关于开口桩安装方法中桩内土塞的数值模拟研究..docVIP

关于开口桩成桩过程中桩内土塞的数值模拟研究 摘要：开口桩成桩过程中桩内土塞数值模拟研究的发展。这篇文章是研究直径D=61cm的开口管桩沉入颗粒土的过程。目的在于更好的了解开口桩成桩过程中桩内土塞的形成机制。例如：成桩后管桩内分布的水平应力的增长取决于成桩过程。将数值分析结果与实验数据进行比较。 关键字：有限元分析方法，塑性，大变形分析，开口桩，沉桩，顶桩，桩贯入深度分析，土塞，震动打桩。 简介 开口桩应用很广泛，特别是用于海上和近海结构中。在成桩过程中，桩内会 生成土塞。由于较高的轴向力产生土塞是合理的，但土塞会增加打桩阻力。土塞的形成取决于一些因素，如：桩径、桩长、贯入深度、土壤密度和成桩过程。这篇文章是研究成桩过程对直径D=61cm的开口管桩内土塞性能的影响。主要考虑一下几个成桩方法：顶桩、震动打桩和锤击打装。商业软件Abaqus用于分析模拟桩的入土过程。算法被选作为一个明确的解决方法是由于它适合于大变形问题和特殊接触问题。 2、土塞形成机制和半经验公式 图1显示的是一个外径为d的开口桩的安装。在某一时刻，土柱的高度为h，土塞的高度为h’。 Randolph et al. [18]中阐述了土塞有效高度的概念。基本上这个研究是基于筒仓理论。假定在成桩过程中桩内表面的土会沿着桩壁上移。测量数据表明土塞的高度h’占据了桩入土深度的10～20%，如图1所示。这即是你说明不是所有的土柱都往上移。 上部土柱产生附加应力σv 。基于这个理论，通过静态均衡分析可以预知是否发生土塞。如果土塞周边土的抗剪强度大于滑动摩擦力，那么桩内产生土塞。 图2描述的是力施加在高度为dz的土塞微元体。 通过图2中微元体的平衡给出微分方程(1). dσv是垂直应力,γ’是土的单位重度，τi是土和桩之间的剪应力。 内部表面摩擦力τi可以由式 求的，系数β取决于土压力系数K和接触面摩擦系数tanδ。Randolph et al. [18]中的模型量表测试表明系数β可达到0.2～0.25，大约相当于桩径的10%。 根据Kishida and Isemoto [9]，土塞在静载作用下会形成拱，这将产生高内摩擦力。轴向力的增加会同时提高内摩擦力的值。很明显，土塞的端阻力会随着h/d的增加而增加。 用于估计轴向的圆锥贯入阻力的半经验公式可以在文献里找到，这个轴向力由侧阻力和端阻力组成。开口桩的端阻力取决于土塞是否形成。如果桩完全堵塞，与一个闭口桩相比，要对管桩底部外横截面上的阻力进行折减。折减是考虑到土塞的承载力小于闭口桩，可查文献Jardine et al. [8] 或 NGI [3]。如果成桩后没有土塞产生，那么装端阻力就与桩端的钢环面积有关。 判断开口桩内是否产生土塞是很重要的。土塞的形成主要取决于土壤密度和桩径，如图3所示。根据Jardine et al. [8]，只要满足以下任意一式土塞就会产生： 在上述的关系式中，di,limit表示的是产生土塞的最小桩径，di是桩的内径，Dr是特定土壤的密实度（%），dCPT是圆锥贯入阻力，pa是等效应力，qca等效的圆锥贯入阻力Bustamante and Gianeselli [2]。关系式(2)、(3)和German Standard (DIN)的方程都在图3中表示出来了。注意(2)和(3)都是通过开口桩的顶桩现场试验得来的。因此，这些关系式仅适用于顶桩的成桩方法。对锤击方法成桩的开口桩的一些仪器试验表明土塞不能形成。这是由于在锤击过程中土和桩之间的相对运动[19]。 对震动沉管桩，桩的反复震动会使周围土体压密。这回事桩内外的水平应力显著减少。桩内水平应力的减少会阻止桩内土塞的形成。 图4描述了静压和震动打桩的机理。静压桩内土塞的形成总会伴随土的压密和成拱，但同时土塞上土层却没有变化。从图4可以看出土塞仅在桩底很小范围 内形成。对于震动成管桩，所有的土都被压密（如图4）。这会是水平应力显著地减少并阻止土塞的形成。 这篇文章接下来的数值分析就是来验证这些假设。 3、数值模拟分析开口桩的成桩过程 现如今有限元法已被用于模拟成桩过程。第一次提出用轴对称有限元模型分析将桩打入硬粘土的过程的是Mabsout 和Tassoulas [13]，他们模拟的是钻孔为18m的桩，而且仅模拟了最后的捶打过程。土体用弹塑性基本模型来模拟。通过Mabsout 和Tassoulas [13]，一项特殊的技术被用于模拟土这种连续介质被穿入的过程。他们用一个直径为桩径的1%的洞模拟了轴心的刺穿。在模拟的穿透过程中洞会扩大从而建立了土和桩的接触关系。 上面提到的模拟技术已经延伸到用于模拟圆锥贯入试验[4]。土体是用Ba