《1101樁端樁側(cè)后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析.》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《1101樁端樁側(cè)后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析.（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、2 0 11年2月第1期總第17 2期中國港灣建設(shè)ChinaHarbourEngineeringFeb.,2011Total172,No.1樁端樁側(cè)后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析鄭愛榮1,肖大平2,諸葛愛軍1,陳舉1(1中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津3 0 0 2 2 2;2.中國建筑科學研究院，北京1 0 0 0 1 3 )摘要：在現(xiàn)場試樁試驗的基礎(chǔ)上，考慮土體的小應(yīng)變剛度，應(yīng)用Plaxis程序中的小應(yīng)變硬化土模型，對樁端樁側(cè)聯(lián)合后注漿灌注樁的豎向承載性能進行有限元分 析。研究表明：有限元分析樁土作用時，應(yīng)充分考
2、慮土體的小應(yīng)變剛度；灌注樁 注漿后，樁土界面條件改善，樁側(cè)摩阻力提高明顯，相對位移減??；沉渣固化和 樁端持力層強度的提高，使得樁端阻力明顯增大并且發(fā)揮提前，可以在較小的樁 端位移下發(fā)揮較大的樁端阻力，減少了樁體沉降量，提高了承載力，改善了灌注 樁的承載性能。關(guān)鍵詞：灌注樁；后注漿；承載性能；有限元分析；小應(yīng)變硬化土模型中圖分類號：TU443文獻標志碼：A文章編號：1 003 3688 (2011) 01 0027 05Fi niteEleme ntAn alysis onV erticalBeari ngCapacityofBoredPilewithPile-toe， Pile-shaftan
3、dPost-groutingZHENGAi-rong1，XIAODa-ping2，ZHUGEAi-jun1 , CHENJu1(1.CCCCTianjinPortEngineeringlnstituteCo.， Ltd.，KeyLaboratoryofGeotech nicalE ngin eeri ngofMi nistryofCommunications，KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringofTianjin，Tianjin300222， China； 2.ChinaAcademyofBuildingResearch, Beijing100013，C
4、hina)Abstract：Basedonstaticloadtestresults，w ithconsiderationofthesmallstrainstiffnesscharacteristicofsoilsthebear ingcapacityofboredpileswithpiletoeandpileshaftpostgroutinghavebeena nalyzedusingHSsmallmodelofPlaxisprogram.Theanalysesrevealthatthesmall strainstiffnessofsoilisnotnegligib1e i n a n a
5、1 y z i n g Pi 1 e a n d s 0 i 1 i n te r a c ti 0nWi t h P 0 s t一g r 0 u t i n gth e i n te r f a c e b e tW e e n Pi 1 e a n d s u rr 0 u n d i n g s 0 i1 We re s tr e ngt h e n e d a n d t h e r e 1 a t i V e s 1 i di n g d is P 1 a ce m e n ti n b e t We e n Wa s re d u c e de n d re s is t anc
6、e 0 f P i 1 e Wa s e n h a n c e d a n d c 0 u 1 d b e m0 b i 1iz e d a t e a r 1 i e r s t a g e Wi th s m a 1 1 e rs 1 i d i ngd i s P 1 a c e m e n t A s a re s u 1 t 5 t h e P e r f 0r manc e 0 f b 0 r e d P i1 e Wa s i mP r 0 Ve d Wit h in cr e as e d b e a r in g c a P a c i t y a n dr e d u c
7、e d s e t t1 e men t Keyword：s：b 0 re:d P i 1 eb; P 0 s t -g r0ut i n gb e ari ngc a P a c i tyf i ni t e e1e me n t a n a1 ys isH S一s m a 1 1 m0 d e 10引言樁底沉渣和樁側(cè)泥皮是影響泥漿護壁鉆孔灌注樁樁端場試樁試驗的基礎(chǔ)上，分析 樁端樁側(cè)聯(lián)合后注漿灌注樁的豎向承載性能。1.1考慮小應(yīng)變剛度的數(shù)值分析模型土體本構(gòu)模型選擇 采用硬化土模型進行靜載試樁的有限元模擬，樁體沉 降量尤其加載初期沉降量往往大于實測值，為解決這個問 題，考慮小應(yīng)變時土體剛度較大
8、，對比小應(yīng)變硬化土模型（HSSmall）與一般硬化土模型（HS）計算結(jié)果，分析小應(yīng)變剛度對樁基承載性能模擬的影響。阻力與樁側(cè)摩擦力發(fā)揮的兩個固有缺陷12，后注漿技術(shù)因?qū)ζ渚哂辛己玫募庸绦Ч?，?yīng)用越來越廣泛，后注漿灌注樁 承載性能和加固機理的研究也越來越深入37。本文應(yīng)用二維有限元軟件PLAXISV8及其小應(yīng)變硬化土模型，在現(xiàn)收稿日期：2 0 1 00 81 1作者 簡介：鄭愛榮（1 9 8 1）,女，碩士，工程師，主要從事地基處理、土工試驗方面的研究。281.1.1HS模型與HSSmall模型中國港灣建設(shè)2011年第1期化土模型的荷載沉降曲線進行對比，如圖3。相比較一般硬化土模型，考慮土的 小
9、應(yīng)變剛度后，無論黏土還是砂土在加載初期沉降量計算結(jié)果都有明顯的降低， 最終沉降量也有一定程度的降低，說明此模型在解決靜載試樁數(shù)值模擬沉降量偏 大方面是有一定作用的。表1材料參數(shù)表材料本構(gòu)模型 丫（/kNm-3）E50,Eoed/MPaEur/MPac/（kNm-2）硬化土模型以塑性理論為基礎(chǔ)，考慮了土體的剪脹性，并引入一個蓋帽型屈服 面，是一個可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型土體行為的先進模型8。其屈服面在主應(yīng)力空間不是固定的，而是由于塑性應(yīng)變的產(chǎn)生而膨脹。硬化土模型 包括土的兩種主要硬化方式，剪切硬化和壓縮硬化，前者主要用于模擬主偏量加 載帶來的不可逆塑性應(yīng)變，后者用于模擬固結(jié)儀加載和各
10、向同性加載中主壓縮帶 來的不可逆塑性應(yīng)變。PLAXISV8.4版本增加了小應(yīng)變硬化土模型，該模型基于小應(yīng)變水平下土體剛度 顯著高于一般工程應(yīng)變水平下，結(jié)合小應(yīng)變剛度與一般硬化土模型一同的剛度（如圖1）9黏土HS18501503024HSSmall185015030240.0002200HS1850150135砂土HSSmall18501501350.0002200樁LinerElastic2532500考慮土體變形性能。其準彈性切線剪切模量根據(jù)實際的剪切應(yīng)力增量通過積分變 形曲線的割線剪切模量求得，當切線剪切模量小于循環(huán)加載剪切模量Gur時，設(shè)為常數(shù)，之后的剛度變形滿足硬化土模型的硬化塑性，如
11、圖2。該模型在硬化土模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，添加了應(yīng)力相關(guān)的小應(yīng)變（應(yīng)變小于10-6）剪切模量G0、剪切剛度為小應(yīng)變剪切剛度0.7倍時的剪切應(yīng)變丫0.7這兩個參數(shù)均可以通過試 驗求得。1剪切模量比G/G0refref（/） 丫0.7G0/MPa注：丫為重度；E50為三軸加載剛度；Eoed為固結(jié)儀加載剛度；Eur為三軸循環(huán)加 載剛度；c為黏聚力；為摩擦角，此后所有計算均取 丫0.7=0.0002Q/kN0510小應(yīng)變S/mm1520253035黏土HS模型砂HS模型40000G0黏土HSSmall模型砂HSSmall模型1000200030004000500010-610-510-4剪切應(yīng)變YS10-
12、310-210-1圖1試驗及工程應(yīng)用典型應(yīng)變范圍內(nèi)土的剛度應(yīng)變關(guān)系圖31.2計算模型樁的Q-S曲線2剪切模量G/(kN m-)30000根據(jù)球形擴張理論，樁端注漿加固體為以注漿壓力源20000為球心的球體10，壓力源為伸出樁端400mm的注漿閥。樁端注漿加固體直徑D為11:HSSmallHardi n-Dmevich110000GurD=6V+3d3(1)10-610-510-410-310-2式中：n為樁端土孔隙率；d為灌注樁直徑；V為注漿量。樁側(cè)注漿，在注漿位置形成漿泡，水泥固結(jié)體將泥皮層完全置換，并產(chǎn)生 擴徑 效應(yīng)”樁土界面外擴至樁側(cè)水泥固結(jié)體與土體之間12。樁周土體通過注漿的 滲透固結(jié)
13、效應(yīng)”充填擠密效應(yīng)”劈裂加筋效應(yīng)”強度也得以提、高13-14。設(shè) 界面強度折減系數(shù)為0.9,材料參數(shù)如表2、表3,軸對稱計算模型如圖4。丫0.7圖21.1.2小應(yīng)變硬化土模型剛度應(yīng)變關(guān)系模型對比分析設(shè)樁周土層均一，樁長10m，樁徑0.8m，材料參數(shù)如表1，對樁周土體分別采用小應(yīng)變硬化土模型和一般硬2 0 11年第1期鄭愛榮，等：樁端樁側(cè)后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析表2材料參數(shù)表Eur/MPa21.36310557.394.532.1133.562.112071.732.112621086.1141.950.1255 c/(kN -m-2)2311282858128128356060424
14、28760 /(15.1353521.43514.8352135211738382338163829-材料名稱粉質(zhì)黏土細砂粉細砂粉質(zhì)黏土1砂質(zhì)粉土3黏土細砂粉質(zhì)黏土11細中砂112黏質(zhì)粉土Y(/kN m-3)19.419.319.220.119.518.419.819.820.320.119.419.319.220.119.518.419.8E50，Eoed/MPa7.1213519.131.510.742.520.74023.910.7427028.747.316.785G0/MPa28.48414076.412642.817082.816095.642.8168280114.8189.26
15、6.8340粉質(zhì)黏土細砂加固土體粉細砂粉質(zhì)黏土1砂質(zhì)粉土3黏土細砂表3材料名稱樁樁側(cè)加固體樁端加固體材料參數(shù)表丫 (kN -m-3)252121E/MPa325001000022000v 0.150.20.22后注漿灌注樁試樁試驗首都國際機場三號航站樓總建筑面積約96萬m2,采材料模型LinerElasticLinerElasticLinerElastic-7.7-10用泥漿護壁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，共布樁18000余根，為提高樁基承載力，通過樁端、樁側(cè)聯(lián)合注漿改善成樁質(zhì)量，是國內(nèi)建設(shè)項目中后注漿技術(shù)應(yīng)用規(guī)模最大的 一次。樁端注漿量為1000kg，樁側(cè)依據(jù)樁長的不同采用不同的注漿方式，樁長在30m以
16、內(nèi)的設(shè)1道樁側(cè)注漿，注漿量為600kg，樁長超過30m的設(shè)2道樁側(cè)注 漿，每道注漿量為400kg。粉質(zhì)黏土樁側(cè)加固土體共進行了66根后注漿樁和6根非注漿樁的破壞性靜載試驗，部分樁型承載力特 征值平均值如表4,注漿后豎向承載力提高分別達144%,120%和97%。表4試樁承載力特征值樁受力型類型123抗壓抗壓抗壓持力層細砂細砂11細中砂-16細砂樁側(cè)水泥固結(jié)體-22-24粉細砂3黏土粉質(zhì)黏土1砂質(zhì)粉土粉質(zhì)黏土樁端水泥固結(jié)體-25.5-27.5-30.5樁徑/mm80010001000未注漿承有效樁載力特征長/m值/kN252527.5205027503500注漿后承載力特征值/kN5000605
17、06900-36-40-44-47細砂粉質(zhì)黏土33.1計算結(jié)果與分析計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比為進一步對比HSSmall與HardingSoil模型，對樁端112黏質(zhì)粉土11細中砂樁側(cè)聯(lián)合后注漿灌注樁（SD-TP2、5）分別采用兩種模型進行了有限元計算，灌 注樁的荷載沉降曲線和軸力分布結(jié)果如圖5、圖6。采用HSSmall本構(gòu)模型的數(shù)值分析結(jié)果與圖4有限元計算模型30中國港灣建設(shè)2011年第1期實測值吻合較好，證明了此方法分析后注漿灌注樁承載性能的有效性，而相同荷 載下采用HS本構(gòu)模型的沉降量則明顯偏大，進一步驗證了考慮土體的小應(yīng)變剛 度的必要性。Q/kN0102030S/mm4050607080試
18、樁SD-TP2（后注漿）試樁SD-TP5（后注漿）試樁SD-TP2、5HSSmall模型計 算值試樁SD-TP2、5HS模型計算值未注漿）試樁NE-TP4（試樁NE-TP5（未注漿）-540008000120001600005軸力/kN25005000750010000-10埋深/m-15-201500020000-25-30圖5樁的Q-S曲線軸力/kN50500010000-5圖7-10埋深/m未注漿灌注樁軸力分布3.3-15樁端阻力發(fā)揮特性后注漿對樁端阻力發(fā)揮亦有較大影響，如圖8、圖9。當未注漿樁NE-TP4、5樁頂荷載超過8000kN后，樁端阻力曲線的斜率突然變 大，樁頂荷載的增量全部由
19、樁端阻力承擔。后注漿樁SD-TP2、5的樁端阻力與樁頂荷載的曲線斜率變化不明顯，這是由于樁側(cè)摩阻力未到達極限值，端阻力與側(cè) 阻力仍在同時增長的緣故。另外，相同樁端位移下，后注漿樁的樁端阻力明顯大 于未注漿樁，注漿樁只需較小的樁端位移就能發(fā)揮較大的端阻力，樁端阻力發(fā)揮試樁SD-TP5軸力實測值試樁SD-TP5軸力計算值-20-25-30提前，與樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的時間差異性減小。50004000樁端阻力/kN 300020001000試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、5圖6后注漿灌注樁軸力分布3.2軸力傳遞特性不同加載階段樁身截面軸力沿樁體埋深分布如圖6、圖7。樁身截面軸力隨荷載的增加而增加，在
20、同一級荷載作用下隨深度增加逐漸減小，在不同的土層和不同 的加載階段遞減速率不同。其表現(xiàn)為軸力曲線的斜率存在差異，軸力曲線的斜率 反映了樁側(cè)阻力的大小，斜率越小，層面間軸力差越大，即樁側(cè)摩阻力越大15。對比注漿前后樁的軸力圖，當兩根試樁樁頂荷載接近最大加載值時，后注 漿灌注樁的軸力曲線斜率較未注漿樁小，表明注漿后，樁側(cè)土體的摩阻力比未注 漿時高。0300060009000荷載/kN120001500018000圖8樁端阻力與荷載關(guān)系2 0 11年第1期鄭愛榮，等：樁端樁側(cè)后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析樁端阻力/kN2000300031是由于后注漿大大的提高了樁周界面條件及樁側(cè)土體的極4000
21、500001000限摩阻力，從而提高了樁側(cè)摩阻力。4結(jié)論1） 考慮土體的小應(yīng)變剛度，采用PLAXISHSSmall本構(gòu)模型，可以減小靜載試樁 數(shù)值模擬加載初期沉降量，計算結(jié)果更接近于實測結(jié)果。2） 試樁試驗結(jié)果表明：樁端樁側(cè)聯(lián)合注漿灌注樁相比較未注漿灌注樁在豎向荷 載作用下沉降量明顯減小，承載力有較大程度的提高。3） 注漿后，樁周土體強度的提高及樁土界面條件的改善使得樁側(cè)摩阻力明顯增大，在較大的樁頂荷載下仍與樁端位移/mm1020試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、53040圖9樁端阻力與樁端位移關(guān)系3.4樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性樁側(cè)摩阻力與荷載、樁頂位移之間的關(guān)系如圖10、圖11。較小荷載作用下
22、，注漿前后樁側(cè)摩阻力差距較小，與荷載呈線性關(guān)系。加載至8000kN時，未注漿樁NE-TP4、5樁側(cè)摩阻力隨荷載增長變化減弱，沉降量突增，最終達到極限側(cè)摩阻 力，與圖5分析結(jié)果相吻合。后注漿樁SD-TP2、5加載過程中樁側(cè)摩阻力與樁頂 荷載基本保持線性關(guān)系，與樁頂位移關(guān)系曲線變化也較為平緩，未達峰值，這1200010000樁側(cè)摩阻力/kN8000600040002000試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、5荷載保持線性關(guān)系，并且減小了樁土的相對位移。4） 沉渣的加固及樁端持力層強度的提高，大大降低了樁端位移，只需較小的樁 端位移就能發(fā)揮較大的端阻力，發(fā)揮提前，與樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的時間差異性減 小
23、，兩者可以更協(xié)調(diào)地承擔樁頂荷載，從而提高樁的豎向承載性能。參考文獻：1霍鳳民.淺析泥皮對鉆孔灌注樁承載力的影響J.地基基礎(chǔ)工程，2002，12（4）：35-39.2袁振，陳錦劍，王建華.樁端條件對灌注樁荷載傳遞特性的影響J.巖土力學，2006，27（8）：1398-1402.3BruceDA.EnhancingthePerformanceofLargeDiameterPilesby1986 19（4）:9- 15.GroutingJ.Gro undEn gi ngeeri ng,吳世明，包風.鉆孔灌注樁樁底后注漿機理與應(yīng)用研究4張忠苗，J.巖土工程學報，1999, 21（6）：681-686.
24、包風，陳云敏.考慮材料應(yīng)變軟化的球（柱）孔擴張理論5張忠苗，在樁底注漿中的研究J.巖土工程學報，2000,22（2）：243-246祝經(jīng)成.泥漿護 壁鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)及其應(yīng)用J.6劉金礪，建筑科學，1996（2）:13-18.7黃生根，龔維明.超長大直徑樁壓漿后的承載性能研究J.巖土030006000900012000150001800（工程學報，2006，28（1）：114-117.8Scha nzT.ZurModellieru ngdesMecha nische nV erhalte nsvon Reib un gsmaterialen D.Habi litation:Stuttgar
25、tUniversitaat,1998.9Alpa nl.TheGeotec ni calPropertiesofSoilsJ.Earth-Scie nceReviews，1970（6）：5-49.荷載/kN圖10樁側(cè)摩阻力與荷載關(guān)系曲線樁側(cè)摩阻力/kN010樁頂位移/mm2030405003000600090001200010黃敏，張克緒，張爾齊嵌入砂或砂礫層中的樁底灌漿樁豎向2002，35（3）：77-81.承載性能研究J.土木工程學報，11朱向榮，張寒，孔清華鉆孔灌注樁樁端后注漿單樁極限承載力研究J.建筑科學，2006，22（6）：18-21.12高文生.后注漿灌注樁單群樁承載性狀的研究D.北京：中國建筑科學研究院，1997.13鄭愛榮.鉆孔灌注樁后注漿技術(shù)J中國港灣建設(shè)，2008（6）：46-49.14張友葩，吳順川，方祖烈.土體注漿后的性能分析J.北京科技2004，26（3）：240-243.大學學報，15劉金礪.樁基礎(chǔ)設(shè)計與計算M.北京：中國建筑工業(yè)出版社，試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、5圖11樁側(cè)摩阻力與樁頂位移關(guān)系曲線1994.
1101樁端樁側(cè)后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析.
