考虑固结作用的预应力管桩受力分析.pdf

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1、垫!!垒篁些!璺篁!丝些：=：——=：=：一==鋈亘壅垫=：=：奎堕三堡考虑固结作用的预应力管桩受力分析■施兹国一浙江省交通规划设计研究院。浙江杭州310006摘要：通过考虑软土固结过程的预应力管桩应力应变有限元分析，揭示以下结果：在公路路基的分级填筑过程中，由于桩身承担大部分路堤荷载，桩间土的应力变化量很小，土体的固结状态可以较快完成，对下一级施工影响不大。在预应力处理的公路软土路段，坡脚附近的管桩受到的轴力最小，但是受到较大的弯矩。一般情况下的公路软基处理中不需要单独考虑管桩的弯矩承载力，但在特殊的路基条件下需要验算管桩的弯矩一轴力综合承载力。关键词

2、：预应力管桩有限元固结耦合弯矩1引言预应力管桩是我国公路工程软土路基处理中常用的方法[1—4]，具有施工效率高、预压时间短、变形沉降小的优点。在国外的公路软基处理中，预应力管桩也得到了应用，但国外同行提出了一些需深入分析的问题，如软土的固结与管桩的相互影响作用、管桩桩身受弯荷载作用对桩身强度的要求等。本文以工程实例为基础，对这些问题采用数值分析方法进行了分析，并得出一些结论。2概况该工程软土路段路堤高5～8m，最宽处35m。软土层自上而下为7．4m泥炭土，10m粘质粉土及基岩，地下水位在地面附近。设计采用PHCA00预应力管桩，正方形布置，问距2m。桩尖

3、到基岩顶面，桩顶1．2m×i．2m方形桩帽，上部设0．6m碎石垫层。对预应力管桩处理软土路基中的软土固结的问题和管桩桩身的受弯荷载作用大小的分析，采用软土固结和预应力管桩受力变形变化的耦合分析方法进行有限元计算。3软土固结和预应力管桩的耦合分析耦合分析采用SIGMA／W有限元分析软件，采用平面应变四边形单元，并考虑土体与桩体的变形和受力的相互影响。3．1建立模型分析模型如下图1所示，路基高度7m，宽35m，地层条件如前所诛．图1固结应力应变分析耦合分析模型模型的边界条件包括渗流边界条件和应力应变边界条件。模型局部见图2。．《聪f秕墟松。觚城D忖缸～，图2

4、固结应力应变分析耦合分析模型地层及单元(局部)3．2地层材料本构和参数软土采用改进Camclay本构模型，可有效模拟软土固结过程和变形过程[5J，参数取值见表1。粘质粉土层和路基填土采用Molar—Cou—lomb模型。基岩采用弹性材料模型，参数取值见表2。预应力管桩采用梁单元进行模拟，桩身截面积、弹性模量及抗弯性能见表3。表1软土的材料参数本构超固结泊松比初始孔重度1有效内摩饱和渗压缩系数X透系数模型比OCR斗隙比e(kN／m3)擦角叩Io)My(kPa一1)(m／day)改进Camclay1O．450．65)．晒214200．150．0l模型其中[5

5、]C．n赢k=≠蠹c。一压缩指数，通过实验确定c。一再压缩指数，通过实验确定。表2地层材料参数重度1弹性模量有效内聚力有效内摩擦名称泊松比“(kN／m3)E(MPa)c(kPa)角中<。)粘质粉土层20400．3530路基填土20300．353010基岩232000O．2表3预应力管桩的材料参数弹性模量E管桩截面积本构模型惯性矩I(m4)(MPa)A(ITl2)梁单元260()00．090．000583．3模拟计算步骤分9个步骤，第一步模拟原始地应力，此时模型位移为0；第二步施工平台填筑0．5m，施工PHC管桩和桩帽；第三步施工土工布和碎石垫层，厚度0．

6、6m。之后按照每周0．5m的速度进行路基填筑，直到填筑至设计路堤高度。施工步骤见表4。每个步骤均模拟分析土的固结、内力和桩身的轴向力及弯矩。表4模拟步骤步骤时间(天)施工内容lO模拟原始地应力2O一8施工PHC管桩和桩帽38一15施工土工布和碎石垫层415—29填筑路基至2m529—43填筑路基至3m643—57填筑路基至4m751—7l填筑路基至5m871—85填筑路基至6m985—106填筑路基至7m4分析结果填筑至设计路堤高度时，路基范围内的竖向应力见图3。管桩处理的路基下方土体的应力几乎没有改变，路堤填土产生的荷载通过管桩传递到下部的持力层。这表

7、明，管桩处理软土路基的方式可以通过桩承载路堤荷载达到路基承载力的要求。4．1桩顶应力和位移图4和图5分别表示分级填筑路基时，桩顶的荷载和位移随时间变化的过程。桩顶的应力和位移随填筑增加相应增加。桩顶的位移量不大，填筑完成后最大位移约6．5mm。·193·图3填筑完成后竖向应力分布(kPa溺二I{．／-l¨≥。{一-⋯⋯⋯⋯．～0∞柏∞’∞1■时间f嘶3】图4桩顶应力随施工步骤的变化R

8、．零圈5桩顶他移随施1步骤的变化㈨，JF他侈为负值)4．2土体固结情况孔隙水压力表明土体的固结程度，图6反映了在路基施工过程中土层中部土体的孔隙水压力变化。每级荷载填筑时，

9、土体的孔隙水压力就会升高，但是很快就会下降。在后一级填筑开始之前已经恢复到正常水