重锤低击和轻锤高击沉桩效果分析.pdf

第 42卷 第 4期2 0 1 1年 2月?人?民?长?江Yangtze?R iver?Vo.l 42,No.4Feb.,2011收稿日期:2010-09-25基金项目:浙江省教育厅科研项目资助(Y200909687)作者简介:王继成,男,工程师、讲师,博士生研究生,主要研究方向为土动力学。E-mai:l wjc1818 126.co m?文章编号:1001-4179(2011)04-0091-04重锤低击和轻锤高击沉桩效果分析王 继 成1,周 向 阳1,刘 红 梅1,肖 新 颖2(1.台州职业技术学院,浙江 台州 318000;?2.温岭市建筑工程质量安全监督站,浙江 温岭 317500)摘要:为了分析锤击桩在沉桩过程中的力学机理,将人们停留在经验层面上的对沉桩过程、锤重选择的认识上升到理论高度。根据动能、动量守恒定律,用有限元法对能量从锤传递到桩这一过程的损耗情况和同等锤击能时锤的质量对桩身最大压应力分布、锤击持续时间、贯入度的影响等方面进行了分析。结果表明:锤的质量越大,能量损耗率越小;重锤低击会减小桩顶部的最大应力,增大桩身下部的最大压应力,明显延长冲击持续时间,显著增加贯入度。对锤击桩的施工有指导作用。关?键?词:重锤低击;落距;桩身应力;冲击持续时间;贯入度中图法分类号:TU473.13?文献标志码:A?锤击桩不仅施工简单、成本低廉,而且贯穿能力大,因此,锤击桩能得到广泛应用。但是,人们对沉桩过程、锤重选择等的认识还停留在经验层面上,实际上,打桩过程不仅仅有碰撞引起的能量、动量传递,还会产生塑性变形以及振动。本文用动量、能量守恒原理,以及有限元法对同等能量情况下锤的质量大小对沉桩效果的影响进行分析。1?锤的质量对能量损耗的影响考虑较简单自由落锤情况的击桩过程,锤冲击桩后,可假定锤没有弹起,而是与桩同时下沉,下沉的深度就是贯入度,下沉初始速度为 v2。桩下沉受到土的阻力,如果桩还未打入至持力层,桩周的摩擦力是最主要的阻力,在摩擦力的作用下,锤和桩的速度由 v2减小到 0,沉桩过程如图 1所示 1-3。由能量守恒定律,得:E1=12m1v21=E2+Eloss1=12(m1+m2)v22+Eloss1(1)?由动量守恒定律,得:m1v1=(m1+m2)v2(2)?由(1)、(2)式得:Eloss 1=E1-12m21v21m1+m2?=E1-E1m1m1+m2=11+m1m2E1(3)图 1?打桩过程能量传递令 n=m1m2,则能量损耗率为:?人?民?长?江2011年?i=Eloss1E1=11+n(4)?锤、桩质量比 n与能量损耗率 i的关系见图 2。图 2?锤、桩质量比与能量损耗的关系由图 2可以看出,桩的质量一定时,锤的质量越大,锤冲击桩的能量损耗越低,而冲击速度对能量损耗率没有影响。当锤的质量是桩质量的 1/10时,能量损耗达 90.91%;当锤的质量是桩质量的 3倍时,能量损耗是 25%。所以从能量损耗的角度来说,要尽可能地提高锤的质量。2?建立有限元模型采用通用有限元程序 ABAQUS模拟锤、桩帽垫层、桩、土之间的作用机理。钢筋混凝土方桩边长 600mm,已经打入地面下 10m,地面上还剩 1m,桩截面配筋如图 3所示。硬木桩帽垫层厚 200 mm。锤击能 14t?m。图 3?方桩截面(单位:mm)模型中各种材料的参数如表 1 3所示。桩身混凝土标号 C30,采用损伤塑性模型。钢筋、铁锤、硬木桩帽垫层只考虑其弹性。土层只考虑单层均质土情况,采用 D-P模型,摩擦角 30,FlowStress Ratio设为1,膨胀角 0 4。打桩过程很短暂,故不考虑土的触变性,所以混凝土桩与土接触面之间的摩擦系数采用常数 0.3。铁锤、垫层、混凝土、土都采用实体建模,C3D8R单元(即六面体线性缩减积分)。纵向受力筋和水平向箍筋采用三维 shell建立 Rebar Layer箱型截面钢筋层,并 Embbed到混凝土实体单元中,网格划分为 SFM3D4R单元(即四边形面单元线性缩减积分)。表 1?材料参数项目弹性模量/Pa泊松比密度/(kg?m-3)钢筋1.9!10110.37 850铁锤2.1!10110.37 850混凝土2.95!10100.22 400土3!1060.31 700松木 51!1090.4350表 2?混凝土破坏准则参数膨胀角/()偏心率双轴极限抗压强度/单轴极限抗压强度不变应力比粘聚系数150.11.160.66670表 3?混凝土塑性应力-应变关系压应力/M Pa非弹性应变拉应力/MPa开裂应变18.202.40022.10.000 41.960.000 124.00.000 81.500.000 324.50.001 21.290.000 423.00.002 01.080.000 521.60.002 40.720.000 816.60.003 60.480.001 011.30.005 00.220.002 02.230.010 00.100.003 0锤击沉桩是一个土中应力场不断变化的复杂过程。从桩尖接触地表土开始,每锤击 1次,桩都会下沉一个贯入度,直至沉到满足设计要求为止。而每锤击1次,地基土都会产生不同的应力场,且该应力场都是下一锤的初始应力场。最符合实际的模拟应该是沉桩全过程模拟,但是要耗费大量的计算时间,操作起来不可行。为了操作方便并较好地接近实际情况,建模时可在土中事先预留一桩长 10 m 的孔,将桩置于孔中(类似于挖孔桩),建立桩与土接触面之间的关系后进行第 1锤的锤击,以第 1锤锤击后土的应力场作为第2锤的初始应力场,对不同工况下的第 2锤的结果进行对比分析。3?模拟结果分析锤质量分别为 1,2,10 t时(锤击能 14 t?m不变),桩顶面、泥面、底面的最大压应力见图 4。从图 4中可看出,同等锤击能量情况下,锤的质量越小,也就是冲击速度越大,桩顶面的最大压应力越大;但是锤质量(冲击速度)大小对桩泥面和底面最大压应力影响92?第 4期?王继成,等:重锤低击和轻锤高击沉桩效果分析很小。所以从减小桩顶应力、防止桩头被锤碎的角度来说,要尽可能地选择重锤低击。图 4?桩顶面、泥面、底面中心的最大压应力图 5是等能量情况下,质量分别为 2,4,6,8,10 t时桩身最大压应力分布图。从图 5中可以看出,桩身最大压应力从上到下逐渐衰减,且锤越轻,衰减得越明显,说明增大冲击速度,锤的冲击能量不容易传递到桩的下部。而采用重锤(冲击速度小)时桩身最大压应力从上到下衰减得比较慢,桩下部的最大压应力比采用轻锤时要大,这有利于沉桩。所以从提高贯入度角度来说,重锤低击比轻锤高击的效果好。图 5?桩身最大压应力锤击沉桩过程中桩身易产生拉应力,会导致桩身被拉裂。从图 6可以看出,重锤低击时桩身最大拉应力出现在桩的中部,轻锤高击时桩身最大拉应力出现在桩顶部,且桩身最大应力远远大于重锤低击时的桩身最大拉应力。无论是重锤低击还是轻锤高击,桩身最大拉应力都有可能超过素混凝土的抗拉极限,所以锤击桩的材料应采用钢筋混凝土。图 7是等能量情况下,锤质量不同时锤冲击桩的持续时间和桩的贯入度关系。从图 7中可以看出,随着锤质量的增加,冲击持续时间和贯入度也在增加,且增加的速度要超过锤质量的增加速度。说明增加锤质量以提高贯入度的效果是非常明显的。图 6?桩身最大拉应力图 7?冲击持续时间和贯入度4?结 论锤冲击桩顶时,锤将动能部分传递给桩,且能量会损耗一些;冲击速度不会改变能量损耗率,但是锤的质量会明显改变能量损耗率,锤质量越大,能量损耗率越小;同等能量情况下,锤质量越小,冲击速度越大,桩顶的最大压应力也越大,桩身最大压应力从上到下衰减得也越快,桩顶越容易被锤碎,导致大量锤击能量消耗;相反,提高锤质量,减小冲击速度,桩身上部最大压应力减小,下部最大压应力增大,有利于沉桩,锤对桩顶的冲击时间显著增长,贯入度也显著增大。参考文献:1?吉敏根.砂土中动力打桩公式的探讨 J.江苏建筑,1993,(4):9-11.2?何成杰.钢筋混凝土预制桩动力强度计算方法 J.低温建筑技术,1996,(1):25-27.3?黄晓清,曾庆敦.工程结构力学(#)M.北京:高等教育出版社,2002.4?王玉镯.ABAQUS结构工程分析及实例详解 M.北京:中国建筑工业出版社,2010.5?徐有明.木材学 M.北京:中国林业出版社,2006.(编辑:徐诗银)93?人?民?长?江2011年?Study on effects of sinking pile with heavy hammer and low drop distanceor light hammer with high drop distanceWANG Jicheng1,ZHOU Xiangyang1,LI U H ongm ei1,XI AO X inying2(1.Taizhou VocationalandT echnicalCollege,Taizhou 318000,China;?2.ArchitecturalQuality SupervisionDepartment ofW en?ling,W enling 317500,China)Abstract:?In order to analyze themechanicalmechanism ofha mmered pile in the process ofpile sinking and i mprove the cog?nition of process of pile sinking and ha mmerweight selection theoretically,the laws ofmomentum conservation and kinetic energyconservation aswell as the finite elementmethod are used to analyze the energy loss and the influence of ha mmer qualityw ith e?qualha mmering energy on themaxi mum compressive stressdistribution ofpile,the ha mmering ti me and penetration degree.It isshown that the heavier the ha mmer is,the less the rate of energy loss is.The heavy hammer with low drop distance will reducethe maxi mum stress of pile top and the increase themaxi mum compressive stress of lo wer part of the pile.As a result,the ha m?mering ti me is prolonged significantly and the penetration degree is increased obviously.K ey words:?heavy ha mmer with low drop distance;drop distance;stress of pile body;ha mmering ti me;penetration degree(上接第 90页)Study on deformation characteristics of concretem ixed withM gOCHEN Xia1,2,YANG Huaquan1,L I Jiazheng1(1.M aterial and StructureDepartment,ChangjiangRiver ScientificResearch Institute,Wuhan 430010,China;?2.SchoolofCiv?ilEngineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:?IncorporatingM g O into concrete can i mprove its crack resistance.W e carry out an experi mental study on defor ma?tion properties of concretem ixedwithM gO,including elasticmodulus,ulti mate tension,drying shrinkage and autogenousvolumechange,and discuss the influencemechanism ofM gO on defor mation properties of concrete.The results show that,the elasticmodulus ofmixed concrete is basically the same as the nor malones,and the ulti mate tension and drying shrinkage show a slightdecrease,while the autogeous volume change is transfor med fro m shrinkage to slight expansion.Generally speaking,the incorpo?ration ofM gO into concrete can i mprove the deformation properties of concrete,and is favorable to increasing the crack resistanceof concrete.K ey words:?M gO;defor mation properties;concrete resistance;mechanism analysis?简 讯?中央一号文件要求到 2020年水利建设基本建成四大体系?2011年中央一号文件提出一个总的目标,即力争通过 5 a 10 a努力,从根本上扭转水利建设明显滞后的局面。文件提出到 2020年基本建成四大体系:(1)到 2020年基本建成防洪抗旱减灾体系。十二五%期间在继续实施大江大河治理的同时,基本完成重点中小河流重要河段治理,让全国小型病险水库全部摘除 病帽%,全面完成山洪灾害易发区预警预报系统建设。(2)基本建成水资源合理配置和高效利用体系。全国年用水总量力争控制在 6 700亿 m3以内,城乡供水保证率显著提高,城乡居民饮水安全得到全面保障,万元国内生产总值和万元工业增加值用水量明显降低,农田灌溉水有效利用系数提高到 0.55以上,十二五%期间新增农田有效灌溉面积 266.7万hm2。(3)基本建成水资源保护和河湖健康保障体系。主要江河湖泊水功能区水质明显改善,主要水质指标达标率提高到60%。城镇供水水源地水质全面达标,重点区域水土流失得到有效治理,地下水超采基本得到遏制。(4)基本建成有利于水利科学发展的制度体系。最严格的水资源管理制度基本建立,水利投入稳定增长机制进一步完善,有利于水资源节约和合理配置的水价形成机制基本建立,水利工程良性运行机制基本形成。(长 江)94