水平荷载下PHC管桩三桩承载特性的数值模拟分析

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论文字数:52585 论文编号:sb2022022815105844341 日期:2022-03-10 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文在模拟试验时为了使规律更加明显,在研究不同桩顶嵌固深度、桩间距、有无轴向压力、桩长、土体变形模量、土体内摩擦角因素对两种三桩群桩水平承载力的影响时,土层数设计为一层,目的是抓住主要因素忽略次要因素,在单一变量下使规律更加明显。实际地基土层情况为三层土,各层土的物理力学性质不同。采用静力加载的方案,研究了三桩群桩的水平承载特性,没有低周往复水平加载方案下,三桩群桩的动力特性。

第 1 章 绪论

1.1 PHC 管桩的发展简史
1920 年澳大利亚人发明了离心法制作混凝土管桩的技术,随后日本引进离心技术生产钢筋混凝土管桩,并于 1934 年研发出离心钢筋混凝土管桩(即 RC 管桩),二十世纪六十年代日本研发出预应力钢筋混凝土管桩(即 PC 管桩),到七十年代离心技术生产钢筋混凝土管桩技术已经成熟,预应力高强度混凝土管桩(即 PHC 管桩)问世,自此PHC 管桩开始在土木工程中扮演重要角色。我国在上世纪八十年代,先后研发了先张法预应力高强度混凝土管桩(PHC 管桩)和先张法预应力混凝土薄壁管桩(PTC 管桩)。在 PHC 管桩生产规模上,1993 年中国水泥制品工业协会预制混凝土管桩专业委员会成立伊始,只有全国 20 余家管桩厂,且总产量不超过 300 万米,到 2010 年总产量超过 3亿米,到 2019 年预制混凝土桩年产量达 3.2 亿万米[1]-[2],中国成为世界上预应力混凝土管桩生产和使用最多的国家。
现如今,我国预应力管桩从生产工艺到施工工艺都有了很大的发展。通过总结大量的工程实践并参照国外比较成熟的预应力管桩规范,已先后颁布了《先张法预应力混凝土薄壁管桩》(JC888-2001)、(GB/T19496-2004)、《先张法预应力混凝土管桩用端板》(JC/T947-2005)、《预应力高强混凝土管桩用硅砂粉》(JC/T950-2005)、《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476-2009)、《预应力混凝土管桩图集》(10G409)、《预应力混凝土管桩技术标准(JGJ/T406-2017)等一系列规范和图集。
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1.2 PHC 管桩概述
PHC 管桩--预应力高强度混凝土管桩(如图 1-1 所示),是采用先张预应力离心成型的细长空心圆筒型钢筋混凝土构件。其桩身混凝土强度等级不得低于 C80,标准节长为 10m,外径为 300~1200mm,在高压釜中经过 10 个大气压、180℃的蒸汽环境中养护而成。按其桩身混凝土有效预压应力值分为 A 型、AB 型、B 型、C 型四种类型;按外径(单位为 mm)大小可分为 300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200 等规格。并且 PHC 管桩每种外径规格的单节桩长和壁厚随外径的不同而不同,如外径为 600mm 时,其单节长为 7~15m,壁厚有 110mm 和 130mm 两种。此外 AB 型的PHC 管桩桩身混凝土有效预压应力值为 6MPa;PHC 管桩在出厂前必须通过开裂弯矩和开裂剪力等的测试才能用于工程中[3]-[6]。
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标准的 PHC 管桩由端板、套箍、混凝土桩身、预应力筋、箍筋等构成。管桩两端2000mm 范围内的箍筋螺距为 45mm,其余桩身部位为 80mm,在承受较大水平荷载等特殊工况下,应根据具体情况对桩距和加密范围进行调整。预应力钢筋的张拉应力取为钢筋抗拉强度标准值的 0.7 倍,即conptk0.7f 。
PHC 管桩的选用需按工程地质情况、场地抗震设防烈度、荷载大小、施工条件等确定。如工程地质条件较复杂、桩基设计等级为甲级、抗震设防烈度为 7 度和 8 度的桩基工程、受较大水平荷载或抗拔桩等宜选择 AB 型、B 型或 C 型的管桩。
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第 2 章 桩基础水平承载力分析

2.1 PHC 管桩水平承载时的工作性状
PHC 管桩的水平承载力既与桩身材料强度和刚度有关,也与桩侧土体水平抗力有很大关系。桩身受水平荷载会产生挠曲变形,由于桩侧土的约束,桩的挠曲变形与桩侧土体形成一个相互作用体系,桩的水平承载力的发挥与桩侧土抗力的发挥相互影响,随基桩深入土体的深度而变化。当桩顶不受约束时,较小的桩顶水平荷载由上部土体承担,此时土体处于弹性变形阶段;当水平荷载较大时,桩顶水平位移增加,挠曲变形程度增加,更深处的土体受到挤压;随着荷载继续增大,桩侧土体逐步进入塑性变形阶段,桩身材料屈服或桩侧土体屈服破坏,桩-土相互作用体系失效[59]-[60]。
弹性 PHC 管桩基桩长径比较大而桩身刚度较小,此时桩土相对刚度较小。当桩侧土体较坚实时,桩土相对刚度更小。当桩顶自由时,在桩端水平荷载作用下,桩体发生挠曲变形,同时挤压桩周土体。在土压力和桩端水平荷载同时作用下,桩身挠曲变形随深度不断变化,出现多个位移零点。当荷载水平较大时,桩身因最大弯矩超过桩身材料的极限弯矩而发生受弯破坏,或者桩周土因桩体侧移过大而发生屈服破坏。当桩顶有承台约束时,桩顶处因受到嵌固约束而产生极大弯矩,并可能大于桩内极值弯矩,在最大弯矩处发生屈服而出现塑性铰,桩身内力重新调整。由于钢筋混凝土抗拉强度较抗压强度低很多,因此桩身首先在受拉一侧开裂,对于较长的 PHC 管桩应限制桩顶侧移,避免桩身开裂破坏和失稳破坏。此外,桩顶过大的侧移往往会超出上部结构的位移容许值而不能正常使用。
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2.2 桩基础水平承载力计算思路
规范[61]-[63]中指出 PHC 管桩通常适用于低承台桩基础,本文通过有限元软件ABAQUS 模拟低承台的单桩、一字形三桩群桩和三角形三桩群桩的水平承载试验,基桩的主要物理力学指标如表 2-1。
弹性桩的计算分析思路有很多种,我国常用的计算方法为 m 法,利用 m 法分析单桩水平承载特性首先确定桩侧水平抗力系数的比例系数 m,确定 m 值得方法有经验法和水平载荷现场试验法,在没有现场试验数据时可使用经验法确定。
本次模拟主要研究两种不同排列方式的三桩群桩的水平承载特性,即一字形三桩群桩和三角形三桩群桩。
第一部分任务:①模拟得出两种三桩群桩的荷载-位移曲线,并确定两种群桩在水平荷载作用下的临界荷载和极限荷载;②分析极限荷载下锚固钢筋构件的应力状况;③分析桩顶嵌固深度、桩间距、桩长、土体模量及内摩擦角这五个参数对两种 PHC 管桩三桩群桩水平承载性能的影响;④比较分析两种群桩的群桩综合效应。
本文模拟试验参考山西长治某煤场封闭改造项目现场试验,设计了水平静荷载下两种三桩群桩模型。该工程的群桩基础主要承受较大的水平推力,模拟试验的地基土分布情况和主要指标如下表 3-1。在本文模型中承台与管桩之间的连接采取普通节点连接构造措施(如图 3-4)。桩型均为 PHC-600-AB-130 管桩,桩长为 13m,桩间距为 3 倍管桩直径,管桩填芯长度为2.0m,填芯混凝土抗压设计强度为 C30,内配钢筋笼(纵筋+箍筋),承台厚度均为 900mm,承台几何尺寸如图 3-5,承台配筋设计根据《桩基承台设计图集》(06SG812)采用构造配筋。
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第 3 章 有限元数值模拟分析..................................17
3.1 ABAQUS 有限元数值模拟理论..................................... 17
3.1.1 Mohr-Coulomb 模型基本理论..............................................17
3.1.2 有限元接触理论..........................................19
第 4 章 两种三桩群桩有限元模拟结果....................................31
4.1 三桩群桩的水平承载特性研究..........................................31
4.1.1 群桩水平临界荷载和极限荷载...........................................31
4.1.2 极限荷载下的内力........................................38
第 5 章 结论与展望....................................85
5.1 结论与建议.......................................85
5.2 后续研究工作和展望...........................85

第 4 章 两种三桩群桩有限元模拟结果

4.1 三桩群桩的水平承载特性研究
4.1.1 群桩水平临界荷载和极限荷载
研究群桩水平承载力首先要得到基桩的水平承载力特征值,《建筑地基基础设计规范》[63]规范中附录 S 介绍了单桩水平载荷试验方法,要得到单桩水平承载力特征值首先要得到基桩在规范规定的条件下的临界荷载和极限荷载,其思路是通过单桩水平加载试验首先得到桩基础的荷载-时间-位移(H-t-Y)曲线,然后通过荷载-时间-位移(H-t-Y)曲线作出相应的荷载-位移(H-Y)曲线、荷载-位移梯度(H-ΔH/ΔY)曲线,最后依据规范确定单桩基础的临界荷载和极限荷载。
本文根据规范[60]-[63]中确定单桩水平荷载下临界荷载和极限荷载的思路,利用ABAQUS 软件模拟 PHC 管桩单桩、一字形三桩群桩和三角形三桩群桩基础的水平加载试验,并确定各自的临界荷载和极限荷载。
《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)中给出桩的水平加载试验中每级加载增量可取预估水平极限承载力的 1/15~1/10,因而模拟水平加载实验中每级荷载增量:单桩为40kN;三桩为 100kN。三组模拟试验的加载工况见下表 4-1。模拟加载时每级荷载加载的循环次数为 5 次,且试验中出现以下三种情况之一时停止加载;1)恒定荷载下水平位移急剧增加;2)水平位移超过 30-40mm;3)桩身折断。模拟加载试验时,可参照规范规定作出荷载-时间-位移曲线。
根据规范得到了单桩和两个群桩模型的水平荷载-位移梯度(H-ΔH/ΔY)曲线后,取 H-ΔH/ΔY 曲线第一直线段终点和第二直线段终点为桩基础的临界荷载和极限荷载。模拟 PHC 管桩单桩、一字形和三角形三桩群桩的水平静力载荷试验的基本试验情况见表 4-2,得到的 H-Y 曲线和 H-ΔH/ΔY 曲线如图 4-1 和 4-2。
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第 5 章 结论与展望

5.1 结论与建议
本文利用大型有限元软件 ABAQUS,对一字形三桩群桩和三角形三桩群桩的水平承载特性进行了数值模拟研究。在静力加载方式下,得到两种群桩的临界水平荷载和极限水平荷载,并分析了桩与承台连接处的锚固钢筋构件的强度状况。在一定水平荷载和轴向压力下,作者分析了不同桩顶嵌固深度、桩间距、桩长、土体变形模量、土体内摩擦角因素下两种三桩群桩的水平承载特性。在定义了群桩综合效应系数的基础上,作者分析了不同桩间距和桩长对群桩效应的影响。作者通过数值模拟分析得出了以下结论:
(1)相同工况下,一字形三桩群桩的临界水平荷载和极限水平荷载均大于三角形三桩群桩,前者分别是后者的 1.3 倍和 1.08 倍。
(2)极限水平荷载下,两种三桩群桩其锚固钢筋构件的应力状态都没有达到屈服。(3)在相同荷载下,一字形三桩群桩的桩身最大弯矩在前桩桩顶处取得,前排桩桩身分担的内力大于后排桩;三角形三桩群桩的桩身最大弯矩在距桩顶约 1/6~1/5 桩长处取得,前排桩桩身分担的内力小于后排桩。
(4)相同荷载下,随着桩顶嵌固深度的增大,两种三桩群桩桩体最大弯矩均逐渐减小,基桩最大剪力均在桩与承台连接处取得,且均逐渐减小,因而群桩更不易受弯破坏。
(5)相同荷载下,随着桩间距的增大,两种三桩群桩的基桩其最大弯矩、最大剪力、最大水平位移均逐渐减小,群桩更不易发生弯曲破坏。
(6)相同荷载下,随桩长的增大,两种三桩群桩其基桩最大弯矩、最大水平位移逐渐减小,群桩群桩更不易发生弯曲破坏。
(7)相同荷载下,随着桩侧土体模量和内摩擦角的增大,两种三桩群桩其基桩最大弯矩、最大水平位移均逐渐减小,群桩群桩更不易发生弯曲破坏。
(8)相同荷载下,桩间距为 3 至 4 倍桩径或桩长为 16.7 至 21.7 倍桩径时,两种三桩群桩的综合效应系数均较大,群桩效应均较明显。随着桩间距和桩长的增大,两种三桩群桩综合效应系数均逐渐减小,群桩效应均减弱。
参考文献(略)

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