钢纤维混凝土桩静载试验数值模拟.pdf

第 4 l 卷 ， 第 1 期 2 0 1 6年 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y Eng i n e e r i n g V0 1 ． 41．NO ． 1 F e b ． ， 2 0 1 6 钢纤维 混凝土桩静载试验数值模拟 欧 阳芳 ， 韩 建伟 ， ( 1 ．西南交通大学 土 木工 程学院 ，四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 郑州中核岩土工程有 限公 司 ． 河南 郑州4 5 0 0 0 2 ) 邓小 宁 ， 张 建经 2 ． 广西 建筑科学研 究设计 院 ， 广西 南宁5 3 0 2 2 1 ； 3 [ 摘要 ]为了研究钢纤维混凝土桩 的承载性能 ， 利用 F L A C 对钢纤维混凝土桩 的静载试验 进行 了模 拟 。使 用模型试验的参数建立分析计算模 型。通过 与试 验中的 p - 曲线和桩身应变 的比较 ， 验证 了模 型 的正 确性 。以此 模型为基础研究 了桩周土体粘 聚力 和桩体摩擦 角对钢纤维混凝土桩变形 的影 响。由计算结 果发现 ， 当桩周 土体 的 粘聚力较小时 ， 适当增大桩周土体的粘聚力 ， 有利 于减小桩体 发生 塑形变形 后的沉 降量 。适 当增大钢 纤维 混凝土 桩的摩擦角 ． 有 利于提高桩体的刚度 ， 减小桩体发 生塑性变形后 的压缩量 。 [ 关键词 ]钢纤维混凝土桩 ； 粘 聚力 ；摩擦角 ；变形 [ 中图分类号]T U 5 2 8 ．5 7 2 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 ]1 6 7 4 — 0 6 1 0 ( 2 0 1 6 ) 0 l - 0 0 2 0 — 0 4 An a l y s i s o n S t a t i c Lo a di n g Te s t o f St e e l Fi b e r Re i n f o r c e d Co n c r e t e Pi l e s b y Nu m e r i c a l S i mu l a t i o n OU YANG F a n g ， HA N J i a n w e i ， DE NG Xi a o n i n g ，Z HA NG J i a n j i n g ( 1 ． S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y C i v i l En g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， C h e n g d u ， S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ． Gu a n g x i i n s t i t u t e o f Co n s t r u c t i o n S c i e n c e& Re s e a r c h， Na nn i n g， Gu a n g x i 5 30 2 2 1， Ch i n a； 3． Chi n a Nu — c l e a r En g i n e e r i n g Gr o u p Co ． Zh e n g z h o u Nu c l e a r Ge o t e c h n i c a l Eng i n e e r i n g Co ．，L t d， Z he n g z h o u， He n a n 4 5 0 0 0 2， C h i n a ) [ A b s t r a c t ]T h i s p a p e r s t u d i e d t h e s t a t i c l o a d i n g t e s t o f t h e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p i l e b y FL AC ． Th e l o a d- b e a r i n g p r o p e r t i e s o f t hi s p i l e ha s b e e n s t ud i e d ． Th e c o mp a r i s o n o f t h e s i mu l a t i o n r e — s u i t s a n d t h e e x p e r i me n t a l f i n d i n g s o f p-s c u r v e s a n d t h e s t r a i n a l o n g t h e p i l e p r o v e d t h e mo d e l i s c o r r e e t ．On t h i s b a s i s．t h e i n flu e n c e s o f t he s oi l c o h e s i o n a n d t h e f r i c t i o n a n g l e o f t h e p i l e t o t h e de f o r ma t i o n o f t he pi l e h av e b e e n i n v o l v e d ． Fr o m t he n ume r i c a l c o mp ut i n g r es u l t s，wh e n t h e c o h e s i o n o f t h e s o i l i s s ma l l ，t h e s e t t l e me n t o f t he pi l e a f t e r i t r e a c he s t h e p l a s t i c p ha s e d e c r e a s e s wi t h i n c r e as e i n t h e c o h e s i o n o f t he s o i l ．W hi l e t he l a r g e r f r i c t i o n a n g l e o f t he p i l e l e a d s t o h i g he r s t i f f n e s s o f t h e pi l e，a n d i t a l s o l e a d s t o s ma l l e r p i l e c o mpr e s s i o n a f t e r i t r e a c h e s t h e p l a s t i c ph a s e ． [ Ke y w o r d s ]t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p i l e ； c o h e s i v e ； f r i c t i o n a n g l e ；d e f o r ma t i o n 0 引言 钢纤维混凝土是将短 的、 不连续的钢纤维随机 分布于混凝土中而形成 的一种新型复合材料。钢纤 维的掺入对混凝 土有阻裂、 增强和增韧的作用。这 使得钢纤维混凝土具有如下的物理力学性质 ： ① 因 钢纤维的高弹性模量而使得钢纤维混凝土具有较高 的抗拉⋯ 、 抗压 和抗剪性 ； ②较好的抗裂性能 ； ③ 良好的抗冲击性能 以及较好 的抗疲劳性能 ； ④较好的韧性 。1 9 7 1年伦敦希思 罗机场停 车场的 可 卸式 隔板 第一 次使用 了钢纤 维增 强混 凝 土作 为结 构材料 。检查报告显示 ， 这些板在使用 5 a后没有 开裂迹象 。自8 0年代起 ， 钢纤维混凝土已在我国 道路 、 桥梁 ] 、 隧道 j 、 室 内结构 、 飞机跑道 和 水工堤坝 等结构中获得 13益广泛的应用。 将钢纤维用于预制混凝土桩中， 就形成 了钢纤 维混凝土桩。钢纤维混凝 土桩一经投入使用 ， 即显 示 出 了较好 的应用 景 ⋯ 。然 而至今 为 止 ， 对 钢纤 维混凝土桩的研究较少 。本 文借助于 F L A C 对钢 纤维混凝土单桩静载试验进行模拟 ， 通过对 比分析 [ 收稿 日期]2 O 1 4 — 0 9 —1 8 [ 基金项 目]国防基础科研计划( B 0 2 2 0 1 3 3 0 0 3 ) [ 作者简介 ]欧 阳芳 ( 1 9 9 0 一) ， 女 ， 湖南益 阳人 ， 博士 ． 主要从事地基处理和岩土地震工程学方 而的研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 欧阳芳 ， 等： 钢纤维混凝土桩静载试验数值模拟 2 1 实测资料和计算结果 的 P — S曲线和桩身应变 曲线 ， 验证了模型的正确性 。在 此基础之上 ， 分析了桩周 土体粘聚力和桩体摩擦角对承受竖向荷载的桩体承 载性质的影响。 1建立分析模型 1 ． 1分析模 型 F L A C 的计算分析模型参照试验模 型。由对 称性 ， 在实际分析中， 只取模型的一半 ， 如图 l 所示。 模型外部尺寸为 1 ． 0 m1 ． 0 m1 ． 0 m， 固定模型 四个侧面和底 面； 桩长 0 ． 8 m， 直径为 4 ． 5 c m， 桩体 的底端支承在模型箱底部之上 ， 桩侧为砂土； 上部分 为砂土， 厚 0 ． 8 m， 下部分为模 型箱底 部， 模 型箱底 部设 为 0 ． 2 m。 图 1计 算 模 型 Fi g u r e 1 Co mp ut a t i o n mo d e l 1 ． 2 材料 参数 考虑到试验 中桩体不完全处在 弹性范 围内， 故 钢纤维混凝土桩材料采用 Mo h r — C o u l o m b模型 ， 土体 也采用 Mo h r — C o u l o m b模 型 ， 模 型箱 底部 采 用 弹性 模 型， 其基本没有变形。模型材料 的参数如表 1和表 2所示 。 表 1 材料 的弹性参数 Ta b l e 1 The e l a s t i c p a r a me t e r o f t h e ma t e r i a l 表 2桩体和砂土的参数 Ta b l e 2 Th e p a r a me t e r o f t he p i l e a n d t h e s a nd 2 计算模型的验证 2 ． 1 p - s曲 线 由图 2实测值和计算值 的 P — s 曲线可发现 ， 计 算值与实测值较为接近。在 2 0 MP a以后 ， 实测的 P — s曲线不再为直线 ； 而计 算模拟 的桩体的 P — s 曲线 与此类 似， 也 在 2 0 M P a以后 ， 桩体 的沉 降速 度增 大 。 应 力 ／ MP a 0 5 1 0 l 5 2 0 2 5 O 一1 l 、 粪 一 z 一3 图 2 P— 曲线 F i g u r e 2 P—s c u r v e s 2 ． 2 桩 身 应 变曲线 对 比计算 和实测 的桩身 中部 的应力 一 应变 图， 见图 3 。其中“ 实测一 1 9 c m” 表示桩顶 以下 1 9 c m位 置的应力一 应变实测曲线； “ 计算 一 1 9 e m” 则表示桩 顶以下 1 9 c m位置的应力一 应 变数值计算 曲线。由 图 3可发现计算和实测的桩身中部的应变值拟合较 好。由实测值和计算值的 p - 曲线和桩身 中部的应 力 一应变曲线对比图可发现 ， 所选用的模 型和计算 算法能较好地模拟实际的模型的试验状况。 0 —1 n I 苎 、——2 制 一3 —4 应 力 ／ MP a 0 5 I O l 5 2 0 2 5 图 3桩 身中部应 力一 应变图 Fi g u r e 3 The s t r e s s — s t r a i n c u r v e s o f t h e pi l e p a r t 3 参数分析 3 ． 1 桩 周 土体粘 聚 力的影 响 为了分析桩周土体的粘聚力对桩体的受力和变 形 的 影 响 ， 共 取 6个 工 况 ：c=0 ， 4 ． 5 ， 9 ， 1 3 ， 1 6 ， 2 0 k P a 。对 比不同工况的 p - s 曲线( 见图4 ) ， 以及桩 体发生陡降后 的沉降情况 。由图 P — S 曲线可发现 ， 桩周 土 体 取 不 同 粘 聚 力 时 ， P— s啮线 基 本 都 在 2 0 MP a范 围内表现 为 弹性 ， 且 不 同 曲线 在 弹性 阶段 基本 一致 。但在 2 2 M P a以后 ， 同一 应 力 作 用 下 ， 桩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 公路工程 4 l卷 体 的沉 降存 在一定 的差 别 。 图 4 p — 曲线 F i g u r e 4 P—S c u r v e s 由 P — s曲线 可知 ， 2 2 MP a以后 ， 不 同 曲线 的沉 降值不太一致。为了方便 比较 ， 将 2 2～ 2 4 MP a 划分 为 不 同的应 力 区 间 ， 如 2 2～2 2 ． 3 MP a ， 将 该 区 间 内 的沉降值除以应力 区间长度 ， 得到单位应力下的沉 降 ， 这个沉降值定义为单位沉降。作不同应力 区间 内， 土体粘聚力 一 单位沉降曲线 ， 如图 5所示。由图 可看到 ， 2 2—2 2 ． 3 MP a范 围内， 桩体 的单位沉 降较 小 ； 自 2 3 ． 2 MP a以后 ， 不 同应力区间内的单位沉 降 基本一致 。这表明桩体发生塑形变形后 ， 沉降较快 ， 但当荷载较大时 ， 沉降速度减慢。此外， 当粘聚力在 0～ 2 0 k P a以内变化时 ， 不 同应 力段 的单 位沉降值 基本随着粘聚力的增大而减小 ， 但减小的速度 随着 粘聚力的增大 而减小。即增大桩周土体的粘 聚力 ， 有利于减小沉降值 ， 且当粘聚力较小时， 现象更加明 显 。 图 6为不同土体粘聚力工况的应力 一单位沉降 曲线 。由图可发现 ， 各曲线随着应力的增大， 单位应 力下的沉降值基本都随之增大。同一应力下 ， 土体 粘聚力为 0的工况 的单位沉降值最大 ， 土体粘 聚力 为 9 k P a的工况次之 ， 土体粘聚力为 l 3， l 6 ， 2 0 k P a 的工况的沉降值较 为接近 ， 且单位沉 降值都较小 。 0 一1 妄 一2 三 一 3 蛙 喜一 4 —5 粘 聚力 ／ k P a 0 5 1 0 1 5 2 0 图 5 不 同应 力 段 的 单 位沉 降 Fi g u r e 5 S e t t l e men t s a t t h e r e s pe c t i v e s t r e s s r a n g e s 0 一l 娄 一2 避 一 3 廷 一 -5 应 力 ， MP a 2 2 ． 0 2 2 ． 5 2 3 ． 0 2 3 ． 5 2 4 ． 0 图 6 不 同土体粘聚力下的单位沉 降值 Fi g u r e 6 S e t t l e men t o f s o i l wi t h d i f f e r e nt c o he s i o n 由此可发现 ：当土体粘聚力较小时， 适 当增大粘聚 力 ， 有利于减小桩体发生陡降后的沉降值 。 3 ． 2 桩 体摩 擦 角的影响 图 7为 不 同桩体摩 擦 角工 况 的 P — S曲线 。 由图 可发现， 桩体摩擦角为 5 3 。 时 ， 桩体在 2 0 MP a时沉 降较大 ， 在 2 2 MP a时发生陡降； 桩体摩擦角为 5 5 。 时在 2 3 MP a附近发生较 大的沉降 ， 但其最终沉 降 量 比“ 桩体摩擦角 =5 3 ’ 的工况 的最终沉 降量小 ； 桩体摩擦角为 5 7 。 、 5 9 。 和 6 1 。 时， 桩体的 P — s曲线较 为接近 ， 且在 0～ 2 3 ． 8 M P a范围内基本为直线 ， 即桩 体基本处在弹性范围内。比较不同桩体摩擦角工况 可知 ， 桩体在弹性阶段 的 P — s曲线基本重合 。桩体 摩擦角越大 ， 桩体进入塑性 阶段的应力越 大。这表 明适 当增大桩体的摩擦角 ， 有利于提高桩体的刚度。 图 7 p— 曲线 Fi g u r e 7 P一5 c u r v e s 由P — S 曲线可发现：2 0 MP a以后 ， 各工况的沉 降值不太一致 ， 为方便 比较， 列出 2 0 MP a以后不 同 应力区间的单位沉降。将 2 0～ 2 3 ． 8 MP a按 0 ． 3 M P a 区间长度划分为不同的区间， 得到不同应力区间内 的单位沉降值 ， 如图 8所示。比较桩体摩擦角分别 为 5 7 。 、 5 9 。 、 6 l 。 的工况 ， 发 现这 三个 工况 的应 力 一 单 位沉 降 曲线基 本一 致 ， 各 曲线 的单 位 沉 降值 在 2 0～ 2 3 ． 8 MP a内基本 一 致 ， 且 都 较 小 ， 这 表 明这 三 个 工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 欧阳芳 ， 等 ： 钢纤维混凝土桩静载试验数值模拟 2 3 况的桩体在应力范围内基本为弹性。桩体摩擦角为 5 3 。 和 5 5 。 的工况 随着应 力的增 大， 单 位沉降值 增 大。且在同一应力作用下， 桩体摩擦角为 5 3 。 的单 位沉降值较大。这表明适 当增大桩体 的摩擦角 ， 能 减小桩体发生塑性变形后的压缩量。 二 、 ● 暑 吕 进 娉 咎 4 结论 0 一I 一 2 — 3 -4 20 直 ， ] f MP a 2 l 2 2 2 3 2 4 图8不 同桩体 的单位沉降 Fi g u r e 8 S e t t l e me nt o f d i f f e r e n t p i l e s 通过对钢纤维混凝土桩单桩静载试验进行数值 模拟， 分析了桩周土体粘聚力和桩体摩擦角对其受 力 和变形 的影响 ， 主要结论 如 下 ， ① 桩周土体对桩体发生塑形变形时的应力基 本上没有影响。当桩周土体 的粘聚力较小时 ， 适 当 增大桩周土体的粘聚力， 有利于减小桩体发生塑形 变形后的沉降值 。 ② 适当增大钢纤维混凝土桩的摩擦角 ， 有利于 提高桩体的刚度 ， 减小桩体发生塑性变形后 的压缩 量 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0] [ 1 2] [ 1 3 ] [ 参考文献] 郭艳华． 钢纤维混凝 土增韧性 能研究及 韧性特 征在地 下结构 计算中的应用[ D ] ． 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 8 ． 王春来 ， 徐必根 ， 李庶林 ， 等 ． 不 同围压条件下钢纤维混 凝土受 压试验研究 [ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 4 ( 0 4 ) ： 4— 7 ． 曹擎宇 ， 郝挺宇 ，孙伟．纤维 混凝土 抗裂性 能分析 及在 隧道 工程中的应用 [ J ] ．混凝土 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 1 0 2—1 0 5+1 0 8 ． 陈相宇 ．纤维混凝土抗冲击性 能的试验研 究[ D] ． 大连 ： 大 连 理工大学 ． 2 0 1 0 ． 牟廷敏 ， 丁庆军 ， 周孝军 ， 等． 钢纤 维混凝土桥 面铺装 疲劳性能 试验研究[ J ] ． 武汉理 工大 学学 报 ： 交 通科 学 与工程 版 ， 2 0 1 2 ( 0 5 ) ： 9 8 8— 9 9 1 ． Re p o r t ACI 5 4 4． 1 R 一 9 6，ACI M a n u a l o f Co n c r e t e Pr a c t i c e， Ame r i c a n Co n c r e t e I n s t i t u t e，F a r mi n g t o n Hil l s，MI ，2 0 0 2 ． 肖锐 ， 邓宗才 ， 申臣良， 等．新 型超 高性能混凝土的抗压性能及 其砂浆体 的孔 结 构分析 [ J ] ．湖 南科技 大学 学报 ( 自然 科 学 版 ) ， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 4 O一4 3 ． 梁斌．纤维对聚合物改性 混凝 土 冲击韧性影 响对 比研究 [ J ] ． 湖南交通科技 ， 2 0 1 4 ( 3 )： 1 4 4—1 4 5 ． 钱进 ，王冠．钢纤维混凝土在机场道面工程中的应用 [ J ] ．公 路 ， 2 0 1 3 ( 0 3 ) ： 5 0— 5 2 ． 王学成 ， 刘 超颖 ，王萃华．钢纤维混凝 土在龙角山水库加固 工程中的应 用[ J ] ．人民长江，2 0 0 5 ( 0 8 ) ： 4 8— 4 9+7 6 ． 陈业 明．钢纤维混凝土预制桩[ J ] ．工业建筑 ，1 9 8 6 ( 0 5) ： 6 1 — 6 2． 朱丽英 ，赵源江．钢纤 维混凝土桩 的设计 与施 工 [ J ] ．施 工 技术 ，1 9 9 5 ( 0 9 ) ： 2 0—2 2 ． 邱玉深．钢纤维混凝 土打人桩 [ J ] ．建筑技术 ，1 9 8 7 ( O 6 ) ： 5 O 一 51 ( 上接 第 5页) S t u d y [ J ] ． T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d ， 2 0 1 0， 2 1 7 9 ： 8 9— 9 5 ． [ 2 3 ] A n d r e i ， D ． ， Wi t c z a k ， M． W． ， a n d Mir z a ， M． W． D e v e l o p me n t o f a R e v i s e d P r e d i c t i v e Mo d e l f o r t h e D y n a m i c ( C o m p l e x ) Mo d u l u s o f A s p h a l t Mi x t u r e s [ R] ． N C H R P 1—3 7 A I n t e r t e a mR e p o r t S ． 1 ． ， U - n i v e r s i t y o f Ma r y l a n d， C o l l e g e P a r k， MD．1 9 9 9． [ 2 4 ] M c D a n i e l ，R ． S ． ，A ． S h a h，e t a 1 ． i n v e s t i g a t i o n o f l o w - a n d h i g h - t e m p e r a t u r e p r o p e r t i e s o f p l a n t - p r o d u c e d R A P mi x t u r e s[ R] ． P u b l i c a t i o n No ． F HWA —HRT — l 1—0 5 8． F e d e r a l Hi g h wa y Ad - mi n i s t r a t i o n 6 3 0 0 Ge o r g e t o wn P i k e Mc L e a n， VA， 2 01 2 ． [ 2 5 ] Mc D a n i e l ， R． S ． ，H， S o l e y m a n i ，R ． M． A n d e r s o n ， P ． T u r n e r ， a n d R． P e t e r s o n， Re c o mme n d e d u s e o f r e c l a i me d a s p h a l t p a v e me n t i n t h e S u p e r P a v e mix t u r e d e s i g n me t h o d [ R] ． N C H RP F i n a l R e p o rt ( 9—1 2 ) ， T R B， Wa s h i n g t o n ， D ． C ． ， 2 0 0 0 ． [ 2 6 ] S t e p h e n s ， J ． E ． ， J ． Ma h o n e y ， a n d C ． D i p p o l d ， D e t e r m i n a t i o n o f t h e P G b i n d e r g r a d e t o u s e i n a R AP Mix [ R] ． R e p o rt N o ． J HR 0 0～ 2 7 8， C o n n e c t i c u t De p a r t me n t o f Tr a n s p o rta t i o n ， Ro c k y Hil l ， C T， 2 00l [ 2 7 ] We s t ， R ．， A ． K v a s n a k ， N ． T r a n ， B ． P o w e l l ， a n d P ． T u r n e r ． T e s t i n g o f mo d e r a t e a n d h i g h r e c l a i me d a s p h a l t p a v e me n t c o n t e n t mi x e s ： l a b o r a t o r y a n d a c c e l e r a t e d fi e l d p e r f o r ma n c e a t t h e Na t i o n a l Ce n — t e r fo r As p h a l t T e c h n o l o g y t e s t t r a c k [ J ] ． T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h Re c o r d： J o u r n a l o f t h e Tr a n s p o rta t i o n Re s e a r c h Bo a r d，2 0 0 9， 21 2 6 1 1 O 0 一l 0 8 ． [ 2 8 ] Mc D a n i e l ，R ． S ． ，A ． S h a h ， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o f l o w - a n d h i g h - t e m p e r a t u r e p r o p e r t i e s o f p l a n t — p r o d u c e d R A P mi x t u r e s[ R] ． P u b l i c a t i o n No ． FHWA — HRT— l l一0 5 8． F e d e r a l Hi g h wa y Ad — mi n i s t r a t i o n 6 3 0 0 Ge o r g e t o wn P i k e Mc L e a n， VA， 2 01 2 ． [ 2 9 ] A I —Q a d i ， I ． L ． ， S ． H ． C a r p e n t e r ， e t a 1 ． D e t e r m i n a t i o n o f u s a b l e r e s i d u a l a s p h a l t b i n d e r i n R AP [ R] ． Re p o rt N o ． F H WA—I C T一 0 9一O 3 1． I l l i n o i s De p a rt me n t o f Tr a n s p o r t a t i o n． 2 0 0 9 ． [ 3 0] 任栓哲 ．沥 青路面 厂拌热 再生 设备关 键技 术研 究 [ D] ．西 安 ： 长安大学 。 2 0 0 8 ． [ 3 1 ]L e e ， T ． C ， R ． L ． T e r r e l ， a n d J ． P ． Ma h o n e y ， T e s t f o r e ff i c i e n c y o f mi x i n g o f r e c y c l e d a s p h a l t p a v i n g m a t e r i a l [ J ] ． T r a n s p o r t a t i o n R e — s e a r c h Re c o r d：J o u r n a l o f t h e T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h Bo a r d， l 98 3． 9l 】 ． 5 】一6 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m