al。27]研究了基岩深度对荷载位移曲线,位移,桩身的弯矩使用应用FLAC3D有限差分分析程序。结合分析结果和实践,Poulos [2]研究了开挖引起的地表位移通过建立二维模型,利用FLAC软件。Karimm et al。28]研究了2 d和3 d的组合分析方法在原桩postconstructed路堤的影响。

目前,很少有研究关注多层土体和桩周围负摩擦阻力由堆垛负载引起的。进一步讨论了桩侧土体的横向运动的影响,在复杂地形条件下,本文讨论了桩侧土体的侧向位移的影响,通过有限元数值模拟,研究了桩基在堆垛负载下的横向电阻在不同施工阶段的实际工程。

2。MIDAS / GTS有限元法原理和数值模型

2.1。MIDAS / GTS有限元方法的原理

在这项研究中,大型商业有限元软件MIDAS(岩土与隧道分析系统)应用进行数值模拟分析。MIDAS有机地结合了通用有限元分析岩石隧道结构的核心和专业要求。MIDAS集成现有的岩石隧道分析软件的优点,解决了位移场和应力场的整体结构,包括位移分布、大小、位置的应力集中,区域和塑性变形区域的范围。操作过程主要包括属性的定义,建立几何模型,啮合,设置的分析条件,分析和结果检查。六个计算步骤执行。

离散化的结构:结构的离散化,计算对象视为一个连续体,然后分成有限元素。接下来,节点设置为指定的元素。相邻元素相互连接的节点。形状、材料、载荷和边界条件的离散结构相同的原始结构。

形状函数的选择:按照选择的形状函数,公式的关系,表示节点位移公式可以推导出在任意点。矩阵形式是 在哪里 位移组件阵列在任何时候和吗 元素节点的位移数组吗 , ,和 。形状函数矩阵 的功能节点坐标。对于三角形元素有三个节点,可以假设一个线性模式。因此,(1)可以写成

建立元素应力和节点位移之间的关系:表示元素应变的关系公式节点位移,称为几何方程,可以推导出几何方程和(1): 在哪里 是任何点的应变数组元素和飞机。是应变矩阵,

元素的关系式,可以从物理方程,推导出压力(3),是物理方程 在哪里是压力数组元素中任何时候,然后呢弹性矩阵或弹塑性矩阵相关的材料属性元素。平面应变弹性问题的方程 在哪里变形模量和吗泊松比。

建立节点力和节点位移之间的关系的元素:根据虚功原理,元素的节点力和节点位移之间的关系可以表示为一个元素的平衡方程: 在哪里等效节点力的数组元素。每个节点( , ,和)的部队沿着任何元素有两个组件和的方向。因此, 。单元刚度矩阵。和是

整体平衡方程的建立:整体结构的刚度矩阵可以通过结合所有元素的刚度矩阵。与此同时,等效节点力数组不同的元素结合,形成整体负载数组 。因此,整个结构的平衡方程

未知的节点位移和元素压力得到解决。

2.2。土体的本构模型

在定义材料属性,选择土体本构模型的结果是至关重要的。目前,常见的收益率在岩土工程国家标准包括特雷斯卡屈服准则,·冯·米塞斯屈服准则,Drucker-Prager屈服准则,Mohr-Coulomb屈服准则和双剪屈服准则的压力。这些收益率标准有一定的自适应准则。莫尔-库仑屈服准则模型可以反映土壤的强度差异效应(重瓣效应)质量与不同级别的抗压强度和对静水压力的敏感性。收益率具有以下三个表达式:

莫尔-库仑屈服准则表示为

应力屈服条件是表达的原则:

如果表达的不变量, 在哪里是极限剪切应力,是最终的积极的压力,是材料的内摩擦角,是材料的凝聚力, , 主应力,第一主应力张量不变量,是第二个偏差应力张量不变量,然后呢是当地的角之间的范围( , )。

岩石材料是一种颗粒物质和主要熊通过粒子摩擦负载。岩石材料的位移和失败受到摩擦的影响。粒子克服相对滑动摩擦,导致失败的结果结合剪切应力和垂直应力的影响。因此,莫尔-库仑屈服准则比较适用于岩体。在主应力空间中,莫尔-库仑屈服面考虑静水压力的影响是一个不规则的金字塔表面六角形节和预计成六边形与不平等的角度飞机(图1)。与其他标准相比,莫尔-库仑屈服准则模型具有较好的可比性,需要相对较少的参数信息。所需的凝聚力()和内摩擦角()可以通过进行常规测试中,测试在工程实践具有重要的作用,已被广泛应用。

2.3。数值模型

有限元模型如图2。填充,软土,是粘土。桩基选择线性弹性模型,并使用梁元素。为了考虑桩和土之间的相互作用,建模的关键是确保桩的元素节点的元素节点重合土壤,土壤的网格大小和桩是1米。泊松比、土壤容重和弹性模量设置为0.2,25 kN / m³,分别和40 GPa。研究堆的大小对侧向位移的影响,桩直径设置为0.8,1.0和1.2米。针对摩尔-库仑模型选择成熟的岩石和土壤质量。使用固体元素。初始变形模量、泊松比、内聚力和具体参数表中列出1。

3所示。参数分析和讨论

3.1。堆垛负载

纵向和横向(设在方向)下的土体位移云图表100 kPa堆垛负载如图3。图3(一个)表明,在堆垛负载下,18毫米向下位移在土壤表面生成。然而,土壤位移,桩基础周围相对较小的比周边地区由于桩的摩擦。图3 (b)表明,土体产生位移对双方的定心堆垛负载,而侧向位移主要发生在第二软土地层。图4表明,桩的侧向位移叠加荷载增加而增加,并在桩顶最大位移。的最大侧向位移为6.14毫米100 kPa和堆垛负载时增加到5.55厘米300 kPa堆垛负载时,显示出增长的订单大小。通过比较与其他因素的结果,我们可以发现堆垛负载主要是重要的桩的侧向位移。图5表明,堆垛负载的增加,侧向位移引起的土体的侧向位移基本上达到一个线性增长,到达顶部的最大层。侧向位移的增长率不断增加。

3.2。土壤表面的变形模量()

所示的数字6- - - - - -7,我们可以发现,土壤表面的变形模量的增加,桩身侧向位移和桩顶部逐渐下降,这反映了土壤表面的弹性模量桩前土体的侧向约束是正相关的。在图6桩身的最大侧向位移是6.14毫米当土体的变形模量是10 MPa。变形模量增加到30 MPa时,最大位移是下降了50%到2.67毫米。比较计算结果中部分3.1表明,地表土体变形模量不是堆积荷载在桩端一样重要。图7显示没有找到明显的线性关系在桩顶位移和变形模量的表面土壤。此外,增加的约束效应随土壤表面的变形模量的增加。

3.3。桩直径

桩身的侧向位移分布云图在不同桩直径图所示8。结合计算结果图9表明,桩身的侧向位移和桩顶和桩直径的增加逐渐降低。然而,还原程度各不相同。当桩直径增加从0.8米到1.0米,桩身和桩的侧向位移上略有变化。桩身的侧向位移和桩顶减少从6.62毫米到6.14毫米。然而,在桩顶最大侧向位移急剧下降到3.41毫米时,桩直径增加到1.2米,因此显然表现出非线性关系。线性关系发展逐渐在不同类型的土壤界面(图10),这可以从两个方面进行解释。一方面,桩身的静负荷桩直径的增加而非线性增加,这有利于桩的侧阻力的增加身体。另一方面,增加桩直径扩大桩接触面积(桩接触面积和桩直径)之间的线性关系。由于桩体和土体之间的摩擦力,土体的侧向位移会引起侧向压力对桩体,从而引起桩身侧向位移。最后一桩身侧向位移的变化规律是用来确定哪些桩静载或横向摩擦之间的主导作用。死者负载需要本例中的主导作用。

3.4。软土厚度

讨论软土的相对厚度的影响,表层土壤的变形模量模型确定软土变形模量的两倍。数据11和12表明,桩身侧向位移的增加而增加的相对厚度软土。桩身侧向位移的增加从3.92毫米到6.63毫米的软土厚度增加从5米到10米(两层土壤)。图12显示了明显的线性关系桩位移和相对厚度的软土。软土的相对厚度对桩的侧向位移和变形模量基本上是一致的表层土壤的部分3.2。当周围土体的变形模量桩前降低,桩顶部的侧向约束减弱,从而增加桩位移在侧向位移或力量。计算分析的基础上,考虑到厚软土地层,可以确定更换厚度根据填土的位移限制和属性,避免不必要的过度充填。

3.5。的影响

变形模量的影响比相邻的硬软层和软土地层( 在桩身侧向位移的数据所示13和14。的增加 ,桩身的最大侧向位移逐渐减小。然而,减少振幅变化。当 增加从1到2,减少幅度为40%。当 增加到3,减少幅度为56%,和相对减少幅度仅为16%,这表明增加 可以预防和有效地解决桩身侧向位移。然而, 在这种情况下(2)可以在一定范围内产生巨大影响。值被超过时的效果将变得无关紧要。在具体的工程中,可以使用有限元软件来模拟下的桩身侧向位移不同 ,当地基的处理需要表面土体变形模量增加,从而使适当的基础处理决定和桩体的侧向阻力要求得到满足。

3.6。堆垛负载的耦合效应,在桩顶轴向力

的基础上3.17000 kN的轴向载荷应用于桩的顶部。结果如图15和16。桩身侧向位移的减少了58.8%,57.5%,和44.9%,而图4。这一结果表明,在桩顶荷载可以显著降低桩身侧向位移的因为在桩顶施加轴向力相当于应用一个约束。因此,在桩顶自由位移转换成位移约束和限制在某种程度上在桩顶位移。

4所示。案例研究

在本节中,桩身侧向位移和负摩擦阻力堆垛负载引起的软土在不同工作条件下在不同的施工阶段通过结合实际工程案例进行讨论。工程案例是一个新建路堤高度约6 - 7米,贯穿项目现有的桥梁。避免不利影响安全运行的新堤原桥结构,堤体应用U-type-reinforced混凝土集成部分,贯穿整个部分在一个桥的跨度。消除地基土的压缩位移层上部路堤荷载,桩基础是通过使用一个小的单管高压旋喷桩处理简单的设备和小扰动土壤的基本层。地质分布如图17,土壤参数如表所示2计算模型如图18。桩基础上的轴向载荷作为单桩设计承载力的7000 kN,桥梁桩的直径是1.8米。数值模拟分析主要考虑5基于初始岩石土壤固化模拟施工条件。

(1)工作条件1。Mulanxi桥梁桩施工和桥梁桩施工完成。

(2)工作条件2。Jet-grouted桩基础施工完成。

(3)工作条件3。u型混凝土坑坑外和表面填充完成。

(4)工作条件4。路堤填u型混凝土坑完成为止。

(5)工作条件5。路基路面下运行过载(30 kPa)。

4.1。桥梁桩的侧向位移和桥梁列(设在)

桥梁桩的侧向位移和桩柱在不同工作条件如图19。横向位移小,大小为3.6毫米,在工作条件下的桥柱前发现1和2。工作条件下的侧向位移3增加在某种程度上,显示位移向两边扩张。左桩的位移高于合适的桩和有一个大小为10毫米。工作条件下的侧向位移4急剧增加。左边的桩的侧向位移达到21.3毫米,和合适的桩的侧向位移是13.0毫米。工作条件下的侧向位移5继续增加。左派和右派桩的侧向位移达到22.9和16.9毫米,分别。

桩的侧向位移沿深度图所示20.。工作条件下的侧向位移4急剧增加,并对桩的位移小于左边的桩,主要是因为左桩的嵌岩深度大约4米,而合适的桩的嵌岩深度约11米。桩地区的几个m,对桩的侧向位移明显比左边的小桩,从而导致小桩身的倾向。因此,桩的侧向位移相对较小。

工作条件下的侧向位移的概要文件5图所示21。土体产生横向压缩位移约8米的深度范围低于表面接近桥堆,从而削弱桩侧向约束。如果桥梁灌注桩在施工过程中必须加强,那么这样做可以加强土体被动地区外部成堆的桥梁。

4.2。桥梁桩的侧向位移和桥梁列(设在)

限于文章长度和实际计算结果,只有垂直位移(设在方向)工作条件下的桥梁桩和桥列1和5介绍了这项研究(图22)。土壤质量没有导致一个显而易见的长度范围内的路基侧向位移(设在方向),因为postconstructed路堤和行人负载分布设在方向。因此,负载可以稍微影响桥梁桩的纵向位移和桥柱。图22显示的最大侧向位移工作条件下的桥柱5只有0.25毫米,也观察到正确的桥柱。左桥柱的纵向位移较小,因为不同位置耦合梁的左右。一个耦合梁的顶部左边连接两个桩的侧阻力和提高设在明显位移。

4.3。桥梁桩的侧向位移和桥梁列(设在)

理解堆垛负载的影响桥梁桩的垂直位移和列,垂直位移的工作条件1和5的桥梁桩和列(图中提取23)。额外的轴向载荷与垂直沉降在堆垛负载的情况下生成和应用到桩上,导致桩的最大轴向载荷。由于桩的摩擦力,额外的轴向载荷分布沿着桩顶和桩端逐渐减少。桥梁桩的垂直位移达到最大op根据材料力学知识,但与深度的增加逐渐下降。这些发现与云图一致23。工作条件下的最大位移1和5 3.81和4.31毫米,分别。与桩柱的长度相比,桥柱的垂直位移是微不足道的最不利施工项目的工作条件下,影响可以忽略不计。

4.4。桥梁桩轴力和列

桥的桩的轴力变化和列五岁以下工作条件如图24。旋转桩治疗进行基础施工后桩施工的桥梁。桩的轴力增加身体基本上是相同的,但在某种程度上沿桩身,因为模型计算考虑重力的影响。桥的轴向力在工作条件下桩3,4,5工况2的价格相比大幅增加。然而,桥梁桩的轴向力在工作条件下5是略高于工况4。图24表明,桩身轴向力的增加在项目进行的过程中不断深入。曲线的斜率变化轴力的工作条件3、4和5比前两个更小的工作条件,表明产生相当大的下拉荷载沿桩。结合数据23日(b)和25的垂直位移,桩身在毫米级别,和重要的土体位移基本上是在一厘米水平。的垂直沉积物桥梁桩周围土体大于桩的垂直位移,从而创建摩擦阻力在桩向下和生成下行负载。因此,桩身轴向力的增加而增加的深度。

4.5。Jet-Grouted桩对地基沉降处理

根据计算结果,会产生一个大的侧向位移postconstructed路堤下行人负载。为确保桥梁结构的安全,采用旋转桩处理相结合的参数分析结果3。旋转桩处理可以增加桩周围土体的强度最高,从而限制了桩身侧向位移。表2表明,处理过的地基变形模量的增加到400 MPa。在图19 (b)后,桩的侧向位移处理只有3.6毫米。此外,处理可以增加土壤的垂直承载力质量和传输上负载均匀,从而导致一个统一的整体土壤沉降的贡献。垂直清算工作条件下的土体处理如图2 - 526。基础处理后沉降位移保持在53毫米和整体结算变得相对统一,造成桥梁桩基础的统一的压力,确保结构安全。

4.6。地基土的弹塑性位移

在堆垛负载下土体将产生侧向位移,由于桩和桩产生侧向位移的相互作用。然而,桩周围土体受到桩从自由位移。桩的侧向位移(设在方向)导致土体在桩产生主动土压力和土体在桩产生被动土压力。弹塑性位移时产生的土压力超过土体的强度。5岁以下土体的最大塑性应变主要工作条件如图27。在工作条件下桩身侧向位移的1和2是相对较小的。此外,没有塑料区土壤形成的基础。桩身侧向位移的增加而增加的工作条件3,和土壤质量范围在附件部分桩周围塑性区发展。塑性区范围和深度的增加逐渐从1到5的工作条件,在协议与桩身侧向位移图19。

了解土体的塑性变形区域大小,垂直和平面视图下的土体的最大塑性应变主要工况5所示的数据28和29日。左桥堆的塑性区覆盖半径为1.5米从桥梁桩的深度约8米。的塑性区桥梁桩覆盖半径为1.0米从桥梁桩的深度约6米。类似于部分4所示。1,左桩的嵌岩深度小于桩,导致不同的左翼和右翼桩的侧向位移,以及不同土体的主动和被动土压力的正面和背面成堆。因此,土体的塑性区范围不同。

上面的数值分析的基础上,注意给横向位移和轴向力的监测桥梁列在实际施工,确保原始桥梁桩基础的安全与稳定。建设应当立即停止如果桩柱的侧向位移过大,位移速率高,或位移超过一定的值。出现这样的情况的原因分析。考虑到分析结果对桩身侧向位移的部分3必要时,可以采取以下应急措施:

堆压力桩应用于外部的桥梁。

土体在一定范围外桩加固的桥梁。

一至三灌注桩与桥梁桩由耦合梁组在一定区间沿着建设方向的桥在桥堆。

5。结论

桩基侧向位移的叠加负荷下使用MIDAS有限元软件研究。我们的研究结果表明,桩基础的侧向位移与叠加压力和软土厚度呈正相关,但与土壤表面的变形模量负相关,硬实力和软土的变形模量比,桩径,桩顶轴力。侧向位移有显著的非线性关系桩直径和软土的相对厚度成线性关系,基本上显示线性与其他因素的关系。

桥梁桩基侧向位移和轴向力在一个实际的工程项目挖掘和堆垛负载使用有限元软件模拟。数值模拟结果表明,桩基的抗侧向位移是正相关的硬摇滚的嵌岩深度(土壤)。的侧向位移,桩基础在不同工作条件下显著不同。堆垛负载以及桩不仅会导致桩身侧向位移和桩顶,但也可能产生额外的负面摩擦阻力由于土体的压缩,从而增加列底部的轴向力。因此,堆垛负载沿桩可能会导致桩的破坏,最值得关注。由于桩身侧向位移、土体在桩被压缩,从而导致塑性区,这会削弱桩的侧向约束。

对大型实际工程,复杂问题的数值模拟是利用有限元软件进行。后期施工根据计算值,可获得理想的结果。相比与经验法和原位测试,该方法表现出出色的速度,方便,和准确性。因此,该方法可以在实际工程中得到了广泛的应用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51679093和51679093),国家重点实验室开放基金的地质灾害预防和Geoenvironment保护(成都理工大学),中国(SKLGP2018K008),中国福建省自然科学基金(2017 j01094),和促进项目中青年教师在华侨大学科学技术研究,中国(ZQN-PY112和ZQN-PY311)。