陇东黄土塬区超长桩承载特性的分析研究.pdf

第 卷 第 期陇 东 学 院 学 报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:陇东学院青年科技创新项目()甘肃省高等学校创新基金项目()作者简介:李飞()男甘肃庆阳人讲师主要从事建筑工程及工程材料研究陇东黄土塬区超长桩承载特性的分析研究李 飞张兴元(陇东学院 土木工程学院甘肃 庆阳)摘 要:随着社会经济的高速发展我国中西部地区工程建设迎来了新的发展高潮大厚度湿陷性黄土地区超高层建筑和大型高速铁路桥梁不断涌现超长桩基础在陇东黄土塬地区被广泛应用 但陇东黄土塬被称为天下第一塬区域内黄土厚度达 以上由于黄土的工程性质本身具有特殊性从而使桩的承载性能也不相同 因此通过室内试验和数值模拟的方法对陇东黄土塬区工程建设中经常使用的超长桩的承载性能进行了研究 研究结果表明:()随着地基土的深度不断增加超长摩擦桩的侧摩阻力会逐渐先增大后减小()相对短桩而言超长摩擦桩的压缩 沉降变形曲线没有明显的拐点为缓变型曲线()超长摩擦桩桩身压缩量在桩顶处最大沿桩身近似呈线性递减()随着荷载的增加超长摩擦桩的沉降逐渐变大关键词:陇东黄土塬超长桩承载特性中图分类号:文献标识码:():.:().().().().:黄土是第四纪以来在干燥的气候下所形成的一种具有大孔隙结构和柱状节理的黄色粉性土是一种地质历史时期特殊的沉积物质而我国中西部地区覆盖着世界上面积最广沉积厚度最大的风成黄土高原约占我国国土面积的/随着西部大开发乡村振兴战略的深入推进和社会经济的高速发展西部地区的基础设施建设、资源开发利用等项目投入不断加大我国中西部地区工程建设迎来了新陇 东 学 院 学 报第 卷的发展高潮在大厚度湿陷性黄土地区超高层建筑和大型高速铁路桥梁等工程建设的勘察设计环节中将不可避免地遇到黄土湿陷性这一特殊的岩土工程问题 董志塬是我国乃至世界上黄土发育最完整、堆积厚度最大唯一正在堆积的黄土塬具有陇东粮仓的美称区域内分布有巨厚黄土随着陇东大厚度湿陷性黄土地区工程建设的快速发展超长桩基础在陇东大厚度湿陷性黄土地基中广泛应用 现阶段针对大厚度湿陷性黄土地基中超长桩承载性能的研究主要是以室内小尺寸模型试验和现场载荷板试验为主 刘鑫通过室内缩尺试验模型研究分析了单桩在三种长径比条件下、四桩群桩 承台体系在三种桩间距条件下的竖向承载性能及沉降特性 李建东等采用研制的黄土相似材料填筑模型对超长单桩和群桩桩顶荷载作用下荷载沉降、桩身轴力、桩侧阻力、桩端土体塑性区发展变化规律进行了研究 刘博诗通过室内群桩的模型试验探讨了基桩侧阻力、负摩阻力和桩身轴力与群桩沉降变形的基本规律深入研究了长桩基础承受上部荷载时内力传递特性和沉降变形规律 王建军对湿陷性黄土地区超长灌注桩的施工技术进行了研究 张斌伟等根据 硬化理论自行设计了 本构模型通过数值软件模拟建立了黄土中桩基有限元模型并对强震状态下大厚度黄土中桩基础的动应力响应进行了分析吴奕喆 通过设计的室内小尺寸试验对大厚度黄土地区桩基础的承载特性进行了分析研究熊仲明等利用统一强度理论采用桩、大厚度湿陷性黄土以及上部结构共同作用的方法研究分析了桩、大厚度湿陷性黄土以及上部结构三者之间的接触压力 研究结果发现:在强震作用下桩和湿陷性黄土之间的接触压力是非线性的黄华南通过室内小尺寸模型试验、土工试验和数值模拟分析对桥梁结构中的桩基础性能进行了研究综上所述虽然国内外许多专家学者对黄土地区的桩基础进行了大量的研究也得出了许多有意义的研究成果 但陇东黄土塬被称为天下第一塬区域内黄土厚度达 以上由于黄土的工程性质本身具有特殊性从而桩的承载性能也不相同而目前对该地区桩的承载性能的研究还相对较少因此本文通过室内试验和数值模拟的方法对陇东黄土塬地区大厚度湿陷性黄土场地中超长桩的承载性能进行分析研究 超长摩擦桩室内模型试验方案设计.室内模型试验箱设计根据相似原理本次超长桩承载性能的室内模型试验的试验箱由五块钢板焊接而成钢板的厚度为 试验箱其长、宽和高分别为、.为了防止试验箱侧鼓在试验箱周围.和.的高度处分别采用角钢设置了两道加劲肋如图 所示图 室内模型试验箱.室内模型试验桩设计本次室内试验的模型桩采用钢管进行试验桩的原型和模型对照如表 所示表 超长摩擦桩参数对照表桩长桩径原型()模型()原型()模型()本文中只以桩长为 桩径为 的桩进行说明.室内模型试验加载装置设计本次试验加载装置采用液压式结构试验装置进行加载桩身轴力通过贴在钢管上的应变片通过应变仪采集桩轴侧摩阻力通过埋在土中的土压力盒进行采集试验装置如图 所示图 室内试验装置图.室内模型试验步骤室内模型试验在陇东学院土木工程学院结构实验室进行所需黄土参数均来自甘肃省庆阳市西峰区某工地其物理力学指标统计后见表 第 期李 飞等:陇东黄土塬区超长桩承载特性的分析研究表 黄土的物理指标参数含水率()比重()密度(/)液限()塑限()塑性指数()湿陷系数()干密度(/)内摩擦角()粘聚力()黄土.本次试验分为以下几步进行:配制试验黄土贴应变片埋设模型桩分层回填且每一层埋设土压力盒静载试验数据采集数据分析试验结束 超长摩擦桩数值模拟的模型建立.数值模拟模型参数的定义和网格划分本次数值计算采用 数值模拟分析软件进行分析模拟超长桩桩径为桩长为桩的泊松比取.弹性模量取/黄土的重度./弹性模量为.土体厚度取本次采用 软件数值分析超长摩擦桩的计算模型选用各向同性的、均匀的、完全弹性的一维杆件模型采用摩尔 库伦准则作为 软件数值计算桩的本构模型选用各向同性的、均匀的、完全弹性的三维地基土实体模型作为 软件数值计算模型 桩体桩底与土的连接设置为固结 为了提高本次数值模拟计算的精度超长摩擦桩桩体和桩周土之间的网格划分进行了加密处理建立的 数值模拟几何模型如图 所示图 数值模拟几何模型图.数值模拟模型边界条件及荷载本次采用 软件数值分析假设作为地基的土体为完全弹性的、无限延伸的半空间地基模型桩与土之间的位移边界为自动约束在超长摩擦桩模型周围的土体上面施加了水平荷载用来约束超长摩擦桩桩周的具体工况 桩承受的主要荷载包括上部结构传递到桩顶的荷载和桩自重根据工程实际上部结构传递在超长摩擦桩桩顶的荷载取 建立的荷载模型图如图 所示图 荷载模型图.土体本构模型本次采用 软件数值分析超长摩擦桩、桩周土之间的计算模型采用古德曼界面模型土体的应力应变模型采用库伦莫尔强度计算准则根据弹性理论中的物理方程可得:()()()()式中:泊松比剪切模量弹性模量用矩阵的形式将上述物理方程可以表示为:()其中:为弹性模量矩阵为应力矢量为应变矢量()陇 东 学 院 学 报第 卷 在实际数值模拟软件计算时如果土体中的应力达到屈服时土体中将会产生产生塑性变形此时屈服准则可以用如下式来所示:()结果分析.桩侧摩阻力分析图 为桩侧摩阻力变化规律图其中()图为 软件数值模拟计算所得的桩侧摩阻力云图()图为室内模型试验和数值模拟所得的桩侧摩阻力随深度变化的曲线图图 桩侧摩阻力变化规律从图 可以看出不论室内模型试验还是 软件数值模拟随着地基土的深度不断增大桩的侧摩阻力都是先逐渐增大然后又逐渐减小但在地面以下 以内 软件数值计算的侧摩阻力随深度变化的曲线基本呈线性增长这主要是由于 软件数值计算过程中所用的土层为单一的扰动土层与实际的土层分布不一致因此 软件数值分析结果的侧摩阻力会出现较大的变化波动.桩身轴力分析图 为桩身轴力变化规律图其中()图为 软件数值模拟计算所得的桩身轴力云图()图为室内模型试验和数值模拟所得的桩身轴力随深度变化的曲线图从图 可以看出不论室内模型试验还是 软件数值模拟随着地基土深度的不断增大超长摩擦桩的桩身轴力都是在逐渐减小图 桩身轴力的变化规律同时从图 还可以看出上部结构的荷载主要由超长摩擦桩的桩身上部承担而随着深度增加桩土共同的承受荷载的效应逐渐明显.荷载与沉降变形之间的变化规律图 为竖向荷载作用下室内模型试验和 软件数值模拟计算的单桩荷载沉降曲线图 图 荷载沉降曲线由图 可以看出不论室内模型试验还是 软件数值模拟超长摩擦桩的荷载与沉降变形之间的变化规律基本相同都是随着荷载的不断增加沉降变形不断变大.桩身压缩变形量图 为竖向荷载作用下室内模型试验和 软件数值模拟计算得到的不同位置处各断面平均桩身压缩量如图 所示 由图 可知桩身压缩量在桩顶处最大沿桩身近似呈线性递减 实例验证.工程概况某工程项目场地位于甘肃省庆阳市西峰区本项目由主楼和 座裙楼组成 其中主楼部分为地上 层有 层地下室框架核心筒结构基础采用桩基础桩的长度为桩的直径为正方形布置第 期李 飞等:陇东黄土塬区超长桩承载特性的分析研究图 桩身压缩量随桩身的变化规律.工程场地地质概况该项目场地地貌为典型陇东黄土塬 区域内黄土梁、卯、冲沟纵横 根据该项目场地地质资料该场地的地层如下:()层填土:黄褐色稍湿 湿层厚.层面标高为.()层马兰黄土:黄褐色层面埋深.层面高程.()层古土壤:红棕色层厚.层面埋深.层面高程.()层离石黄土:黄褐 棕褐色层厚.层面埋深.层面高程.()层古土壤:棕红色 红褐色层厚.层面埋深.层面高程.()层离石黄土:黄褐 棕褐色层厚.层面埋深.层面高程.()层古土壤:红褐 棕褐色层厚.层面埋深.层面高程.()层离石黄土:黄色 褐黄色层厚.层面埋深.层面高程.()层古土壤:棕红色 红褐色厚.层面埋深.层面高程.()层离石黄土:褐黄色层厚.层面埋深.层面高程.()层古土壤:棕红色主要为粉质粘土层厚.埋深.层面高程.()层离石黄土:褐黄色层厚.埋深.层面高程.()层古土壤:棕红色埋深.层厚.层面高程.()层离石黄土:褐黄色埋深.层厚.层面高程.()层古土壤:褐红色埋深.层面高程.本次勘察揭露厚度.()层离石黄土:褐黄色层厚.层顶埋深.层顶高程.()层古土壤:红棕色层厚.层顶埋深.层顶高程.()层离石黄土:黄褐色 层厚.层顶埋深.层顶高程.()层古土壤:棕褐色呈饱和状态中密 密实 层厚.层顶埋深.层顶高程.()层离石黄土:黄褐色层厚.层顶埋深.层顶高程.()层古土壤:红褐色层厚.层顶埋深.层顶的高程为.()层离石黄土:黄褐色层厚.层顶埋深.层顶的绝对高程.()古土壤:褐红色层顶埋深.层顶高程.试验结果分析.超长摩擦桩侧摩阻力测试结果分析图 桩侧摩阻力的变化曲线图分别在桩编号为、和 桩的长度为 桩的直径为 的超长摩擦桩上面安装钢筋计据此可得超长摩擦桩随深度的变化桩侧摩阻力的关系曲线图如图 所示由图 可知、和 超长摩擦桩的桩侧摩阻力随着深度增加整体先增大然后又减小这与室内模型试验和 软件数值模陇 东 学 院 学 报第 卷拟结果相吻合由图 也可以看出当超长摩擦桩受力时桩的侧摩阻力在桩身上端相对较小到桩身中段时达到最大值到桩身下端时又逐渐减小这与室内模型试验和 软件数值模拟结果相吻合.超长摩擦桩桩身轴力测试结果分析分别在桩编号为、和 桩的长度为 桩的直径为 的超长摩擦桩上安装钢筋计据此可得超长摩擦桩随深度的变化桩身轴力的变化关系曲线图如图 所示图 超长桩轴力的变化曲线图图 桩的荷载 沉降变形曲线由图 可知:随着深度增加、和 超长桩桩身的轴力逐渐减小这与室内模型图 桩的荷载 沉降变形曲线图 桩的荷载 沉降变形曲线试验和 软件数值模拟结果相吻合第 期李 飞等:陇东黄土塬区超长桩承载特性的分析研究图 桩的荷载 沉降变形曲线.超长摩擦桩的原位静载荷试验结果分析分别在桩编号为、和 桩的长度为 桩的直径为 的超长摩擦桩上进行静载荷试验可得超长摩擦桩原位静载荷试验的荷载 沉降变形曲线图如图 图 所示从图 图 可以看出、和超长桩的原位静载荷试验中其荷载 沉降变形曲线均为缓变型这与室内模型试验和 软件数值模拟结果相吻合 结论 在野外实地调查的基础上总结归纳陇东黄土塬区超长摩擦桩的承载状况设计研究陇东黄土塬区超长摩擦桩室内试验模型根据室内试验模型测试不同工况下超长摩擦桩承载的基本规律 然后通过现场试验和 软件数值模拟计算对超长摩擦桩的承载性能进行了分析研究得到的具体结论如下:()不论室内模型试验还是 软件数值模拟超长摩擦桩的桩侧摩阻力均为先增大后减小 ()不论室内模型试验还是 软件数值模拟在大厚度湿陷性黄土场地中超长摩擦桩的荷载 沉降()曲线为缓变型()超长摩擦桩桩身压缩量在桩顶处最大沿桩身近似呈线性递减()随着荷载的增加超长摩擦桩的沉降逐渐变大参考文献:汪国烈滕文川王旭等.特殊土场地桩基础研究与工程进展:第九届全国桩基工程学术会议论文集.北京:中国建筑工业出版社.冯世进柯瀚陈云敏等.黄土地基中超长钻孔灌注桩承载性状试验研究.岩土工程学报():.阳吉宝.超长桩的荷载传递机理.岩土工程学报():.李飞.董志塬大厚度湿陷性黄土地区超长摩擦桩承载性能研究.兰州:兰州交通大学.刘鑫.黄土地区微型长桩群桩竖向承载特性室内模型试验研究.兰州:兰州理工大学.李建王旭张延杰等.大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究.工程地质学报():.刘博诗.大厚度湿陷性黄土场地大直径超长群桩承载特性研究.兰州:兰州交通大学.王建军.湿陷性黄土地区超长钻孔灌注桩施工技术.甘肃科技纵横():.张斌伟严松宏.强震状态下黄土中桩基动力性状分析.地震工程学报():.吴奕喆.竖向荷载及浸水作用对黄土桩基水平承载特性影响的试验研究.兰州:兰州交通大学.吴奕喆吴亚平舒春生等.浸水及固结过程对湿陷性黄土桩基力学特性影响的机理分析.科学技术与工程():.熊仲明王社良李小健等.统一强度理论在湿陷性黄土桩上部结构共同作用分析中的应用.土木工程学报():.黄华南.重塑湿陷性黄土桩某单桩桥梁基础承载特性模型试验研究.兰州:兰州交通大学.【责任编辑赵建萍】