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1、1 绪论随着设计技术的发展与施工水平的提高, 大直径基桩因其适用性广、施工速度快、质量可靠、承载能力强等优点成为高层建筑、地下工程、公路与铁路桥梁、港口码头工程等领域中越来越重要的一种基础形式。在所有桩基础类型中，灌注桩应用最为普遍，其中特别以钻孔灌注桩为主。钻孔灌注桩能穿越各种复杂地层并形成较大的单桩承载力，并且适应各种地质条件和不同规模的工程，重要的是钻孔灌注桩的噪音和震动都很小，并且没有挤土，对周围的环境影响小，因此并且适应各种地质条件和不同规模的工程。这种施工方法，可以使施工不仅限于水下工作，而且可以水上工作，这样可以简化施工的一些程序，也可以有效缩短工期，从而减少工程造价，并且所需的
2、设备简单易操作。随着经济的发展和技术的进步，钻孔灌注桩的桩长和桩径都不断加大，对于单桩承载力的要求也变的很高，同时，也使单柱单桩的设计成为现实。由于钻孔灌注桩的施工大部分无法直接从外部观察，成桩后也不能进行开挖验收，尤其对于长桩、大桩，施工难度大，易发生质量安全事故。但单柱单桩的设计，对桩的质量要求高，发生质量事故后，加固处理难度大，而且费用较高。所以为了是桩基础大量的发展，必须研究大直径钻孔灌注桩基础承载力影响因素，以确保桩的承载力。在桩的影响因素当中，我们比较难解决的是桩底沉渣和桩周泥皮对桩基础承载力的影响。本文利用Ansys 有限元软件，建立合理的桩土共同工作的有限元模型，考虑大直径钻孔
3、灌注桩施工过程中的桩底沉渣、桩周泥皮等多种情况,模拟计算大直径钻孔灌注桩单桩竖向沉降变形，并与静载试验进行比较，分析得出大直径灌注桩在竖向荷载作用下的工作性状,适当改变沉渣厚度、泥皮厚度，根据求解结果判断沉渣、泥皮对单桩沉降的影响,固定沉渣厚度或泥皮厚度，适当改变桩长，根据求解结果判断，沉渣或泥皮厚度对不同桩长桩的沉降影响。2 大直径钻孔灌注桩的发展概述2.1大直径钻孔灌注桩的含义大直径灌注桩系是指在工程现场，通过机械钻孔、钢管挤土、人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在孔内放置钢筋笼、灌注混凝土做成的桩。依照成孔方法不同，灌注桩可分沉管灌注桩、钻孔灌注桩、挖孔灌注桩等几类。钻孔灌注桩是按成桩
4、方法分类而定义的一种桩的类型。大直径灌注桩属非挤土或少量挤土桩，施工时基本无噪音、无震动、无地面隆起与侧移，也无浓烟排放，因而对邻近人们的生产和生活活动影响小，对周围建筑物、路面或者地下设施等危害小；大直径灌注桩直径大，入土深，现在机具和人工挖掘都能进入各类地基，且能把桩嵌入于各类基岩，这均是打、振、压入式桩所不及的；大直径灌注桩可采取扩大底部的形式，更好地发挥桩端土的作用；大直径灌注桩出能承受较大的竖向荷载外，由于桩身刚度比较大，能承受较大的横向荷载，增强建筑物抗震能力。2.2 大直径钻孔灌注桩的施工方法 (一) 全套管工艺全套管工艺以贝诺托工艺为代表, 它是将套管振动压入基岩, 在套管内开
5、挖的工艺, 亦称为“霍氏就地灌注桩”。施工程序为：压人套管， 振动压下套管并开挖, 接长套管, 放入钢筋笼, 插人混凝土的套管,浇注混凝土、抽拔管， 抽拔套管， 完工。特点：孔桩工艺因有套管保护, 故能保证桩的断面面积, 但套管压入至地下水位以下时, 会产生孔内水位下降。(二) 旋转钻孔工艺旋转钻孔工艺是用泥浆保护壁并用旋转式钻机进行开挖的一种钻孔施工工艺, 与反循环钻孔法不同的是, 旋转钻孔所用的泥浆比重大些, 水头差不受2m以上的限制。施工程序为： 开始开挖, 插人导管, 开挖完工， 扩孔, 插人钢筋笼, 安置浇灌混凝土的导管, 浇灌混凝土, 混凝土浇灌完毕,完工。特点：这种工艺施工时,
6、孔壁四周的泥水膜增厚的同时, 由于泥水比重的增大, 而使泥水的沉淀变慢。(三) 反循环钻孔工艺反循环钻孔工艺是利用孔内水位高于地下水位, 用孔内泥浆保护孔壁并进行开挖。施工程序为：专用油泵并以冲击式抓斗开挖, 与此同时将套管插至适当深度，转台、钻头、凯氏钻杆等开挖机械设备及泥浆循环设备, 接长钻杆并开挖至支承层,在支承层中开挖的一定深度内, 将钻杆适量提起,边旋转边进行泥水处理, 降低泥水比重,放钢筋笼，人浇注混凝土用的套管, 在顶部攘长凯氏钻杆,用空吸泵对孔底进行第二次处理,拆除凯氏钻杆, 浇筑混凝土，混凝土浇筑到一定标高后, 拔去凯氏钻杆式竖杆。特点：由于松动孔壁和桩周地基, 因而能较好发
7、挥桩周的支承力。可是, 由于泥浆在孔底的沉淀迟缓, 故应认真对待孔底沉渣的处理。(四) 人工钻孔深基础工艺 深基础工艺有如打井的施工法, 它是以衬板、薄钢板和环形模板等作为孔壁挡土材料, 采用人工开挖的一种钻孔工艺这种工艺原则上不适合在地下水位以下采用。只能在水泵可排干水时方可适用。在某些情况下, 由于其桩径大, 端尖承担的垂直支承力也大, 为此, 开挖完毕后, 为了保护风化的和蹂踏破碎孔底, 应用混凝土迅速封底。2.3 钻孔灌注桩的特点大直径灌注桩属非挤土或者少量挤土桩，施工时基本没有噪音、无震动、无地面隆起或者侧移，也没浓烟排放，因而对人们的生产和生活活动影响小，对周围建筑物、路面或者地下
8、设施等危害小；大直径灌注桩直径大，进入土较深，现在机具和人工挖掘都能进入各类地基，且能把桩嵌入于各类基岩，这均为打、振、压入式桩所不及；大直径灌注桩可以采取扩大底部的形式，更好地发挥桩端土的作用；大直径灌注桩出能承受较大的竖向荷载外，由于桩身刚度较大，还能承受较大的横向荷载，增强建筑物抗震能力。钻孔灌注桩同其它桩型相比较有如下技术特点：（1）钻孔灌注桩属非挤土桩，施工过程中产生的噪声低、振动较轻，没有地面隆起或者侧移，也没有浓烟排放，因而对环境的影响小，对周围建筑物和地下管线危害很小，是城区建筑的比较常用类型。（2）可根据土层分布情况选取桩长，容易适应持力层面高低不平变化。（3）可根据建筑物的
9、荷载分布与土层情况采用不同的桩径，对于承受横向荷载的桩可设计成有利于提高承载力的异形桩，还可设计成为变截面桩，即在受弯矩较大的上部采用比较大的截面。（4）可穿过各种各样软、硬夹层，将桩端置于坚实土层或者嵌入基岩，还可扩大桩底以充分发挥桩身强度与持力层承载力。（5）单桩承载力高，视地质条件、桩身尺寸、混凝土强度等级不同，一般可达数千甚至数万千牛，因此可设计成一柱一桩，无需桩顶承台，简化基础结构。（6）桩身刚度大，既能承受较大的竖向荷载外，也能承受较大的横向荷载，增强建筑物的抗震能力，并能有效地充当坡地抗滑桩、堤岸支护桩以及地铁和建筑物基坑开挖的支护桩，还可在基坑开挖后继续作为地下室的承重墙等永久
10、性结构使用。（7）因钻孔灌注桩通常布桩间距大，群桩效应较小，设计中不必为此进行繁琐的计算，对桩的沉降估算也比较简便。（8）桩身配筋可根据荷载大小与性质及荷载沿深度的传递特征以及土层的变化配置，省去预制桩制作、起吊、运输、打入等工序，其配筋率远低于预制桩，造价低。（9）施工设备比较简单、轻便。（10）施工工艺多种多样而且日新月异。因各国工程技术人员为了控制成桩质量、提高工作效率、保证施工安全，针对不同的地质条件与环境条件，研制了各种施工机具，形成了各具特色的施工工艺。（11）工程技术人员可用桩孔排出的土，对桩所穿越土层性质进行鉴别验证。（12）钻孔灌注桩施工的现场作业太多，影响施工质量的人为因素
11、较多，质量不算很稳定。有时会发生缩颈、断桩、桩身局部夹泥、桩身混凝土离析、桩顶混凝土强度不足等质量事故。桩侧阻力和桩端阻力的发挥常随施工工艺变化而变化，且在较大程度上受施工操作影响。（13）由于钻孔灌注桩承载力高，进行常规静载荷试验难以测定极限荷载，因此对在各种施工工艺条件下形成的桩，其受力、变形和破坏机理至今还未完全研究清楚6。2.4 钻孔灌注桩在发展历史20世纪40年代，随着大功率钻孔机具的产生，钻孔灌注桩技术首先在美国问世。随着二战后世界经济的复苏与发展，高层、超高层建筑的不断兴建，它们绝大多数都选择了钻孔灌注桩。尤其是70年代以后，钻孔灌注桩技术在世界范围内出现了蓬勃发展的局面。196
12、3年中国钻孔灌注桩在河南省诞生。这年冬在河南安阳冯宿桥的两座桥台中首先采用了钻孔灌注桩基础，当时钻孔使用的是水利部门打井用的大锅锥，孔径一般6070cm，用人力推磨方式钻孔，方法虽然比较原始，但钻孔质量仍可得到保证，使用效果很好。接着在河南省竹竿河和白河两座大桥扩大应用，国内一些其他省市也相继推广。1965年4月交通部在河南召开钻孔桩的技术鉴定会，认为它是一项重大技术革新，决定在全国推广。这种简易机具的钻孔桩，解决了桥梁水下深基础的施工问题，而且把水下作业改为水上进行，与原来的沉井基础等形式对比，其技术经济优越性十分突出，所以很快被全国公路科技人员所认识和接受，成为公路桥梁下部基础的首选形式，
13、城建、铁路、水利等系统的桥梁工程也相继采用。1965年交通部在河南举行鉴定会之后，随后以交通部公路科学研究所为首，河南、吉林、湖南、陕西、四川等省参加，组成专题研究组研究，并动员全国公路桥梁系统大协作，对钻孔桩施工工艺，设计方法进行全面系统的研究。专题研究组收集全国105根桩径最大达140cm，桩长最大达47m的试桩资料进行分析整理，除施工工艺外，最重要的是提出了钻孔灌注桩的设计方法。这项研究工作相当艰巨而又十分细致，具有很高的学术水平，所得成果被纳入1975年我国交通部颁布的公路桥涵设计技术规范（试行）和1985年新颁公路桥涵地基与基础础设计规范（JTJ024-85）中。此后，钻孔灌注桩就有
14、了符合我国具体条件和成桩方法的规范化设计方法，对指导生产和促进灌注桩的发展都起到积极的作用2。2.5 钻孔灌注桩的发展趋势目前，钻孔灌注桩施工技术正在迅猛发展，下述的一些动向值得我们关注：（1）桩的尺寸向长、大方向发展基于高层、超高层建筑物承载力的需要，桩径越来越大，桩长越来越长。例如，郑州某工程反循环钻孔灌注桩直径为10001100mm，桩长77.6m；南京长江二桥主塔墩基础反循环钻孔灌注桩直径3000mm，深度150m。（2）向攻克桩成孔难点方向发展以日本为例，成立了由64家基础工程公司组成的岩层削孔技术协会，研究开发出20余种大直径岩层削孔工法，其中长螺旋钻进成孔3种、回转钻进成孔法5种
15、、冲击钻进成孔法7种以及全套管回转掘削法9种。国内也有不少单位成功的研究开发出岩层钻进成孔法及大三石层钻进成孔法。（3）向低公害工法桩方向发展泥浆护壁法钻、冲孔灌注桩在地下水位高的软土地区虽然被广泛的应用，但由于泥浆的使用导致施工现场不文明，泥浆排除（成为二次公害）的困难，成为施工者头痛的事。因此钻斗钻成孔灌注桩，因其干取土作业加之所使用的稳定液由专用的仓罐贮存，现场比较文明，在日本建筑业界此类桩已成为泥浆护壁灌注桩的主力桩型，国内此类桩型的采用亦日趋增多。（4）向扩孔桩方向发展北京地区普通直径钻孔扩底灌注桩的静载实验结果表明，与相同桩身直径的直孔桩相比，前者的极限荷载为后者的1.77.0倍，
16、前者的单位桩体积的极限荷载为后者的1.43.0倍。大直径钻孔扩底桩具有承载力高，成孔后出土量少、成台面积小等显著优点，在国内外得到广泛应用。我国的钻孔扩底桩的种类有20种以上，日本的大直径钻扩桩工法近30种。扩孔的成型工艺除钻扩之外，还有爆扩、夯扩、振扩、锤扩、压扩、冲扩、注扩、挤扩和挖扩等种类。（5）向异型桩方向发展为了提高单桩承载力（桩侧阻力和桩端阻力）国内外大量发展异型桩。广义的说，异型桩包括横向截面异化桩和纵向截面异化桩。挤扩多分支承力盘桩是由桩身、分支、分承力盘和桩根等部分组成的纵横断面均异化的异型桩，其单位桩体积的极限荷载为相应的直孔桩的2倍以上。（6）向组和式工艺桩方向发展由于承
17、载力的要求、环境保护的要求及工程地质与水文地质条件的限制等，采用单一工艺的桩型往往满足不了工程要求，实践中经常出现组和式工艺桩。例如，钻孔扩底灌注桩有成直孔和扩孔两个工艺；桩端压力注浆桩有成孔成桩与成孔后向桩端地层注浆两个工艺；预钻孔打入式预制桩有钻孔、注浆、插桩及轻打（或压入）等工艺。（7）向多种桩身材料方向发展桩身材料种类亦出现多样化趋势，如普通混凝土、超流态混凝土、无砂混凝土及微膨胀混凝土等。 3 桥梁大直径灌注桩基础承载力的影响因素影响钻孔灌注桩承载力的主要因素有:桩侧、桩端土层性质,该因素可在工程勘察中查明。其次是桩身混凝土质量。这可在成桩后通过超声波及各种动力测桩方法加以评价。另对
18、承载力影响较大,也是较不易检测而易被忽视的因素有:施工工艺、技术水平、孔壁形状、桩身混凝土刚度、桩底沉渣,桩侧泥皮等。3.1施工工艺、技术常用的大口径灌注桩主要的成孔工艺及技术有:正循环成孔、反循环成孔、冲击钻成孔，桩端、桩侧后压浆技术等。正循环施工工艺一般采用自流式循环泥浆,此技术操作简单,工艺技术成熟，但成孔效率较低。采用的泥浆比重较大(一般采1.051.25),用正循环泥浆排渣,泥浆上返速度慢。受泥浆悬浮能力的影响,较大粒径颗粒不易被清除,孔越深,清渣效果就越差。因此此工艺成孔的灌注桩一般成孔时间都相对较长,易存在较厚的桩侧泥皮和桩底沉渣。反循环成孔工艺操作较复杂,成孔效率比较高,施工中
19、应采用较小的泥浆比重(1.021.10),根据成孔深度可采用泵吸反循环或者气举反循环工艺清渣,泥浆上返速度快,排渣效果好。故采用此工艺成孔时间比较短,泥皮比较薄,清渣较干净。冲击成孔灌注桩操作方便,对砾卵石及破碎基岩等成孔效率相对较高。施工时采用较大的泥浆比重(一般为1.21.5),泥皮较厚,不利于侧阻发挥。冲击锤成孔时导向性较差,桩孔不规则,孔壁形状很粗糙,这对桩侧阻发挥有利。传统工艺采用掏渣筒或压风机清孔,效果较差,改进的冲击反循环成孔工艺采用反循环工艺清渣,效果较好。对持力层为砂层或卵砾石层的桩,成孔时冲击锤对持力层有一定夯实作用,有利端阻的发挥。3.2 孔壁形状对于孔壁形状光滑、平直的
20、桩孔,混凝土与桩侧土咬合作用较差,接触面受泥皮厚度影响大,泥皮涂抹作用明显,桩土间易发生剪切滑移,不利桩侧土侧阻的充分发挥。反之,孔壁形状粗糙,凹凸不平,混凝土与桩侧土咬合作用会较好,接触面受泥皮厚度的影响减小,抗剪强度也较高,桩侧土的侧阻较易正常发挥。影响孔壁形状的因素有桩侧土层性质,施工工艺,钻头的类型,钻机的稳定性，泥浆的性能，钻进速率等。3.3 成孔时间 灌注桩为排土桩,成孔中,孔壁土体应力释放,孔壁松驰,并向临空面位移变形,同时,孔壁土体(尤其粘性土)受泥浆浸泡将发生软化,成孔时间越长,应力松驰、土体软化越严重,也易造成砂层、砾卵石层、残积土等土层塌孔。为平衡孔中土侧压力,成孔中将相
21、应增加泥浆比重,反过来进一步增加泥皮厚度。故爆孔时间越长,侧阻损失越多,要充分发挥桩侧正常土层的摩阻力所需的桩土相对位移增大。成孔时间越长,往往造成持力层软化,孔壁塌孔严重,孔底沉渣或虚土较厚,增加清底的难度,也易造成端阻损失,对桩的承载性能不利。为保证桩承载力的正常发挥,应限制灌注桩成桩(包括成孔、下笼、灌注)的总时间,并应尽量缩短成桩时间。尤其对施工难度较大的嵌岩灌注桩,不可一味强调增加嵌岩深度而造成成桩时间过长,导致单桩承载力严重损失。3.4 桩底沉渣在实际施工过程中, 由于施工队伍的素质、技术水平和施工工艺的限制, 对于成孔后就地灌注混凝土的灌注桩来说, 由于清孔不彻底或孔底沉渣不易清
22、理干净, 桩底极易形成沉渣。在以下章节中，本文将采用有限元数值模拟的方法计算大直径钻孔灌注桩的极限承载力, 通过改变桩底沉渣厚度对单桩极限承载力的影响进行计算，具体分析桩底沉渣对桩极限承载力的影响。3.5 桩周泥皮在成桩过程中, 由于地层条件、施工工艺、地下水等因素的影响, 在桩外表面与孔壁之间形成的一层膏状的粘性土泥巴, 俗称桩周泥皮。泥皮中粘粒含量非常高, 在饱和状态下, 塑性极好, 抗剪切能力差, 在外力作用下极易塑性流动或滑动, 即使在地下水位较深时, 水位线以上部分的桩周泥皮要固结成原状土状态达到其力学性能也需要很长时间, 所以这层泥皮对钻孔灌注桩的桩周摩阻力来说是有害的, 它使桩与
23、地基土之间的摩擦变成了桩与泥皮之间的摩擦。由于泥皮的力学性能差, 并且有一定的润滑性, 当该层泥皮达到一定厚度时, 就使桩周摩阻力大幅度降低. 混凝土灌注桩桩周泥皮在一定时间内会随着成孔时间的延长而增厚,而桩极限承载力将随着泥皮的增厚而降低,因此桩周泥皮对桩承载力的影响不容忽视。在以下章节中，本文将采用有限元数值模拟的方法计算大直径钻孔灌注桩的极限承载力, 通过改变桩周泥皮厚度对单桩极限承载力的影响进行计算，具体分析装周泥皮对桩极限承载力的影响。 4 大直径钻孔灌注桩竖向承载力计算4.1 Ansys 计算软件简介 4.1.1 ANSYS 简介Ansys 软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦
24、合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。Ansys 用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、生物、医学和教学科研等众多领域7。Ansys 软件具有强大的建模能力，可采用自底向上、自顶向下或二者结合的建模方法，通过各种布尔运算和操作建立所需几何实体。可智能化分网格，也可根据用户的要求实现多种网格划分。Ansys 提供多种求解器，有强大的非线性分析能力，并可获得任何节点和单元的数据，具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式，可进行多种荷载工况的组合和各种数学运算，以及时间历程分析能等力。4.1.2 Ansys 有限元分析典型步骤1、建立有限元模型：Ansys 将模
25、型分为实体模型和有限元模型两大类。实体模型由关键点、线、面和体组成，用来直接描述所求问题的几何特性。有限元模型是实际结构和物质的数学表示方法。在Ansys 中，可以用单元来对实体模型进行划分，以产生有限元模型，这个过程称为实体模型网格化。也可以直接利用单元和节点生成有限元模型。在网格划分或直接生成有限元模型之前需定义单元类型和材料属性。2、加载和求解：在这一步中，首先需要指定此次分析的类型。Ansys 一共可以求解7 种不同类型的分析，包括静态分析、瞬态分析、谐振态分析、模态分析、频谱分析、屈曲分析以及子结构分析。Ansys 对荷载的定义包括约束、支撑、边界条件、激励等。并根据真实物理环境将荷
26、载分为6 大类，包括自由度约束、集中力荷载、面荷载、体荷载、惯性荷载、耦合场荷载。从有限元理论可知，无论把荷载施加到实体模型上还是直接施加于有限元模型上，最终进行计算的荷载必须是施加于有限元模型上的荷载。下一步工作就是用Ansys 对有限元模型进行求解。求解就是通过有限元方法建立联立方程并计算方程的结果。Ansys 提供了多种求解方程的算法，常见的有：波前求解器、稀疏矩阵求解器、雅克比共轭梯度求解器等。选择好求解器后就可以求解了。3、结果后处理：Ansys 后处理器包括两个模块，通用后处理器POST1 和时间历程后处理器POST26。通用后处理器用于分析处理整个模型在某个荷载步的某个子步或者某
27、个结果序列或者特定时间、频率下的结果。时间历程后处理器用于分析处理指定时间范围内模型指定节点上的某个结果随时间或频率变化的情况。4.1.3 本论文用到的Ansys 命令介绍Ansys 软件提供了两种工作模式，即GUI 方式和命令流输入方式。本文在建模、求解、后处理过程中都用命令流输入方式，且由于Ansys 命令太多，所以在这里仅介绍本文用到的Ansys 命令:finish结束Ansys 分析/clear清空当前数据库/prep7进入前处理器 et定义单元类型，如:et,1,plane42。定义plane42 单元，编号为1mp 定义线性材料及参数tb 定义非线性材料 k 建关键点。如：k,1,
28、0,1。建立编号为1 坐标为(0,1)的关键点 l 建直线。如：l,1,2。由1、2 关键点建立一直线，编号默认 Al 由多条直线建立一个面，如：al,1,2,3,4。由1、2、3、4 直线建立一个面，编号默认 asel 选择面。如：asel,s,1,5,2。选择编号为1、3、5 的面 aatt 给所选面赋属性。如：aatt，1，2，3。给选定的面赋1 号材料，2号实常数，3 号单元类型 Lsel lsel 选择线 Lesize 定义线上单元大小。lesize,2,0.2。2 号线的单元大0.2amesh 对面划分网格nsll 选择已选择线上面的节点d 添加节点约束/solu 进入求解器。an
29、type定义求解类型。neqit 在非线性分析中指定迭代次数。cnvtol 设置收敛值。nsubst 设置荷载子步数。acel 定义惯性荷载。isfile 对初应力文件进行操作。iswrite 写入初应力文件。lswrite 将荷载步写入文件。sfe 对单元施加面荷载。lssolve 读取荷载步并求解。/post进入通用后处理器。Set.读取荷载子步结果。prnsol 列出节点结果。4.2 材料参数的选取 以益阳资江二桥1号桩为例, 桩径为0. 8 m, 桩长为12m, 混凝土强度等级是R20。材料参数根据试验桩实测资料选取, 如下表一、二 所示： 项 目试件组数平均值（MPA）置信度区间估计
30、(MPa)砼立方体抗压度（20*20*20cm）3333.10.95(32.1, 34.1)砼棱柱弹性模量（450*15*15cm）212.631040.95(3.4,3.1) 104主筋弹性模量（25*350mm）332.041050.95(2.01,2.08) 105 表一本文采用20号混泥土其基本性能如下图所示： 图4-1 钢筋应力应变关系曲线 图4-2 混凝土的失效应力应变关系曲线各材料参数如下表所示： 图4-3 材料参数材料弹性模量 （P）泊松比粘聚力（Pa）摩擦角（度）密度混泥土2.63e100.1675e6352350亚粘土3.5e60.252.6e4151900亚砂土2.5e6
31、0.255e3201900砂卵石2.36e70.302.6e4352000沉淀层4.0e60.255e2121900表二由规范公式(2-5)估算试桩竖向极限承载力理论值：计算如下：U=(0.8+0.05) =2.67 mA=(0.425)2 =0.567 m2=20.70.7(600+10209)=2352 kPa=2.67(6.750+2.435+2.9220)=2822 kN=0.5672352=1334 kN 故 =+=2822+1334=4156 kN换算成极限荷载值为41569.81=423.6 t。根据垂直静载试验实测结果，试桩实际竖向极限承载力为371.4 t，实测极限承载力由沉
32、降控制，即桩顶位移=40mm时桩顶的荷载值。4.3 建立实体模型Ansys程序提供了两种实体建模方法，即自下而上和自上而下的建模思路。自下而上的建模思路是指先建立关键点，由这些关键点创建线、面、体；而自上而下的建模方法则反之，即先建立体或面，在由布尔操作等命令生成线、节点等。本文采用的是后者建模思路。单桩在竖向荷载作用时使用轴对称模型分析是合理的，这里用轴对称四结点单元建立有限元网格。本文利用Ansys 有限元软件，采用轴对称模型，自下而上建立桩土共节点力学模型，首先建立对称轴所在线上桩与土及土与土分界面上的6 个关键点，然后顺次连接这6 个点，建成对称轴所在的5 条线，接着利用线复制命令横向
33、生成3 组线，再顺次连接这些横向相邻的线上水平方向的关键点，生成模型轮廓线，最后利用由线生成面及循环命令生成轴对称面。模型建立完毕，需要划分网格才可以求解。本模型采用先定义各线单元大小再划分网格，由于泥皮和沉渣的尺寸比较小，所以这两处单元大小定义的比较小，在距桩中心较远处的土对桩的沉降影响较小，所以土的单元划分采用等比增大的命令，这样较远处的土单元尺寸较大，可减少求解运算时间。划分后的网格如下图所示。图4-4 网格划分后的模型 4.4 边界约束及加载4.4.1 边界约束本模型采用轴对称单元，而桩土之间采用共节点，所以只需要在土侧施加横向约束，在土体底部施加竖向约束。4.4.2 初始应力场1试验
34、终止条件总沉降量大于或等于40mm；本级荷载的沉降量大于等于前一级等量荷载沉降量的5倍；总沉降量虽小于40mm，但总荷载已经大于或等于设计荷载的1.3倍（1.3420546T）。计算结果分析时，出现上述任一种情况均可认为桩结构达到试验终止条件。在桩施工之前，土体在自重下就已经有应力，且初始沉降已经完成，如果将桩和土一起施加自重计算，由于桩和土弹性模量的差距较大，会造成桩顶和地面的变形差距较大，这不符合实际情况。所以需先施加土体在自重作用下的应力场，在读入初应力荷载文件后，当仅有初应力荷载时，其效果是模型中应力为零而位移与原荷载产生的位移反向。要消除由于初应力荷载引起的位移且保持模型中应力不变，
35、可将原荷载一并施加，此时模型中应力与原荷载产生的应力相同，但位移场为零，这样才符合实际情况。下图表示的是土体在自重下产生的竖向位移。图4-5 自重作用下土层的的位移 图4-6 自重作用下土层的竖向应力分布4.4.3 施加自重及外荷载采用荷载步施加荷载，第一荷载步施加自重采用命令acel，由于是惯性荷载所以取桥梁大直径钻孔灌注桩沉降变形数值模拟正值9.8。第二荷载步施加外荷载，划分完网格后，可以直接在单元上加载，由于是轴对称单元，必须将加载在桩顶的集中力换算成面力，根据理论计算，该桩极限承载力为36000KN，所以施加到单元上的面力为press=36000/(*R*R)KN/m2,加载范围是桩顶
36、所在的单元。加载完毕后，荷载如图所示。图4-7 桩土模型的边界约束、初应力图4-8 加载情况4.5 竖向承载力计算分析加载时分两个荷载步，求解后，读入第1 荷载步（自重）结果，得到的节点竖向位移如下图，最大位移0.10151mm 在桩顶处，根据试验资料，当桩顶加载到极限承载力时，桩顶最大位移为10.91mm，所以自重引起的沉降不可以忽略。读入第2 荷载步（外荷载）最后一个子步结果，得到节点竖向位移图如图，最大位移10.713mm，减去自重影响后得到位移为10.61149mm，与试验测的值10.91 非常接近。图4-9 自重引起的沉降图4-10 加载后桩土的沉降通过分级加载求解计算，得到桩顶荷载
37、P与沉降S之间的关系数据如表4-2所示。作为参照，同时分析了桩土材料取线弹性时桩顶荷载P随沉降S的变化关系数据和材料非线性分析作对比。由表中数据绘出荷载沉降(PS)关系曲线和lgPS曲线如下所示。表4-2 桩土材料非线性计算荷载沉降数据荷载P(t)lgP(t)桩顶位移y(mm)沉降S(mm)000.252880501.6989700044.7674.5141210029.2819.028121502.17609125913.75913.506122002.30102999618.36318.110122502.39794000922.95822.705123002.47712125527.67
38、227.419123502.54406804432.55732.304124002.60205999137.837.547124502.65321251443.356 43.10312 荷载P(t)lgP(t)桩顶位移y(mm)沉降S(mm)000.253460501.6989700044.7784.5245410029.3039.049541502.17609125913.82713.573542002.30102999618.35218.098542502.39794000922.87622.622543002.47712125527.40127.147543502.54406804431
39、.92531.671544002.60205999136.4536.196544502.65321251440.97440.72054表4-3 桩土材料线性计算荷载沉降数据 图4-11 桩基竖向承载力计算PS曲线 图4-12 桩基竖向承载力计算lgPS曲线由上图可以看出，该试验桩的PS曲线为缓变型，其竖向极限承载状态由桩顶沉降控制，当S=40mm时，非线性计算结果P=421.1 t为极限荷载，与理论估算值423.6 t比较，相对误差仅为0.59%，这充分证明了建模的合理性和数值计算的正确性。从非线性与线性结果的对比可知，线性计算结果P=442.0 t与理论值的相对误差4.34%较大，这就说明了
40、土体已经进入塑性阶段,材料采用非线性模型的必要性。5 分析桩底沉渣对装基础承载力的影响有限元模型同上, 桩底设置一定厚度的材料为沉渣的参数。以试验桩为没有沉渣与泥皮的理想模型作为参照, 分析沉渣的影响。5.1桩长不变，沉渣厚度改变对桩基础承载力的影响当桩长、桩直径、土层保持不变, 沉渣厚度从0. 01到0. 8 m变化时计算桩的极限承载力, 结果如图5-1所示。计算结果显示, 随沉渣厚度增加, 桩的极限承载力下降, 而且沉渣厚度小于0. 3m 时, 极限承载力下降较快, 但由于桩长( 12m )不变, 沉渣厚度继续增加,桩的极限承载力下降稍缓。 图5-1 承载力与沉渣厚度的关系 5.2 桩长改
41、变，沉渣厚度改变 计算另一L = 18m 的桩, 当孔深( 18m, 桩长加沉渣)不变时, 沉渣厚度从0到1 m 变化时, 承载力与沉渣厚度的关系见图5-2。5-2 表明随沉渣厚度增加,桩的极限承载力下降情况。 图5-2 承载力与沉渣厚度的关系 5.3 厚度不变，桩长改变当沉渣厚度保持为0. 3m 不变时, 改变桩的长度, 沉渣对不同长度桩的极限承载力的影响见下图。由于在同一地质条件下, 桩的极限承载力随桩长增加而增加。为了使结果具有可比性, 定义桩的极限承载力损失率v 为:V=1-Pu,/Pu其中Pu,时桩的极限承载力, pu 为没有沉渣时桩的极限承载力。 图5-3 沉渣为0.3m时承载力损
42、失率与桩长的关系由图可知, 桩的长度越长, 沉渣对桩的极限承载力影响越小。原因之一是随着桩长度增加, 桩侧摩阻力承担载荷的比例增加, 而作用在沉渣上面的端承力所占的比例减少, 于是沉渣的影响也减小。以上算例表明: 较厚的桩底沉渣一方面使桩端受力地质层变弱, 降低了桩端承载能力, 另一方面减小了桩长, 从而导致整个桩基的极限承载力急剧降低。 当桩长不变, 桩的承载力随着沉渣的厚度增加而降低, 但当沉渣厚度超过一定数值时, 桩端承载力决定于沉渣的力学性质, 而与地质持力层土质无关。 当桩长超过一定数值时, 沉渣对桩的极限承载力的影响相对减小, L 20时, 承载力损失率接近为零, 原因是此时荷载主
43、要由桩周摩阻力承担。因此, 减少孔底沉渣, 并把沉渣控制在一定数值范内, 或采取措施降低沉渣对桩的承载力的影响, 是钻孔灌注桩质量控制的一个重要课题。试验实测资料表明, 桩的承载能力随着沉渣的厚度而改变, 当沉渣的厚度超过一定数值时, 桩端极限承载力pu 则由沉渣性质来决定, 而与持力层土质无关。因此, 减少孔底沉渣, 把沉渣量控制在一定数值范围以内, 是钻孔灌注桩质量控制的一个重要课题。6 分析桩侧泥皮对桩基础承载力的影响做与上节类似的分析, 设置桩侧底一定宽度的材料为泥皮的参数。以试验桩为没有沉渣与泥皮的理想模型作为参照, 分析泥皮的影响。6.1 桩长不变，泥皮宽度改变当桩长、桩直径、土层保持不变, 泥皮宽度从0. 005到0. 1m 变化时计算桩的极限承载力, 结果如图6-1所示：图6-1 极限承载力与泥皮厚度的关系有5-1图表明泥皮的厚度越大, 桩的极限承载力越小。由于泥皮处于桩和土层之间, 减弱了桩和土的粘接, 降低了桩侧土的摩阻力, 使桩的承载力减小。极限承载时, 在载荷达到极限承载力时泥皮的等效塑性应变很大, 已达到1. 279, 必须考虑几何非线性。并且是由于泥皮产生过大的塑性变形
