等芯劲性复合桩工作性状数值模拟研究.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤0引言我国沿江沿海地区广泛分布着强度低尧 压缩量高尧渗透性差的软土袁劲性复合桩作为一种新桩型被广泛应用于软土处理中袁它是在柔性水泥土搅拌桩初凝前插入刚性混凝土桩袁使混凝土桩与桩周等芯劲性复合桩工作性状数值模拟研究陈廷柱1袁何碧娟1袁黄国俊1袁刘涛1袁盛强2袁朱锐2渊1南京江北公用建设工程有限公司袁江苏南京211031曰2南京工业大学交通运输工程学院袁江苏南京211816冤摘要等芯劲性复合桩作为一种在软土地区使用的新桩型袁其工作性状尚不明晰遥文章采用有限元软件建立等芯劲性复合桩三维有限元计算模型袁系统分析等芯劲性复合桩工作性状遥 结果表明院等芯劲性复合桩内芯轴力沿深度不断衰减袁外芯轴力沿深度呈缓慢增长的趋势曰内界面与外界面的侧摩阻力随深度的加深缓慢增大袁在靠近桩端处下降曰内界面与外界面相对位移都在桩顶处较大曰数值计算得到的荷载沉降曲线与实测曲线变化趋势基本相同曰此外袁实测与数值计算得到的等芯劲性复合桩承载力均高于规范设计值袁表明等芯劲性复合桩在实际工程中具有较好的承载性能与沉降控制能力遥 研究成果可为劲性复合桩工程实践提供科学依据遥关键词劲性复合桩曰侧摩阻力曰单桩承载力曰数值模拟中图分类号 TU473.1文献标志码 B文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0082-04Numerical Simulation Study on Working Properties of Strength Composite Piles withEqual-coreCHEN Tingzhu1HE Bijuan1HUANG Guojun1LIU Tao1SHENG Qiang2ZHU Rui2渊1.Nanjing Jiangbei Public Construction Engineering Co.,Ltd,Nanjing Jiangsu 211031 China曰2.Nanjing Tech University,Nanjing Jiangsu 211816 China冤Abstract院As a new pile type used in soft soil area,the working behavior of the equal core composite pile isstill unclear.The three-dimensional finite element calculation model of the composite pile with equal corestiffness is established by using the finite element software,and the working behavior of the composite pilewith equal core stiffness is systematically analyzed.The results show that the internal axial force of thecomposite pile with equal core stiffness decreases continuously along the depth,while the external axial forceincreases slowly along the depth;The side friction of the inner and outer interfaces increases slowly with thedepth,and decreases near the pile tip;The relative displacements of the inner and outer interfaces are larger atthe pile top;The change trend of load settlement curve obtained by numerical calculation is basically the sameas that measured;In addition,the bearing capacity of the composite pile with equal core stiffness obtained fromthe actual measurement and numerical calculation is higher than the design value in the code,indicating thatthe composite pile with equal core stiffness has better bearing capacity and settlement control capacity inpractical projects.The research results can provide scientific basis for the engineering practice of stiffenedcomposite piles.Key words院stiffening composite pile曰side friction resistance曰bearing capacity of single pile曰numerical simulation收稿日期圆园22鄄11鄄22作者简介陈廷柱袁男渊1982-冤袁南京江北公用建设工程有限公司袁高级工程师袁主要从事基础设施工程建设与管理方面的工作遥基金项目院江苏省基础研究计划(自然科学基金)青年基金项目渊BK20220356冤遥82江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤土体间形成水泥土过渡层袁实现桩土共同作用1-2遥随着劲性复合桩在工程中的推广与应用袁学者们通过现场试验对劲性复合桩的工作性状展开研究3-5袁刘汉龙等6通过足尺模型试验发现劲性复合桩相比同直径尧 桩长的钻孔灌注桩承载力提高30%以上袁极限侧摩阻力提高 40%以上遥赵子江等7通过单桩竖向承载力试验发现劲性复合桩在极限承载状态时端阻力可达总荷载的 18%袁而同直径尧桩长的钻孔灌注桩仅为 8.7%袁 劲性复合桩极限承载力约为钻孔灌注桩的 1.6 倍袁 总侧摩阻力约为1.5 倍遥综上袁等芯劲性复合桩已在实际工程中被广泛应用袁但对其工作性状的研究仍旧缺乏袁理论滞后于实践的现象阻碍了其进一步被推广发展遥为了进一步明晰等芯劲性复合桩工作性状袁文章采用有限元软件建立等芯劲性复合桩三维数值模型袁合理设置界面接触属性袁系统分析等芯劲性复合桩顶部位移尧桩身轴力尧侧摩阻力以及桩土相对位移的演化规律袁为劲性复合桩工程实践提供参考遥1模型建立与计算1.1数值模型参考工程现场静载荷试验的形式袁建立简化的等芯劲性复合桩模型袁 设置外芯桩长 18 m袁 直径900 mm袁内芯桩长 18 m袁直径 500 mm袁壁厚 125 mm遥载荷板直径与内芯袁高度 150 mm袁置于内芯上方遥文章取等芯劲性复合桩模型尺寸长 30 m伊宽 30 m伊高 30 m袁模型土层为粉质黏土袁水泥土水泥掺入量为 18%遥由于载荷板与内芯混凝土桩的弹性模量远大于外芯水泥土桩与桩周土体袁且其变形主要为弹性变形袁因此采用线弹性模型定义载荷板与混凝土桩的材料属性袁具体的材料参数选取如表 1 所示遥 建立的等芯劲性复合桩三维计算模型如图 1 所示遥1.2计算工况对劲性复合桩的研究袁发现劲性复合桩内界面与外界面因水泥的粘结效应而拥有一定粘聚力袁劲性复合桩所设置的接触属性应既考虑在法向应力作用下产生的摩擦力袁又考虑粘结效应产生的粘聚力袁此时界面的剪切强度 子u袁按式(1)计算袁界面极限剪切位移与法向应力也呈线性关系袁按式(2)定义遥子u=滋滓+劂渊1冤式中院滋 为界面摩擦系数袁滓 为界面的法向应力袁c为界面粘聚力遥Su=a滓+b渊2冤式中院Su为极限剪切位移袁a尧b 为线性指标遥模型分析计算过程分为两个部分遥第一部分为地应力平衡袁 总共为两个 Geostatic 地应力平衡分析步袁采用野生死单元冶的操作方式曰第二个地应力平衡分析步中袁首先野杀死冶土体中劲性复合桩所对应的土袁再将桩野激活冶加入到相应位置袁使软件再次进行地应力平衡遥第二部分为施加上部竖向荷载袁分析步类型为静力通用分析步袁在载荷板上表面施加均布竖向荷载 2 000 kN遥2计算结果与分析2.1 桩体位移等芯劲性复合桩数值模型在 2 000 kN 荷载下竖向位移云图如图 2 所示袁可以看出袁整体竖向位移分布呈野U冶型袁竖向位移主要集中于桩体与靠近桩体的桩周土体袁在水平方向袁离桩体越远竖向位移越小袁在竖直方向袁深度越深竖向位移越小遥数值模型在 2 000 kN 荷载下袁 内芯桩顶沉降量为 1.38 cm袁外芯桩顶沉降量为 1.29 cm遥 桩周土地表沉降分布如图 3 所示遥等芯劲性复合桩因水泥的粘结效应拥有较高的侧摩阻力袁 由内芯带动外芯袁外芯带动桩周土体发生沉降袁内芯尧外芯尧桩周土体拥有较好的共同作用特性袁此现象与李怡秋8图 1等芯劲性复合桩模型表 1等芯劲性复合桩模型材料参数表材料名称密度籽/(kg/m3)弹性模量E/MPa黏聚力c/kPa内摩擦角 渍/毅泊松比自粉质黏土18%掺灰水泥土混凝土载荷板1 8302 0002 5007 8501636938 000210 00018346.5-12.130-0.40.250.20.383江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤等芯劲性复合桩静载荷试验现场观测现象一致遥2.2 桩身轴力等芯劲性复合桩数值模型在 2 000 kN 荷载下内芯轴力-深度曲线如图 4 所示遥 由此可知袁内芯轴力沿深度不断衰减袁原因为随着深度的增加袁内界面的侧摩阻力不断发挥袁内芯承担的上部荷载通过内界面间的侧摩阻力进一步向外传递到了外芯水泥土桩袁内芯轴力逐渐减小遥在 2 000 kN 荷载下外芯轴力-深度曲线如图 5所示遥 从图 5 可以看出袁外芯轴力沿深度先增大后基本稳定袁在桩身下部又出现一定增长袁整体呈缓慢增长的趋势遥2.3 侧摩阻力等芯劲性复合桩数值模型内界面与外界面侧摩阻力-深度曲线如图 6 所示遥 内界面与外界面侧摩阻力沿深度的分布形式相似袁整体趋势为随着深度的加深袁 内界面与外界面的侧摩阻力缓慢增大袁在桩身下部增速加快袁在靠近桩端处袁内界面与外界面侧摩阻力减小遥2.4桩土相对位移因界面侧摩阻力的发挥受到界面相对位移的制约袁可以得到界面相对位移-深度曲线辅助侧摩阻力沿深度变化的规律袁图 7 为界面相对位移-深度曲线遥 可以看出袁内界面相对位移沿深度的变化与侧摩阻力沿深度的变化趋势相似袁在桩顶处内界面相对位移较大袁随深度的加深缓慢增长袁在靠近桩端处减小遥这是由于土的自重作用在界面上的法向压力即土的侧压力值逐渐增大袁再结合内界面与外界面相对位移沿深度的变化过程袁最终形成了内界面与外界面的侧摩阻力沿深度先缓慢增大在靠近桩端处减小的变化规律遥图 2等芯劲性复合桩竖向位移云图图 3桩周土体地表沉降分布图 4内芯轴力-深度曲线图 5外芯轴力-深度曲线图 6界面侧摩阻力-深度曲线84江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤3工程实例验证3.1工程概况以浙江省某实际工程为例袁现场静载荷试验场地拟建建筑的主体结构地上 6 层袁该建筑原设计管桩采用 PHC-600(110)AB-C80袁桩长为 45 m袁单桩承载力特征值为 1 500 kN曰 现采用等芯劲性复合桩袁外芯水泥土桩径为 1 m袁桩长为 10 m袁桩身水泥为 42.5 级的普通硅酸盐水泥袁水泥掺入量 18%袁内芯桩为高强混凝土管桩 PHC-400(95)AB-C80袁桩长为 10 m遥3.2静载试验试验使用慢速维持荷载法袁在桩顶处放置与内芯管桩等直径的载荷板袁通过油泵自动加压千斤顶逐级加载上部荷载袁每级荷载加载量相同遥 将现场试验得到的荷载-沉降曲线与数值模拟结果进行对比袁如图 8 所示袁可以看出袁等芯劲性复合桩静载荷试验数值模拟得到的荷载沉降曲线与现场实测曲线变化趋势基本相同袁沉降量较为接近袁验证了对等芯劲性复合桩研究方法的合理性和研究结论的有效性遥4结语渊1冤 等芯劲性复合桩内芯轴力沿深度不断衰减袁外芯轴力沿深度呈缓慢增长的趋势遥 内界面与外界面的侧摩阻力随深度的加深缓慢增大袁在靠近桩端处下降遥渊2冤等芯劲性复合桩内界面与外界面相对位移都在桩顶处较大袁内界面相对位移随深度的加深缓慢增长袁在靠近桩端处减小袁外界面相对位移随深度加深逐渐减小遥渊3冤依据文章建模方式构建的等芯劲性复合桩静载荷试验数值模型计算得到的荷载沉降曲线与实测曲线变化趋势基本相同袁表明该模型构建方法合理遥渊4冤通过实测结果与数值结果所得等芯劲性复合桩承载力均高于规范设计值袁表明等芯劲性复合桩在实际工程中具有较好的承载性能与沉降控制能力遥参考文献1周峰袁朱锐袁郭天祥袁等.可控刚度桩筏基础桩土共同作用的工程实践J.岩石力学与工程学报袁 2017袁36渊12冤院3075-3084.2周峰袁朱锐袁林树枝袁等.广义桩土共同作用的概念与发展 J.南京工业大学学报(自然科学版)袁 2020袁42(06):683-689.3董平袁秦然袁陈征宙.混凝土芯水泥土搅拌桩的有限元研究J.岩土力学袁2003袁24(03):344-348.4吴迈袁窦远明袁王恩远.水泥土组合桩荷载传递试验研究J.岩土工程学报袁2004袁26(03):432-434.5 李进军.劲性搅拌桩荷载传递规律的试验研究D.天津:天津大学袁2006.6刘汉龙袁任连伟袁郑浩袁等.高喷插芯组合桩荷载传递机制足尺模型试验研究J.岩土力学袁2010袁31(05):1395-1401.7赵子江袁陈强袁别社安.大直径劲性搅拌桩承载力试验研究J.中国港湾建设袁2020袁40(03):20-24+38.8 李怡秋.劲性复合桩竖向承载特性的分析与研究D.邯郸:河北工程大学袁2018.图 7界面相对位移-深度曲线图 8静载荷试验荷载沉降曲线85