堆载时沥青涂层钢管桩周土体变形特性研究

根据负摩阻力的产生机理, 当土体产生相对桩体向下的位移时会对桩产生负摩阻力, 负摩阻力较大时会验证影响桩基的承载能力[1]。在堆载作用下, 桩周土体会产生沉降, 从而影响到桩体所受的摩阻力的大小, 所以研究清楚在堆载作用下桩土间的相对位移的变化对改善和优化桩基的承载能力有很大的帮助。而且随着研究发现, 沥青土层可以改善钢管桩与桩周土体的接触, 可以以此来改善桩体所受摩阻力[2], 提高桩基的承载能力。所以本文使用有限元软件模拟分析在不同的堆载下加沥青涂层的钢管桩与桩周土体的变形特性, 来研究涂层范围对桩体的位移影响。

1参数选取及模型建立

研究所用有限元软件为Abaqus, 为了模拟真实状态下的桩土关系, 所以采用三维模型。为了模拟的真实性, 在Abaqus许多的本构模型中选用摩尔-库仑模型[3,4,5]和弹性模型分别模拟土体和钢管桩。钢管桩的长度l取24m, 直径d取0.6m, 土体的三维模型设置为一个直径为50倍钢管桩直径, 高为2倍桩长的圆柱体, 土体分为桩周土和持力层土两种, 详细参数见表1。因为研究的是堆载时沥青涂层钢管桩周土体变形特性研究, 所以将桩-沥青涂层-桩周土体三者之间全部设置接触单元, 参考Burland[6]所做的研究, 沥青涂层的摩擦系数取0.04。钢管桩的其他参数为弹性模量E为198GPa, 泊松比为0.35, 重度为80.7k N·m-3。

模拟分析主要分为三步, 第一步:初始地应力平衡, 并消除土体位移;第二步:将钢管桩体植入土体, 桩与桩周土之间设置接触单元, 钢管桩与土间摩擦系数μ取0.35, 钢管桩-涂层-土间摩擦系数μ取0.04, 在钢管桩桩顶中心位置设参考点, 建立参考点与桩顶面的耦合, 然后给桩顶施加50k N竖向集中荷载;第三步:给桩周土体上表面施加不同等级的堆载[7], 依次为50k Pa、200k Pa、350k Pa、500k Pa, 分析沥青涂层对不同堆载下桩土位移的影响。

通过试算, 发现在不加沥青涂层的情况下, 钢管桩在不同等级堆载下中性点的位置变化不大, 都在15m左右。故此次对比分析了全桩加涂层和仅桩顶到15m之间有涂层两种情况下钢管桩周土体的位移特性。

2结果分析

图1为50k Pa堆载下在桩顶至15m处加涂层的钢管桩及桩周土体的位移云图, 图2是施加不同等级堆载时桩身及桩周土体沉降图。这两张图表可以很好地反映堆载下桩与桩周土体的位移变化, 根据摩阻力的产生原理, 可以发现钢管桩桩身侧摩阻力的变化过程, 同时也能体现出桩基沉降量的大小进而反映桩基的整体承载性能。

堆载/k Pa: (1) -50; (2) -200; (3) -350; (4) -500。

因为钢管桩弹性模量很大, 所以我们可以在图1中看到桩的上部与下部的位移值为34mm和32mm变化不大, 而土体的位移变化值得范围是87mm~20mm有较大的变化。通过图1中 (b) 和 (c) 的对比我们发现桩与土体的位移值相等的位移在桩身的3/4处, 与计算得到的中性点位置在19.2m处的结果一致。在图2中, 可以看到在整个桩身加涂层的钢管桩中性点位置为15m, 而在桩顶至15m处加涂层的钢管桩中性点位置为19.2m左右, 中性点位置下降了31.4%, 涂层的范围对钢管桩在不同堆载等级下的位移有明显减小, 但是对桩周土体的影响却不大。

总结发现, 将沥青涂层加到中性点以上的位置时可以降低桩身的沉降位移, 提高桩的承载能力。桩和桩周土体受堆载等级的影响很大, 随着堆载越来越来, 桩身和桩周土体沉降量也在变得越来越大, 桩端沉降34.3mm~507.8mm, 土体表面沉降87.7mm~882.9mm。在堆载作用下, 桩土的接触面处土体上部位移大于桩体上部位移, 而土体下部位移却小于桩体下部位移, 根据摩阻力的定义可以知道, 桩体上部表现为负摩阻力, 下部表现为正摩阻力。同时, 随着堆载的增大桩身及桩周土体沉降依次增大, 桩与桩周土之间的差值会越来越大, 意味着桩所受到的负摩阻力也会越来越大, 更容易导致桩基过度不均匀沉降, 降低桩基整体承载能力。

结束语

通过数值模拟的结果我们可以看到当将沥青涂层加到中性点以上时, 桩身的沉降位移有显著的减小, 这就表示这样可以有效的提高桩基的承载能力。

桩土沉降量受不同堆载等级作用明显。不同堆载下, 桩身和桩周土体沉降量随着堆载增加依次增大, 桩端沉降量为34.3mm~507.8mm, 土体表面沉降量为87.7mm~882.9mm。

在整个桩身加沥青涂层钢管桩桩与桩周土表面的相对位移随着堆载等级的增加小于在桩顶至s=15m之间加涂层条件下的桩与桩周土表面的相对位移, 这就会使桩身受到的负摩阻力增大, 降低桩基的承载能力。

摘要：使用有限元软件Abaqus进行数值模拟, 分析沥青涂层不同分布范围对不同堆载下钢管单桩和桩周土体之间的位移影响。研究结果表明:在中性点以上的桩身加沥青涂层后中性点的位置会下降31.4%, 并且可以有效的减小桩体的位移, 提高钢管桩的承载能力。堆载作用下桩和桩周土体沉降变化较大, 随着堆载等级的增加桩端沉降量为34.3mm507.8mm, 土体表面沉降量为87.7mm882.9mm, 堆载过大会严重降低桩基的承载能力。

关键词：堆载,沥青涂层,钢管桩,土体变形

参考文献

[1] MAKARAND G.K., SHAILESH R.G.Skin friction of piles coated with bituminous coats[J].GSP 158Contemporary Issues in Deep Foundations, ASCE, 2007.

[2] 孙军杰.桩基负摩阻力研究中几个基本理论问题的探讨.岩土力学与工程学报[J], 2006.

[3] 朱向荣, 王金昌.ABAQUS软件中部分土模型简介及其工程应用[J].岩土力学, 2004.

[4] 费康, 张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].中国水利水电出版社, 2010.

[5] 王玉镯, 傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[J].中国建筑出版社.2010.

[6] BURLAND, J.B. (1973) .“Shaft friction of piles in claya simple fundamental approach.”Ground Engineering, vol.7, 30-42.

[7] 韩东亚, 曹平, 林杭, 范文臣.堆载和桩顶荷载组合作用下的桩土响应分析[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2017.