长螺旋钻孔压灌混凝土灌注桩极限侧阻力和端阻力取值模拟分析.pdf

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长螺旋钻孔压灌混凝土灌注桩极限侧阻力和端阻力取值模拟分析1 长螺旋钻孔压灌混凝土灌注桩极限侧阻力和端阻力取值模拟分析2 长螺旋钻孔压灌混凝土灌注桩极限侧阻力和端阻力取值模拟分析3 长螺旋钻孔压灌混凝土灌注桩极限侧阻力和端阻力取值模拟分析4
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·岩土工程·收稿日期:20160312长螺旋钻孔压灌混凝土灌注桩极限侧阻力和端阻力取值模拟分析杨志良(中国铁建电气化局集团有限公司 北京 100043)摘 要 长螺旋钻孔压灌桩单桩竖向极限承载力的确定依据现行规范计算值和现场实际检测值往往相差较大,通过 FLAC3D 软件模拟,建立了摩尔 -库仑弹塑性实体模型,模拟了桩逐级加载情况下承载力和位移变化,并结合已完成桩承载力检测数据分析其实际情况。在该文分析过程中,灌注桩采用  24m、 25m 和  26m 三种长度,最大加载荷载值为   8800kN,根据数据模拟和实际检测数据分析得出,山西地区依据相关规范经验参数法,采取泥浆护壁钻(冲)孔工艺确定长螺旋灌注桩极限承载力时,取桩极限侧阻力和端阻力值相对安全。关键词 长螺旋钻孔压灌桩 单桩极限承载力  FLAC3D逐级加载中图分类号   TU473文献标识码   A文章编号 10094539 (2016)增 1037204        SimulationAnalysisAboutUltimateShaftResistanceandTipResistance       ofLongSpiralDrillingPressurePouringConcretePiles    YangZhiliang(      ChinaRailwayConstructionElectrificationBureauGroupCo.Ltd., Beijing100043,China)Abstract     Thescrewdrilledpilevertical        ultimatebearingcapacityvaluecalculatedaccordingtothecurrentspecifications andactual              valuesfrequentlyisquitedifferent.InthispaperweanalyzedtheprocessthroughFLAC3Dsoftwaresimulation,               establishedMooreCoulombelastoplasticsolidmodeltosimulatethedisplacementofpilebearingcapacityandgradualload岩岩 ingconditions,             andcombinedwiththecompletedpilebearingcapacitytestdatatoanalyzetheactual  situation.Inthispa岩per,         thechangeswereanalyzedwhenusingthepiles24meters, 25meters,        26metersandmaximumloadvalueload8800kN,            accordingtothedataanalysisandsimulationoftheactualtestdataobtained,Shanxi     ×°Ⅵ °×  ⅥⅥ· cationsempirical               methodtodetermineparametersoflongspiralpileultimatebearingcapacitywasrelativelysafewhenslurrywalldrilling (wash)         boreprocesstookpileultimateresistanceandendresistancevalue. Keywords    augerdrillinggroutingpile;  pilesbearingcapacity;FLAC3D;gradualloading  1引言在高层建筑中,对基桩的承载力要求较高,长螺旋钻孔压灌桩由于成桩效果好,速率快,环境污染小,在工程建设中越来越受欢迎[1]。依据现行《建筑桩基技术规范》(  JGJ94-2008),山西地区长螺旋灌注桩单桩竖向抗压承载力经验参数法计算中,桩极限侧阻力标准值和桩极限端阻力标准值确定尤为重要。 2单桩竖向极限承载力确定值确定现阶段研究认为,上部结构的附加荷载作用到基桩上,荷载传递路径如下:(1)首先桩顶混凝土发生压缩变形,桩顶处桩同周边土层发生相对位移,相对位移处产生方向相反的抵抗力,即桩侧摩阻力。侧摩阻力产生的大小和桩身承载荷载大小有关系,即荷载值越大,桩竖273铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·岩土工程·向变形量越大,桩侧摩阻力越大。桩身位移随着桩长的增加逐渐减小,故桩侧摩阻力也逐渐减小[ 2-3]。(2)桩顶荷载较小时,桩底没有压缩变形,桩底相对于土体没有位移变形。当桩顶荷载增大到使桩底有压缩变形,桩底土层产生压缩变形量,此时发生桩端阻力。桩端阻力会随着传递到桩底的荷载增加而增加。(3)随着桩端阻力的增大,桩身位移量也必然增大,桩侧摩阻力也相应增大。当桩身于周边土体相对位移达到最大值时,其桩侧摩阻力也达到极限状态。摩阻力最大值处桩体会发生滑移,桩端阻力进一步增大,当桩端土体因压缩变形过大发生破坏时,桩顶位移骤然增大,桩体承载力破坏。由此可以看出,桩体周边土层的侧阻力和桩端底部土层的端阻力对桩竖向极限承载力有决定性的影响[4]。依据   JGJ94-2008(5.2.2 条和 5.3.5条),单桩竖向抗压承载力特征值 Ra的确定: R=Ra=1kQuk式中,Quk为单桩竖向抗压极限承载力标准值;K 为安全系数,取 K =2。当根据土的物理指标与承载力之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时,宜按下式估算(经验参数法)[5]:Quk=u钻qsikli+qpkAp式中,qsik为桩侧第 i层土侧阻力极限标准值;qpk为端阻力极限标准值;li为桩穿越第 i层土的厚度;Ap为桩端面积;u 为桩身周长;qsik、qpk取值可按当地经验和《工程地质手册》中表  5.3.5-1、 5.3.5-2[6]。 3FLAC3D 简介及模型建立  3.1FLAC3D 软件简介美国 ITASCA 公司研发了 FLAC 分析软件,用于对土体、岩体等材料体进行三维模拟计算[7]。其应用范围已拓展到了交通、水利、建筑等多种领域。它包括了 11 种材料本构模型,例如摩尔 -库仑模型、孔岩压 模型等,有 5 种计算方法,可根据计算分析需要进行相对合理的匹配[ 8-9]。 3.2该次模拟中模型的建立采用了摩尔 -库仑弹塑性实体模型,根据计算需求设置了 30(x)×30(y)× 50m(z)土体,单桩位于土体中间位置。其中体积模量 K 和切变模量 G之间的转换方程式如下[10]: K+E3(1-2v)   G=E2(1+v)  为了模拟趋于实际工程情况,土层采用了接近山西省晋中市汇通公寓项目的均质土体,其主要参数见表 1。表   1土体主要参数 土层名称内摩擦角/(°)黏聚力/kPa切边模量/MPa孔隙率填土1510  1.15×1060.79粉土1818  1.15×1050.66粉质黏土1522  1.6×1050.68黏土1523 2.0×1050.57  桩模拟检测主要参数见表 2。表  2桩模拟检测主要参数 桩号桩径/mm 桩长/m 混凝土强度等级加载方式最大加载量发重170024C50 慢速维持荷载法加载至破坏发重生70025C50 慢速维持荷载法加载至破坏发重缩70026C50 慢速维持荷载法加载至破坏 4数值模拟  4.1FLAC3D 计算沉降结果分析M1 桩加载共分为 10 级,至   8800kN(第十级)时桩抗压试验达到破坏,桩发生大位移沉降,模型计算结果不收敛。桩顶的沉降量大于前一级(第九级)荷载作用下沉降量的 2 倍,桩顶沉降变形经  24h 尚未达到相对稳定,停止加荷,其 QS岩 曲线如图 1 所示。分析图 1 曲线:当加载值为   8800kN 时,桩位移沉降量变化很大,发生陡然,认定位桩体已发生破坏。Qs岩 曲线发生明显陡降起始点所对应的荷载值是   8000kN,根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)第 4.4.2 条,取   8000kN 为该试桩的单桩竖向抗压极限承载力。加载   8000kN 时,桩顶相应沉降量  28.7mm。灌岩混 桩加载共分为 10 级,至   8800kN(第十级)时桩抗压试验达到破坏,桩发生大位移沉降,模型计算结果不收敛。桩顶的沉降量大于前一级(第九级)荷载作用下沉降量的 2 倍,桩顶沉降变形经  24h 尚未达到相对稳定,停止加荷,其 QS岩 曲线如图 2 所示。373铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·岩土工程·图   1M1岩桩 Qs 曲线   图  2M2岩 桩 ·  曲线 分析图 2 曲线:当加载值为   8800kN 后,桩位移沉降量变化很大,发生陡然,认定位桩体已发生破坏。Qs岩 曲线发生明显陡降起始点所对应的荷载值是   8000kN,根据   JGJ106-2014 规范中第 4.4.2条,取   8000kN 为该试桩的单桩竖向抗压极限承载力。加载   8000kN 时,桩顶相应沉降量  26.64mm。灌岩凝 桩加载共分为 10 级,至   8800kN(第十级)时桩抗压试验达到破坏,桩发生大位移沉降,模型 图  3M3岩 桩 ·  曲线计算结果不收敛。桩顶的沉降量大于前一级(第九级)荷载作用下沉降量的2 倍,桩顶沉降变形经  24h 尚未达到相对稳定,停止加荷,其 QS岩曲线如图 3 所示。分析图 3 曲线:当加载值为   8800kN 后,桩位移沉降量变化很大,发生陡然,认定位桩体已发生破坏。Qs岩 曲线发生明显陡降起始点所对应的荷载值是   8000kN,根据   JGJ106-2014 规范中第 4.4.2 条,取  8000kN 为该试桩的单桩竖向抗压极限承载力。加载  8000kN 时,桩顶相应沉降量  24.94mm。在使用 FLAC 分析软件模拟计算中,为了与晋中市汇通公寓实际检测数值相对比,采用了  JGJ106-2014 规范中要求逐级加载的方法,每级加载值为 800kN,其 Qs岩 曲线发生明显陡降起始点对应加载值作为桩极限抗压承载力值。当加载值为   8800kN时,计算数值俱不收敛,桩体俱发生破坏,故桩竖向抗压承载力值取   8000kN。 4.2单桩承载力经验参数确定值山西地区单桩承载力的确定主要方法是依据 JGJ 94-2008 规范中(第5.3.5 条)确定的。其中桩的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值取值均按照泥浆护壁钻(冲)孔桩工艺进行取值,对此依据公式计算得出灌岩桩、灌岩混 和 · 极限承载力标准值分别为   6240kN、  6270kN和  6300kN。可以看出,依据该经验方法确定单桩极限承载力值明显小于模拟计算数值。为了验证模拟数据准确性,统计了山西省晋中市汇通公寓项目 6 根桩径为  700mm,桩长为  25m 的长螺旋灌注桩极限承载力检测报告,统计结果见表 3。表  3长螺旋灌注桩极限承载力检测报告桩号S1S2S3S4S5S6极限承载值/kN 8000 8000 8000 7200 7200 8000  山西省晋中市汇通公寓项目勘察深度范围内场地地基土沉积时代及成因类型自上而下依次为:第四系全新统人工堆积层( Q42ml)、第四系全新统冲洪积层( Q41al+pl),岩性主要由素填土、粉土、粉质黏土、黏土、粉土等组成。其层厚与 FLAC3D 模型模拟数值一致。桩 S4岩 和桩 S5岩 在加载最后一级荷载时,有锚桩土体破坏,不能继续提供反力,加载值为   7200kN,其桩侧和桩端阻力同样未达到极限状态。试桩的极限承载力值不能反映桩承载力实际数值。该桩型极限承载力值应为   8000kN。由此可知,该次长螺旋灌注桩极限承载力值模拟数值更接近于工程实际数值。在依据   JGJ94-2008 经验参数法确定单桩竖向极限承载力标准值时,按照干作业钻孔工艺取桩的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值,计算结果见表 4,该值更趋近于模拟和现场检测的桩承载力极限值。表  4极限承载值桩号灌岩桩灌岩桩灌岩桩极限承载值/kN 7544 7575 7606  长螺旋灌注桩在山西地区施工工艺成熟,且质量控制严格,实际成桩较为理想,桩底基本无沉渣和虚土,土层扰动较小,能保证原状土承载力,且注浆压力较高,实际施工后桩侧泥皮厚度相对泥浆护壁钻(冲)孔工艺法较小,桩极限侧阻力和极限端阻力值发挥都很明显[ 11-12]。故单桩极限承载力比现行依据经验参数法计算值提高很明显。山西地区该种桩型现行参数计算方法偏于保守,桩承载力储备值较高,在实际工程建设中提高了成本,建议进行优化设计。473铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )·岩土工程· 5结论与展望结论:通过模型建立后计算分析,并结合山西省晋中市汇通公寓项目基桩检测报告数据分析得出,山西地区依据   JGJ94-2008 经验参数法确定长螺旋灌注桩极限承载力时,采用泥浆护壁钻(冲)孔工艺取桩极限侧阻力和端阻力值相对安全,在施工情况良好,保证注浆压力且土层分布较为均匀时,可适当考虑按照干作业钻孔工艺对应取值。展望:(1)该数值模拟和山西省晋中市汇通公寓项目土层分部均匀,模拟计算值理想,在土层分部变化较大时,实际桩极限承载力可能会有较大变化;(2)按照干作业钻孔工艺取桩极限侧阻力和端阻力值时对施工质量要求较高,实际工程建设中有较高的技术要求,施工单位技术水平的不齐整对该计算方法有很大制约性。参考文献[1]    JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S]极[2] 高大钊同土力学与基础工程[灌]极北京:中国建筑工业出版社,1998.[3] 王春山极长螺旋钻孔压灌桩与后插钢筋笼工艺[J]极山西建筑,2012,38(4):94.[4]    GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S]极[5 ]         °° °× × Ⅵ·Ⅵ ! × ⅥⅥ\" Ⅵ·    sotropyindeformablegranularmedia[J]极侧0日极模:程长:期拟极J.2003(40): 95-106.[6] 《工程地质手册》编委会同工程地质手册[灌]极北京:中国建筑工业出版社,2007.[7] 山西省建筑科学研究院檪太原地区后注浆灌注桩应用效果研究[Z]极混分桩混极[8]         ASTMD1143-1981StandardTest  $° °× Ⅵ   UnderStaticAxial CompressiveLoad[S]极[9] 马乾檪长螺旋钻孔压灌桩承载特性分析与试验研究[D]极合肥:合肥工业大学,2012.[10]蒋建平同大直径桩基础竖向承载性状研究[D]极上海:同济大学,2004.[11]   JGJ106-2014建筑基桩检测技术规范[S]极[12]龚晓南檪高等土力学[灌]极浙江:浙江大学出版社,檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪2003.  (上接第 371 页) 3分析与结论地震灾害形成的堰塞湖一旦决口会形成洪峰,对下游破坏性不亚于地震灾害的破坏力[12]。可能造成上游居民和设施的大面积淹没,大量蓄水快速下泄,巨大的洪水将淹没下游,引起洪灾。局部夹粉砂层,交错明显,出现波痕及斜交层理,接近顶部有同生包卷构造,这是水层变浅、水流波动造成的特有的现象,也是区别本层的标志。从黏土的沉积韵律、沉积结构、物质组成以及沉积厚度综合分析,Ⅵ层黏土该属于湖相沉积。参考文献[1] 李刚檪隧道埋深对盾构穿越大面积清水库影响的数值模拟分析[J]极铁道建筑技术,2015(3): 80-85.[2] 宋宏水同漫滩电站引水洞突泥突水处理技术[J]极铁道建筑技术,2015(3): 14-16.[3]    CostaJE,      SchusterRL.Theformationandfailureofnaturaldams[J]极模:程3程析稿期03   SocietyofAmericaBulletin,1988(10): 1054-1068.[4]   CostaJE,    SchusterRL.Documentedhistoricallandslide     damsfromaroundtheworldopenfile岩 [J] \'Ⅵ (  GeologicalSurvey,1991 : 91-239.[5]   SwansonFJ,OyagjN,   TominagaM.LandslidedaminJapan[J]   ×Ⅵ (°Ⅵ\"°ⅥⅥ )&Ⅵ× #°$·nicalSpecial土取23稿期0长稿程日,1986(3): 131-145.[6]      AdamsJ.EarthquakedammedlakesinNewZealand岩[J]极Geology,1981(9): 215-219.[7]  CatagliN,良稿端稿日稿   L.Geomorphicanalysisoflandslide    damsintheNorthernApennine[J] *   #°°×$°·logicalUnion,1999,20(3): 219-249.[8] 聂高众,高建国,邓砚檪地震诱发的堰塞湖初步研究[J]极第四纪研究,2004,24(3): 293-301.[9] 王兰生,杨立铮,李天斌,等同四川岷江叠溪较场地震滑坡及环境保护[J]极地质灾害与环境保护,2000(9): 195-199.[10]王兰生,李天斌檪岷江大小海子叠溪较场滑坡稳定性及其对工程影响的评价[Z]极桩中中中极[11]四川省水利水电勘测设计研究院檪四川省阿坝州天龙湖水电站技施设计工程地质勘察报告[Z]极混分分混极[12]魏刚檪顶管工程土与结构的性状及理论研究[D]极杭州:浙江大学,2005.573铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (增1 )
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