压扩桩施工中混凝土振捣对拔管阻力影响的研究.pdf

岩土工程界第 12卷第 8期地基基础工程 收稿日期 压 扩 桩 施 工 中 混 凝 土 振 捣 对 拔 管 阻 力 影 响 的 研 究 张明义 1, 赵英群1, 欧阳甘霖2 ( 1. 青岛理工大学, 青岛266033; 2. 青岛静力工程有限公司, 青岛266071) 摘要多支盘压扩桩是一种借助静力压桩机液压形成的新型钢筋混凝土灌注桩。针对多支盘压扩桩在 施工中遇到的拔管困难问题, 文章利用振捣时振动波在新拌混凝土中的传播机理, 分析了振幅的 衰减规律, 并运用公式反算法和加权平均值法对振动波在新拌混凝土中传播的阻尼系数进行确 定, 算得振捣力传至沉管壁的衰减为 24% 左右, 对降低拔管阻力有显著的作用, 能够降低压扩桩 拔管施工的难度。 关键词多支盘压扩桩宾汉姆模型振幅衰减阻尼系数 中图分类号: TU755. 6文献标识码: A文章编号: 1009- 5098( 2009) 08- 0029- 03 0 引言 挤扩支盘桩是近些年出现的新型混凝土灌注 桩, 而多支盘压扩桩是在该桩型的基础上发展起来 的一种施工效率和受力性能更加优良的新桩型。多 支盘压扩桩借助一种自动压扩器, 实现了单管成桩、 压扩成桩的施工工艺, 兼有静压桩的技术先进性和 灌注桩的经济节约性。压扩桩的施工过程如图 1所 示。在桩底和任意深度上均可做成扩大段, 形成新 型多支盘桩。由于沉管对周围土的挤压效应可能使 得沉管周围的侧摩阻力提高, 而因为静压桩设备的 限制, 上拔力有限, 从而使施工过程中拔管困难, 所 以要研究沉管中混凝土振捣时的振动以及振动波在 新拌混凝土中的传播机理, 来分析振动力的大小对 沉管的影响, 以解决拔管施工问题。 1 振动机械能的传播与基本假设 1 . 1 基本假设 由于振动波在混凝土中传播时的阻尼情况相当 复杂, 特别是波在三维空间中传播时, 沉管对波的反 射、 耗散、 吸收使问题更加复杂, 故简化为只考虑振 动波在一维平面内横波的传播衰减过程, 以此估算 振动能的耗散和衰减。 1 . 2 振动机械能的传播 由于振动器在混凝土中的振动是有阻尼的简谐 激励振动, 其本质是阻尼振动, 振动能在阻尼情况下 衰减, 因此可以通过分析振动波振幅的衰减规律, 计 图 1多支盘压扩桩的施工过程示意 算得到振动机械能的衰减值, 从而得到振动力传至 沉管的大小。 振动的总能量由动能 Ed和位能 EP组成: E = Ed+ Ep= 1 2ma 2w2 + 1 2 ka 2 ( 1) 其中 k= mw 2 = 2P 2mf2 代入上式得 E = 1 2 ka 2 = 2 mP 2a2f2 ( 2) 式中, k) 系统本身刚度系数; m) 物体质量; f) 物体振动频率; a) 振幅 由此可知, 只要确定振动波传至沉管壁时的振 幅衰减, 即可通过 ( )式求得能量的衰减情况。 122009- 01- 08 2 29 地基基础工程 GEOTECHNI CAL ENG I NEER I NG WORLDVo.l 12No . 8 2 振动波在新拌混凝土中的传播机理 2 . 1 传播机理 混凝土是一种包含砾石、 砂、 水泥和水的固、 液 两相重力流体。它不同于一般的牛顿流体, 呈现出 非牛顿流体的特征。实验表明, 如果混凝土流体中 的固相与液相在流动时的相对速度很小, 可以将混 凝土的流动作为单相流体的流动。如果二者之间的 相对速度不是很小, 则要考虑固、 液两相的相对速度 对混凝土流动的影响。将混凝土作为两相流, 液相 是指混凝土流体中的泥浆水体, 而固相是指混凝土 中的砂石体。固相与液相之间可以有相对速度, 但 是液相的流动会影响固相的运动, 反之, 固相的运动 会影响液相的流动。要研究波在介质中的传播过 程, 首先要研究介质的流变性, 新拌混凝土的流变行 为非常复杂, 因为它的流变性决定于水泥沙浆的流 变性和粗集料所受重力的共同作用。其中水泥沙浆 还具有双重作用, 它既可使集料颗粒相互分开, 防止 产生点与点的接触, 使他们在离散状态下保持在一 起, 又可以作为集料颗粒间的润滑剂, 增加新拌混凝 土的塑性应变能力。混凝土的震动过程是个连续的 过程, 但可分为两个阶段。第一阶段, 初始下沉主要 是有粗集料颗粒垂直下沉到更稳定的位置, 此时振 动波的传播类似在粒状颗粒间传播。第二阶段, 主 要是减少气囊的数量, 在这阶段水泥沙浆起主要作 用, 混凝土更象一种黏稠的液体, 可有效传递压力 波。在这种情况下混凝土的流变形式一般被认为是 Bingham模型, 其表达式为: S = So+ GdS dt (3) 式中, S) 砂浆流动时的剪切力; So) 砂浆屈服应力; G) 砂浆塑性粘度; dS dt) 应变速率。 此类宾汉姆体当外力达到屈服力前, 物体具有 固态性质不流动, 当 S So时表现为流体特性开始 流动。 2 . 2 振动波幅衰减的计算 当振动波在新拌混凝土中传播时, 随着与振动 源距离的拉大而迅速衰减, 这主要是因为波前面积 扩大造成波的耗散和能量被混凝土吸收 (阻尼作 用 )所致。美国学者 Desov建议在新拌混凝土中振 动的振幅的减小按下述公式计算 =RRx 5 (RR ) ( ) 式中;) 在混凝土中振动棒表面的振幅;) 离 振动棒中心线距离 R2处的振幅; R1) 振动棒的半径 R2) 离振动棒中心线至 A2处的距离 8 ) 新拌混凝 土的阻尼系数。 在公式 (3)中, 方根项代表波前去扩大所致的 波幅降低, 指数代表阻尼效应的降低。 2 . 3阻尼系数的确定 新拌混凝土的阻尼系数的确定是非常复杂的, 因为很难建立合理的数学模型, 即使建立近似的数 学模型也很难得到解析解。在工程中大多采用经验 估计的方法确定。文中采用两种算法来求解阻尼系 数。 ( 1) 公式反算法, 由试验所采用的振动器的类 型查得其最大作用半径为 360mm, 即振动能在新拌 混凝土中的最大的传播距离。代入 ( 4)式求得新拌 混凝土的阻尼系数为 0 . 87 , 因为介质的阻尼随频率 提高而减小, 并且和混凝土的粗集料的大小也有关 系。不同状态下的阻尼系数要靠试验获取。 ( 2) 若把混凝土考虑为液 - 固两相混合体, 则 可利用把流体视作连续介质, 而将固粒视作离散介 质所建立的欧拉 - 拉格朗日模型。国外许多学者为 此建立了阻尼系数的经验关系式: Ru mpf建议: 8 = 0 . 5+ 24 Re ( 5) 式中: Re 10 5 ( 误差 30 % ) Ihmeetal建议: 8 = 0 . 36+ 5 . 48 Re 0, 573+ 24 Re ( 6) 式中: Re 10 4 ( 误差 10 % ) Brauer建议: 8 = 0 . 4+ 4 Re 0 . 5+ 24 Re ( 7) 式中: Re 3 10 5 (误差 20 % ) 式中 Re为雷诺数, 当 Re 2300时为紊流, 而对于液 固不稳定流, 广义 Re值较大, 以达到 10 6 时用上面公 式计算, 但误差较大, 但对振幅的衰减影响不大。 3算例 施工中采用插入式振动器对沉管内混凝土进行 振捣, 考虑到振动器的振动参数可以根据沉管的直 径以及管内混凝土的多少灵活选择, 计算选取常用 的一种型号, 计算标准振动头长度范围内的振动力 传到沉管内壁的大小。现选用 ZDN 5型插入式振 3 A2A1 1/2e p - 0 .82-14 A1A2 8 0 岩土工程界第 12卷第 8期地基基础工程 动器, 主要参数见表 1 。 表 1ZDN 系列大直径直联式振动器产品参数 名称 电源 v 功率 /k W 直径 /mm 振频 /H z 振幅 /mm 激振力 /kN 外形 尺寸 /mm 重量 /kg 工作 半径 /mm ZDN 85 43v3) 220HZ 1. 0851971 . 26 . 6120015360 沉管选用直径 377 mm, 管壁厚 10 mm。 根据内振器的产品参数表查的其最大振动有效 半径 360 mm左右, 适用于塌落度 80 mm以内的一 般混凝土。 即已知: A1=1 . 2 mm, R1= 42. 5 mm, R2= 168 . 5mm, 把特征表中参数代入 ( 4)式反算得 8 = 0 . 87 , 再把实际施工中的各个参数代入 ( 4)式, 得 A2= 0 . 587mm , 把 A2代入 (2)式, 得能量衰减为原来 的 E2/E1= 23. 9 %。振捣力衰减为 1577 . 4 N。 通过以上经验公式 ( 5) ( 6) ( 7)计算取 Re= 1000 ,8 分别为 0 , 524 , 0 . 4887, 0 . 5505 , 考虑到粗集 料有加大阻尼的作用和公式本身的误差, 分别把结 果按偏小处理与施工中实际情况相符, 将结果为 016812 , 0 . 5376 , 0 . 6607 代入 ( 2)得能量衰减为 24122 %、26165 %及 24 . 02 % 。即振捣力传至沉管 内壁后分别衰减为 1598 . 52N、 1758. 9N和 1585 . 32 N。对以上结果取加权平均得 E2/E1= 24 . 43 %, 相 应的振捣力为 1612 . 38N。 由此可见, 在对混凝土振捣时振动对沉管有一 定影响, 相应的振动力传至沉管时衰减为原来的 24%左右。 4 对振捣作用影响的其他因素分析 振捣对沉管的作用大小不仅受到振动力大小的 影响, 而且受土质的类别, 地下水位的高低, 压扩的 次数, 拔桩速度等诸多因素的影响。 ( 1) 振捣对沉管的作用在压桩过程中不同的时 间阶段是不同的。在开始阶段沉管周围和土的作用 力较大, 振动的影响就相对较小。随着沉管不断进行 的下压- 上拔 - 下压的过程, 周围土被扰动破坏, 使 得沉管和土的摩阻力减小, 振捣的影响也随之增大。 ( 2) 在不同类型的土中成桩时作用也不同。比 如在密砂中沉桩时由于振动砂粒发生相互移动, 使 原土体被扰动, 土中应力重分布而对沉管的摩阻作 用减小, 振捣的作用就明显。在松砂或中密砂土中, 由于沉管的多次挤压以及叠加效应使得砂土变密实 即 挤密效应 , 砂土对沉管的摩阻作用显著增强, 这时振捣的影响就小, 拔管就困难。若在黏性土中 沉桩时, 粘土结构被破坏, 沉管周围的粘土性质就和 新沉积的一样。并且压入沉管时对土的挤密作用使 得孔隙水压力增大, 有效应力减小。黏性土对沉管 的摩阻力开始大, 随着下压 - 振动 - 上拔的循环和 提升而减弱, 使得振捣的影响在初次拔管时小, 随后 逐渐变大。 ( 3) 当有地下水存在时, 随着下压 - 振动 - 上 拔的过程, 沉管的反复移动使得土体和沉管之间出 现裂缝。超孔隙水压力作用下水不断地渗入到沉管 壁和土之间的空隙中, 起到一定的润滑作用, 使两者 之间的摩擦力削弱。这时土体对沉管的包裹作用减 弱, 振捣对其影响作用就明显。 ( 4) 考虑到反复压扩过程中的多次振动的叠加 效应, 也可以使沉管和土的摩擦作用削弱, 从而使振 捣对沉管的作用更显著。 5结论 ( 1) 利用振动波在混凝土中的传播机理的分 析, 可以合理地估计振动力对沉管的影响。 ( 2) 通过两种方法的计算, 可以得到振捣力传 至沉管壁的衰减为 24 % 左右, 在实际施工中拔管估 算时可以考虑振捣力的影响。 ( 3) 考虑多种因素的共同影响, 振捣力对拔管 的影响比较明显, 从而使得利用振捣混凝土产生的 振动力来降低拔管阻力成为可能, 施工中应加强振 捣, 在使混凝土密实的同时, 减小拔管施工的难度。 参考文献 1美 Popovics 1S, 陈志源, 等译. 新拌混凝土 M. 北京: 中国 建筑工业出版社, 19901 2G1H1Tattersall THE WORKABI LITY OF CONCRETE M 1A Viewpoint Publication,1976. 3冯乃谦. 液态混凝土 M . 北京: 中国铁道工业出版社, 1988. 4刘延柱, 陈文良, 陈立群. 振动力学 M. 北京: 高等教育出版 社,1998 . 5美 A1P弗伦奇. 徐绪译振动与波 M . 北京: 人民教育 出版社,1981 . 6林建忠. 流) 固两相拟序涡流及稳定性 M. 北京: 清华大学 出版社,2003 . 7冯建军. 振动棒的振动分析 J. 建筑机械,1996 , ( 2). 8徐至钧, 张晓玲, 张国栋. 新型桩挤扩支盘灌注桩设计施工与 工程应用 M. 北京:机械工业出版社,2007 . 9钱德玲 1挤扩支盘桩受力性状的研究 J1 岩石力学与工程学 报,3 ,( 3) 卢成原, 孟凡丽, 王龙模型支盘的试验研究 岩土力 学, ()3 3 -. 20022:494- 4991 10.J . 200411 :1809181 1