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CFG桩横向荷载作用下竖向沉降和承载力的试验研究

2022-12-16 来源:划驼旅游
维普资讯 http://www.cqvip.com 第31卷第4期 2007年8月 北京交通大学学报 V01.31 No.4 Aug.2007 0I瓜NAL 0F BEHING IIA0T0NG UNIvERSITY 文章编号:1673—0291(2007)04—0068—03 CFG桩横向荷载作用下 竖向沉降和承载力的试验研究 冯 震 ,一,王连俊2,王 娜 ,丁铭绩2,刘升传2 (1.防灾科技学院,燕郊101601;2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044) 摘要:通过室内模型桩试验,分析了水平力对CFG桩竖向沉降和极限承载力的影响.运用三维有 限元的方法,考虑了土体的弹塑性(Prandtl—Reuss模型),以及在桩土界面处设置接触单元来考虑桩 土的滑移和开裂,对模型桩进行了模拟分析.通过现场原形实验,对分析结果进行验证.结果表明, 水平荷载的存在,既增加了附加沉降量,也提高了极限承载力. 关键词:模型试验;横向荷载;CFG桩;模拟分析 中图分类号:TU473 文献标志码:A A Test Study on the Axial Settlement and Bearing Capacity 0f CFG Piles Under Lateral Loads FENG Zhen ,一,WANG Lian-jun ,WANG Na ,DING Ming-ji ,LIU Sheng—chuan (1.Institute of Disaster Prevention Scincee and Technology,Yanjiao 101601,China; 2.School of Civil Engineering and Architcteure,Beijig nJiaotong University,Beijig 1n00044,China) Abstract ̄By means of a series of model tests,the main objective of the paper is to investigate the ef— fects of lateral loading on axial displacement and bearing capacity of CFG piles.In addition.the paper also studies the mechanical behavior of a model pile.by means of three.dimensioml finite element method with onscideration of nonlinear behavior of the olsl(Prandtl—Reuss mode1),while pile—oisl con— tact elements are used to simulate the soil slippage and pile—soil separation.Then,an in—situ case study is carried out,which shows good agreement with the experimental rsulets.In the end,some valuable conclusions are summarized. Key words:model test;lateral load;CFG pile;simulation analysis 随着复合地基理论的逐渐成熟,经CFG(水泥 施加法向应力,同时,也使另一半桩周有脱离桩侧土 的趋向,而且将使桩土的摩阻由静摩擦转变为动摩 擦.故在纵横向荷载下,CFG桩的受力性状比竖向 粉煤灰碎石)桩加固后形成的CFG桩复合地基,在 北方拥有了很大的市场,尤其是在北京及其周围地 区.而复合地基中CFG单桩的沉降和承载能力的计 算,成为设计时必要的一项工序.实践表明,复合地 基中的桩在承受竖向荷载的同时也承受着横向荷 载.关于纵横向荷载下复合地基中CFG桩工作机理 及性能的研究还很少[1-2]. 或水平向荷载单独作用要复杂得多.目前,CFG桩 在受力分析上均是将纵横向荷载单独考虑的.首先 是考虑在竖向荷载下桩的极限承载能力和沉降量; 其次是在水平荷载下桩身的弯矩和水平位移.通常 所采用的方法是弹性半空间法和非线性地基反力 在水平荷载作用下,桩朝着位移方向的桩侧土 收稿日期:2005.10.28;修回时间:2007—06.10 法,这两种方法都是假设轴向荷载和水平向荷载分 基金项目:中国博士后基金资助项目(20060400397) 作者简介:冯震(1972一),男,河北怀安人,博士,副教授.emml:Robertvon@163.∞m 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 冯震等:cFG桩横向荷载作用下竖向沉降和承载力的试验研究 69 别单独作用,没有考虑横纵向荷载同时作用[3I. 而事实是在外部荷载作用下,CFG桩的应力场 和位移场都发生了较大的变化,在桩体上将产生应 力集中,桩和桩间土相互作用,共同承担外部荷载. 到目前为止,基桩承载力和沉降量的确定仍以单桩 静载荷试验为基础.本文作者通过室内模型试验和 三维有限元模拟,结合现场原形实验,探讨了水平荷 载对CFG桩竖向沉降和承载力的影响. 1室内模型试验及结果分析 1.1室内模型试验 试验采用CFG桩作为模型材料,因为CFG桩 性状与素混凝土桩相似 ],故也可用素混凝土桩作 为模型材料.CFG模型桩直径为100 mm,桩长为 1 200 rnlTl,桩的埋深为1 000 rlfir1.地基土采用均匀 粉质粘土,其各项土性指标分别为:容重7=17.52 kN/m3,含水量叫=23.5%,粘聚力C。。=34.02 kPa,内摩擦角 =11.2。.试验时设置桩顶为自由, 无约束.试验采用维持荷载法,分级加载.按照表1 所示的荷载组合,进行模型桩的静载荷试验,桩顶的 荷载一沉降试验结果如图1所示. 表1 CFG模型桩水平加荷次序表 Tab.1 Loading sequenceofCFG piletests 图1实验荷载一沉降曲线 Fig.1 Load—settlement cllrveof test 1.2试验结果分析 从图1中可看出,水平荷载的存在对CFG桩沉 降有较为明显的影响.当竖向荷载的水平较低时,水 平荷载的存在对桩的沉降影响很小,可以忽略不计; 当竖向荷载水平较高时,桩的附加沉降则相对较大. 如竖向荷载为600 N时,P1的沉降量为0.18 mm, P2、P3和P4的沉降量为0.27 mm、0.35 mm和 0.34 rnm,与只承受竖向荷载桩的沉降相比,分别增 大了5O%、94%及89%. 从图1中还可以看出,水平力对桩的极限承载 力有较为明显的影响.如P1的极限承载力为720 N,而P2、P3和P4的极限承载力分别为800 N、950 N以及910 N.由此可见,在一定范围内,水平力的 存在使得CFG桩竖向极限承载力有不同的程度的 提高.这与文献[5]的试验结果相一致. 此外,荷载一沉降曲线表现出“缓变型”曲线的特 征,即曲线没有明显的破坏特征点.分析其原因可能 与土体的离散性、桩土的摩阻力减小或桩侧土体发 生塑性变形等因素有关. 2有限元法模拟及结果分析 采用大型通用有限元软件ANSYS6.1对模型 桩进行模拟分析,桩与土体均采用实体单元Solid65 模拟,桩与土体界面处设置接触单元TARGE170和 CONTA178来考虑桩土的滑移和开裂,并考虑土体 服从Prandtl~Reuss屈服准则.对于接触单元的摩擦 类型,选用Mohr—Coulomb摩擦模型. 土体计算时桩身径向取0.5倍桩长,桩底径向 取0.55倍桩长[ .有限元网格划分如图2所示.斜 向荷载作用下桩顶的荷载一沉降有限元计算结果见 图3. ,\J Ys 0Cf 3i 2003 23:57:Oi 图2有限元网格划分 Fig.2 Finite dement meshing 从图3中可以看出,水平荷载对CFG桩竖向沉 降和承载能力都有影响.尽管有限元存在着计算模 型、计算参数和计算方法上的误差,在量化的数值上 与试验结果有一定的差异,但在曲线形态上,有限元 的计算结果与实测结果相似.分析其原因,一方面可 能是作用有水平荷载的桩部分桩周与土体分离,另 一方面随着水平力的增加,桩向位移方向的桩侧土 维普资讯 http://www.cqvip.com 北京交通大学学报 第31卷 竖向荷载/N 0 350 7o0 0 _1.4 逝 一2・8 .4-2 图3计算荷载一沉降曲线 Fig.3 Load-settlement curve of calculating 所施加的法向应力增大,同时桩身发生弯曲变形致 使部分桩侧土体对桩身产生向上的反力,从而桩的 承载能力有所提高. 此外,采用首先逐步施加竖向荷载,达到某一值 后保持不变,再逐步施加水平荷载的加荷方式,对比 计算了承受竖向荷载Q=450 N和水平荷载H= 300 N,以及竖向荷载Q=800 N和水平荷载H= 300 N两种情况桩的沉降量,并分别考虑了PR模型 (土体服从Prandtl—Reuss屈服准则)和弹性介质.计 算结果如表2所示. 表2沉降量模拟分析结果 Tab.2 Settlmeent results of simulate analysis iniTl 从表2可以看出: (1)桩顶作用的竖向荷载相对较小时,CFG桩 沉降量的大小与所选土体模型是否考虑非线性关系 不大,荷载一沉降所表现出的非线性主要是由桩土界 面的非线性引起的. (2)当竖向荷载相对较小时,水平荷载的存在使 得桩产生的附加沉降量很小,且与土体选用模型关 系不大. (3)当竖向荷载水平较高时,附加沉降量大小与 所选用的土体模型是否考虑非线性有很大关系. 通过有限元法分析,可以发现,对于作用有水平 荷载的CFG竖向承载桩而言,附加沉降量主要与桩 周和桩端土体产生塑性变形有关.也就是说,桩周土 体发生塑性变形,使土体的抗剪强度下降,最终导致 桩土问的摩阻力减小,桩端土体承受的荷载增大,从 而产生附加沉降量. 3现场原型试验及结果分析 现场原型试 是在北京东燕郊防灾技术高 等专科学校的图书馆楼工地进行的.该工程场地地 形平坦,地貌属于永定河冲积扇下部,根据工程地质 勘查报告,在场地揭露深度范围内,地层分布自上而 下为:一层素填土,二层细砂,三层细砂,四层粉质粘 土,五层粘质粉土,六层粉细砂,七层粉质粘土,八层 细砂.成孔桩径400 rflIn,地面以下桩长10.32 m.试 验时纵横向荷载的施加为:纵向荷载100 kN为一 级,逐级施加;每级纵向荷载加载稳定后,按快速法 施加横向荷载,其加卸顺序为 0— 10 kN— 20 kN一10 kN- ̄0. 试验数据列于表3. 表3 CFG桩纵横受力现场试验结果 6.3 CFG pile case test under lateral and axial loads 从表3中可得到相同的结论.即横向荷载的存 在给桩身带来附加沉降,并且提高了极限承载力.当 桩顶作用的竖向荷载相对较小时,水平荷载的存在 使得桩产生的附加沉降量很小;当竖向荷载水平逐 渐增高时,附加沉降量和极限承载力都显著增加. 通过分析可以发现,对于作用有水平荷载的竖 向承载桩而言,桩周土体发生塑性变形,使土体的抗 剪强度下降,最终导致桩土问的摩阻力减小,桩端土 体承受的荷载增大,从而产生附加沉降量. 4结论 (1)水平荷载的存在,一方面使得CFG桩产生 一定的附加沉降量,同时也使得CFG桩的极限承载 能力提高. (2)分析认为,附加沉降主要与CFG桩侧和桩 端土体发生塑性变形有关;而桩极限承载能力的提 高,则可能与桩身发生弯曲变形有关. (3)对于在深厚软土地基建造建筑物,桩基的沉 降量和差异沉降量的控制往往是地基基础设计的关 键.软土地区建筑基础工程事故大部分是由于沉降 量或沉降差过大造成的,特别是不均匀沉降对建筑 物的危害更大. (4)当复合地基承受的竖向荷载很大时,水平荷 载的存在对竖向承载能力有一定的影响,尤其水平 荷载对CFC-摩擦型桩的沉降的影响应该予以重视. (下转第74页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 74 北京交通大学学报 第31卷 4结论 文中提出的正融土强度弱化特性研究的试验仪 器及方法,能够形象描绘出冻土样在融化过程中的 Action of Soil and Foundation Engineering[M].Beijing: Science Press.2006.(in Chinese) [3]DL/T 5082.1988.水工建筑物抗冰冻设计规范[s].北 京:中国电力出版社,1998. DL/I"5082—1988,Design Specifiaticons of Hydraulic 全应力应变曲线及其破坏强度,值得在冻土学研究 中推广应用. 参考文献: [1]陈肖柏.中国冻土灾害[c]∥孙广忠.中国自然灾害.北 京:学术刊物出版社,1990:142—149. hen CXiao-bai China Frozen Earth l ̄sters[C }}Sun Gu ̄lg- China Natural C SasterS.Beijing:L锄Ing Publicaiton Stuctrures Agaistn Ice and Freezing Action[SJ.Beijing: China Electirc Power Press,1998.(in(、l1inese) [4]JGJ 118—98.冻土地区建筑地基基础设计规范[s].北 京:中国建筑工业出版社,1998. 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