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大直径钻孔灌注桩群桩效应非线性分析

2021-12-11 来源:好走旅游网
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第25卷第1期 2007年3月 海南大学学报自然科学版 NATURAL SCIENCE JOURNAL OF I-IAINAN I T RSITY Vo1.25 No.1 Mar.2O07 文章编号:1004—1729(2007)01—0070-05 大直径钻孔灌注桩群桩效应非线性分析 杜 娟 ,陈奕柏 ,陈颖杰2 (1.海南大学理工学院,海南海121 570228;2.海南省第六建筑工程有限公司,海南海口570000) 摘要:应用有限单元法应用程序对不同群桩效应系数下大直径钻孔灌注桩的群桩效应进行了较为深入系 统的数值分析,提出了以群桩周边包络线范围内的桩身体积与土体体积(含桩体积)之比作为新的折减系数, 并采用该系数对单桩p-y曲线进行折减后得到的群桩p-y曲线作为桩土横向作用模型,对大直径钻孔灌注桩 的群桩效应进行非线性分析,比传统方法具有一定的优越性.实例证明了笔者给出的折减系数的可行性和简 便性. 关键词:大直径钻孔灌注桩;折减系数;p 曲线;桩土相互作用 中图分类号:Tu 473 文献标识码:A 随着现代科学技术的进步,桩基分析、设计理论和施工工艺不断发展和完善,大直径桩的应用也越来 越多¨J.因此,有必要对大直径钻孔灌注桩的工作机理以及群桩效应对其产生的影响进行进一步的研究 和完善.大直径钻孔灌注桩桩群基础试验所需费用巨大,耗时较长,因而进行大规模的试验研究是很难 的,且现有试验资料非常少,不足以阐明大直径钻孔灌注桩桩群基础在荷载作用下的反应特性.采用数值 分析方法对群桩基础试验进行模拟,可以比较方便地调节其桩距、桩长、桩径、桩数、群桩效应系数,并能 进行不同形式的群桩基础在不同土体中的受荷分析.因此,笔者主要就大直径钻孔灌注桩的群桩效应问 题,采用数值分析方法进行模拟分析研究. 1 工程背景¨ 安庆长江公路大桥是安徽省连结大江南北的第3条过江通道,是国家干线公路网、安徽省及安庆市 的干线公路网的关键组成部分.桥位各主要岩石力学指标建议值依次为:粘土质粉砂岩,微~新鲜,容许 承载力[ 。]=60O kPa,钻孔桩周土极限摩阻力 i=130 kPa;粉砂质粘土岩,微~新鲜,[ ]=400 kPa, i=100 kPa;砂岩,微~新鲜,[ ]=1 600 kPa,下;=200 kPa;疏松砂岩,微~新鲜,[ ]=300 kPa, i= 100 kPa.安庆长江公路大桥北塔墩桩基础均采用双壁钢围堰大直径钻孔桩复合基础,双壁钢围堰外径32 m,高度按下沉基岩面设计.钢围堰内按梅花型布置18根直径3.0 m的钻孔桩,以微风化砂砾岩为持力 层.钢围堰高度为38.5 m,18根桩自钢围堰底面算起其桩长为64 Ill,均属深长嵌岩摩擦桩。 2研究方法 由于群桩效应的存在,群桩在水平力作用下的工作性状与单桩不同,一般在受荷方向桩排中的中、后 桩,在同等桩身变位条件下,所受到的土反力较前桩为小.一方面,其差值随桩距的加大而减小,当s /d≥ 8时,前、后桩的p 曲线基本相近;另一方面,其差值又随地下深度的加大而减小,桩在地下的深度 ≥10 d时,前、后桩的p-y曲线也基本相近.这在黄委会山东河务局灌注桩试验研究组 的砂土中的原型桩试验 得到了证实.Schmidt H G 也在现场试验中证实了前桩所受到的土抗力一般略等于或大于单桩,这是由 收稿日期:2OO6—03—01 基金项目:海南大学科研基金资助项目(Kyjj0549) 作者简介:杜娟(1978一),女,安徽金寨人,海南大学理工学院讲师,硕士 1)安徽省公路勘测设计研究院.安庆长江公路大桥初步设计文件.2001. 维普资讯 http://www.cqvip.com

第1期 杜娟等:大直径钻孔灌注桩群桩效应非线性分析 71 于受荷方向桩排中的前桩水平位移与单桩相近,土抗力能充分发挥所致.Brown D A 提出:考虑到群桩 效应,后排桩的桩前土反力系数减小,计算时群桩的p.),曲线可通过在单桩的p_),曲线的基础上乘以一折 减系数来获得.笔者根据这一思想,提出新的折减系数,即应用有限单元法应用程序对安庆长江公路大桥 北塔墩大直径钻孔灌注桩的群桩效应进行非线性分析. 2.1 基本假定 采用最相近的水下硬粘土的Reese曲线作为桩土相互作用模型;安庆长江公路大桥北 塔墩群桩基础的周围土体均为砂岩层,因此可假定其为线弹性的均匀介质;假定桩和承台均为无重、线弹 性的均匀介质,桩不考虑自重,承台自重包含在竖向荷载内,不考虑桩、土和承台的初应力对群桩受荷特 性的影响,采用三维框架单元和板壳单元分别对群桩基础和承台进行离散;横向荷载作用方向的前桩按 单桩来处理,而用群桩周边包络线范围内的桩身体积 与土体体积 (含桩体积)之比'7 = / 来描 述桩群中前桩与后桩之间的相互作用系数. 2.2 计算单元划分 承台按板壳单元划分,桩按三维框架单元进行模拟. 2.3 群桩效应系数 2.3.1 玉置、三桥、今井计算式为 7/H=1—5[1一(0.6—0.25k)・(|s /d)‘ 加・ ]×(1一mm娩・rtm∞), 式中:叼 一群桩效应系数; m一沿荷载方向的每排桩的桩数; rt一垂直荷载方向的每排桩的桩数; s/d一桩距与桩径比; k一桩顶嵌固度=M/Mf,桩顶完全嵌固时k=1,桩顶自由时,k=0; M一桩顶实际约束力矩; 尬一完全嵌固时桩顶的约束力矩. 2。3.2 斯纳明斯基(Znamensky)和科诺夫(Konnov)计算式为 /rn /ri。7/ , 式中:刀 一桩的相互作用系数; 一桩顶嵌固影响系数. 2.3.3 刘金砺建议群桩效应系数计算式为 /rn r/jr/ +叼f+叼。, 式中:叼 一承台底摩阻影响系数; 叼。一承台侧面土抗力影响系数. 2.3.4 笔者考虑p-),。曲线与土性参数(容重、强度)、土层分布、基桩直径和深度有密切关系,提出以群桩 周边包络线为边界条件,用此范围内的桩身体积 与土体体积 (含桩体积)之比7/ = / 来描述桩 与桩之间的相互作用系数,计算式为 “ : 一 A包・£ 一 A包。 3 计算结果分析 将外荷载换算到承台地面为:竖向力N=一488 061 kN,弯矩M =一1 252 800 kN・m,水平力H = 21 600 kN.笔者应用有限元程序对这一工况下的灌注桩群进行数值计算,分析结果如下: 3.1 不同位置桩顶轴力分担分析 图l中各桩桩顶轴力的分担均呈现角桩最大、边桩次之、内部桩最小 的规律,这与文献[5—7]的实测情况是相吻合的.形成这种分担规律的原因是:由于群桩中各桩引起的土 中应力的重叠,使内部桩桩尖平面处的土中附加应力大于角桩或边桩桩尖平面土中的附加应力,因此内 部桩具有更大的沉降趋势,而刚性承台的约束作用使各桩的沉降必须相等,在此情况下,承台底板的荷载 由中心桩向角桩和边桩转移,从而导致角桩和边桩的桩顶反力远大于内部桩的桩顶反力. 维普资讯 http://www.cqvip.com

海南大学学报自然科学版 2007正 12 000 10000 8 000 6 000 4 000 2 000 1.6 妄翅.0 -2 000 4 000 。、…荸 1.4 1.2 1.0 :—专 ◆一一■本刘金文- 砺 一J/I。 6 000 8 000 .-.10 000 12 000 14 000 .\ 图1 各桩的桩顶轴力 。边桩 囝内部桩●角桩 雹 0.8 0.6 7 . 0 6 12 18 24 Y/m 图2 沿y方向日 / 随7/ 的变化曲线 3.2桩顶剪力分布分析图2中采用玉置、Znamensky、刘金砺系数计算所得的变化曲线是逐渐降低的, 其原因是:刘金砺系数考虑了承台底摩阻和承台侧土抗力的影响,一部分水平荷载由承台底面或侧面土 来承担;Znamensky系数考虑了桩顶约束条件的影响;而玉置系数未能较好地考虑这几种因素的影响,因 此,由桩承担的水平荷载要比前两者稍大.另外,还可以从前3种曲线看出,各桩顶的剪力基本上是平均 分配的;而从采用本文系数进行计算的变化曲线上可以看出,各个桩顶剪力沿y方向逐渐增大。也就是 说,桩群中各个桩分担的水平荷载是不同的,前排桩所分担的水平荷载要比后排桩大.这种水平力分配不 均匀的原因是由于桩土间的相互作用所致.由于前排桩向前位移,使得后桩的桩前区的应力降低,后排桩 的桩前地基水平反力系数也随之减小,而前桩的地基水平反力系数基本不受相互影响而削弱,因此,在桩 顶位移协调的情况下,其分配到的水平力较大. 3.3桩顶弯矩分布分析图3中桩顶弯矩 沿y方向的变化规律与桩顶剪力 基本类似,当 增大 时, 增大;当 减小时, 也会相应地减小.究其原因有两点:一是由于各桩所分担的水平荷载不均匀 所致;二是由于前桩桩身轴线本身已因相对后桩稍大的弯矩而发生偏倚,同时竖向荷载作用下产生的轴 向压力又使这种偏倚继续增大,这样就导致沿y方向桩顶弯矩 逐渐增大. 量 ● +玉置 z 800 500 }}{}一 桩桩桩抛抛 得 Z . +znamensky 姜 200 +刘金砺 900 600 运 300 静 鼙 +本文 吾 0 3oo 00 6 12 18 24 y/m 玎 ■20.21 30.32 40.42 50.53 60.63 桩的入土深度/m 图3沿y方向桩顶弯矩 变化曲线 图4采用本文系数时桩侧土横向抗力的变化曲线 3.4桩侧土横向抗力分析图4中桩侧土横向抗力自前桩向后桩递减,并沿桩身递减;桩侧土横向抗力 的减小幅度也沿桩身逐渐降低.桩所承受的水平荷载主要是靠桩侧土横向抗力来承担的,因自前桩到后 桩所分担的水平荷载逐渐减小,这样就导致自前桩到后桩的桩侧土横向抗力呈现递减的趋势.而桩身所 受的水平力先由上部土层承担,再沿桩身逐渐向下部土层传递,因此便出现其沿桩身递减的趋势.另外, 从5根桩的变化曲线上可以看到,桩侧土横向抗力发生反向变化,这意味着在桩侧土横向抗力为零处。桩 身出现位移零点.在图4中出现2个位移零点,第1个位移零点以上是由桩前土承担水平荷载;而第1个 位移零点和第2个位移零点之间,则是由桩后土承担水平荷载的;自第2个位移零点以下,桩侧土横向抗 力几乎为零. 3.5桩侧摩阻力分布分析图5中显示,在桩顶以下一定的深度内,侧摩阻力由小增大,这是由于承台 的存在,使得桩土间的相对位移受到限制,阻碍了上部侧摩阻力的发挥,这就是所谓的“削弱作用”.而在 承台的影响区以外,各桩的侧摩阻力均是从上向下发展的.由于桩间土中传递的应力对桩身侧向压缩,使 维普资讯 http://www.cqvip.com

第1期 娟等:0 杜∞ ∞ ∞ ∞ 4 大直径钻孔灌注桩群桩效应非线性分析 培 ∞ ∞ ∞ H 73 得桩侧摩阻力增强,这就是所谓的“增强作用”;而继续向下发展则由于桩的相互影响会使深层土中的侧 摩阻力降低. 。 1 J _ Z 吕 Z J l 『 …… 13.47 26.95 40.42 53.89 斟 —, 静 亦 辑 掣 j —._.◆●★ 一2481号一’ 一]桩士 止 —∞ ∞ ∞ 0 啪 啪 啪 啪 ,. ,. - 加 如 - - - 图5 采用本文系数计算时桩侧摩阻力的变化曲线 *一17号桩 图6采用本文系数计算时桩身弯矩变化曲线 3.6桩身弯矩分布分析图6中显示,桩身最大弯矩均发生在桩顶处,这说明桩侧上部土层没有发生屈 服.桩与桩之间的相互影响导致前排以后的桩地基反力系数削弱,使从l7号前桩到2号后桩的桩身弯矩 呈减小趋势. 4结论 1)通过上述数值分析,证明了笔者给出的折减系数的可行性和简便性,可为大直径灌注桩群的设计 提供参考. 2)通过与一些传统方法进行同步计算对照分析,进一步验证了大直径钻孔灌注桩群的桩顶轴力分 担、桩顶剪力分布、桩顶弯矩分布、桩侧土横向抗力分布、桩侧摩阻力分布以及桩身弯矩分布的规律,并得 到了一些有意义的结论. 3)各桩桩顶轴力的分担在群桩效应的影响下,并不是平均分配的,而是呈现角桩最大、边桩次之、内 部桩最小的规律,这与实测情况是相吻合的. 4)由于桩土间的相互作用,从而导致了桩群中各个桩分担的水平荷载之不同,所以前排桩所分担的 水平荷载要比后排桩大. 5)桩侧土横向抗力不仅自前桩向后桩递减,而且沿桩身递减;其减小幅度也沿桩身逐渐降低. 6)在桩顶以下一定的深度内,由于承台的“削弱作用”,使得桩侧摩阻力由小增大;而在承台的影响 区以外,由于桩间土中传递的应力对桩身侧向压缩,即所谓的“增强作用”,使得各桩的侧摩阻力均是从上 向下发展;而继续向下发展则由于桩的相互影响会使深层土中的桩侧摩阻力降低. 参考文献: [1]彭振斌.灌注桩工程设计计算与施工[M].武汉:中国地质大学出版社,1997. [2]黄委会山东河务局灌注桩试验研究组.小钻孔灌注桩的试验研究[J].岩土工程学报,1983,5(1):38—45. 『3]scHMIDT H G.Group Action of Laterally Loaded Bored Piles[J].Proc.10th ICSMFE,1981,2:259—264. [4]BROWN D A,MORRISON C,REESE L C.Lateral Behavior ofa Pile Group in Sand[J].Journal of Geotechnical Engineering, ASCE,1988,114(11):1734—1756. [5]周国然,赵锡宏.桩一厚筏基础共同作用分析[M]∥赵锡宏.上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论.上海:同济大学 出版社,1989:16—22. [6]赵春红,赵锡宏.上部结构一筏一桩基础共同作用的新方法[M]∥赵锡宏.上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论.上 海:同济大学出版社,1989:29—36. [7]罗立平,赵锡宏.空间框架结构一厚筏一地基共同作用分析[M]∥赵锡宏.上海高层建筑桩筏与桩箱基础设计理论.上 海:同济大学出版社,1989:47—52. 维普资讯 http://www.cqvip.com

74 海南大学学报自然科学版 2007正 Nonlinear Analysis of Pile Group Effect of Large Diameter Cast.in.situ Pile DU Juan ,CHEN Yi—bai ,CHEN Ying-jie (1.College of Science and Engine ̄_ng,Hainan University,Haikou 570228,China; 2.The Sixth Construction Engineering Company Limited,Haikou 570000,China) Abstract:The finite element method program is used to analysis the pile group effect of large diameter cast.-in.- situ piles deeply with diferent coeficients of pifle group effect.The paper presents the method that the ratio of he volume ofpile atnd soil in the ambient range ofpile group is used to express the new reduced coeficient afnd in which the p-y curves of pile group after reduced are adopted as horizontal interaction mode1.On these condi— tions mentioned above.a pile group effect of lrge diametaer cast—in—situ piles is analyzed nonlinearly. At the same time,some diferent coeficifents of pile group effect are adopted to calculate.Compared with these results, he fteasibility and conciseness of hits reduced coeficifent are testiifed. Key words:large dimeter caast—in—situ pile;reduced coeficient;P—Y calve;pile—soil ifnteraction (上接第69页) 3结束语 采用EJB技术构建多层结构的远程教育平台,利用EJB良好的技术机制,使得远程教育平台具有非 常强的弹性和伸缩性,数据安全性高.通过它,远程教育平台可以对远程教育中海量的信息资源进行整 合,与用户实现跨平台、跨时间的信息共享,是构建远程教育平台的良好解决方案. 参考文献: [1]郑耿忠,刘秋梅.基于XML和J2EE的远程教育资源共享模型研究及实现[J].计算机工程与设计,2005(11):3147— 3148. [2]王子君,范学峰.EJB技术的探讨与研究[J].计算机工程,2002,28(2):106—108. [3]郑耿忠,刘秋梅.基于J2EE和XML架构的远程教育平台的设计及实现[J].现代计算机,2005(11):69—7O. [4]赵连军,彭炎午.基于组件技术的应用系统开发服务模型[J].计算机工程与应用,2004(6):230—232. A Research on Appfications of Groupware Technology in Long-distance Education’S Platform ZHENG Geng—zhong (College of Mathematics and Information Technology,Hall—shall Teachers College,Chao—zhou 521041,China) Abstract:Wih tthe development of long—distance education,how to build an excellent platform has became an imminence task in long—distance education.On the base of nalayzing the multi—ite layers system structure of En— terprise Java Bean(EJB),this paper constructs a long—distance education platform.The paper laso naalyzes he tdesign and implementation processes from the angle of an Object—Oriented viewpoint. Key words:EJB;muli—tite Layers system structure;groupware technology;long—distance education platform 

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