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1、软土地基超长PHC管桩的荷载传递机理分析第10卷第l9期2010年7月1671—1815(2010)19—4839-05科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVo1.10No.19July2010⑥2010Sci.Tech.Engng.软土地基超长PHC管桩的荷载传递机理分析周万清李贤武(三峡大学土木与建筑学院,宜昌443002;中国建筑第三工程局有限公司',武汉430040)摘要软土地基中超长预应力混凝土管桩在桥梁和建筑工程中得到了广泛的应用,但超长预应力混凝
2、土管桩的承载机理还不很清楚.土体采用非线性弹性Duncan—Chang模型,桩土界面采用Goodman接触面单元,桩体部分采用Hognestad方程对桩土的相互作用进行非线性有限元分析.结果表明:在有效荷载作用下,桩身变形在弹性范围内,桩底沉降是持力层的压缩变形.,关键词超长预应力混凝土管桩接触桩土共同作用中图法分类号TU473.1;文献标志码A由于软土一般具有厚度大,含水量高,孔隙比大,强度低,压缩性高等特点,因此软土地基的承载力低,承受荷载后变形大,在建设中稍有疏忽,必然导致建筑物的开裂,甚至损
3、坏和失稳.所以软弱地基中超长桩的使用是大量而且非常必须的.现行规范对超长桩的设计并非建立在超长桩的承载变形机理的基础之上,这种理论与实践之间的矛盾,使得研究超长桩荷载传递机理不仅是桩基础理论自身发展的需要,更是工程界的迫切要求.本文土体采用非线性弹性Duncan—Chang模型,桩土界面采用Goodman接触面单元,桩体部分采用Hognestad方程对桩土的相互作用进行非线性有限元分析.1本构关系1.1土的本构关系工程实际中可能遇到的土类及其受荷条件千差万别,通常用理想化的地基模型来模拟实际的土性态
4、.代表性的地基模型主要有:线性弹性地基模型,非线性弹性地基模型,弹塑性地基模型,黏弹性地基模型,黏塑性地基模型,准弹性地基模型,内时第一作者简介:周万清(1978一),重庆丰都人,讲师,博士,研究方向:地基与基础.地基模型等七类….目前应用较广泛的有Ducan—Chang模型为基础的弹性非线性模型,用增量法可获得与实际相符的相互作用问题的结果.E为切线弹性模量,为切线泊松比.【一等】.㈩(1-A)2——LzA:——————一..(?一】.式中:Pd为大气压力;C,是强度指标,其K,,,D,F和G为六
5、个计算参数,可以通过土的常规三轴试验获得.由式(2)算得的有时可能大于0.5,在试验中测得的值也确有可能超过0.5,这是由于土体存在剪胀性.然而,有限元计算中,若大于或等于0.5,劲度矩阵就出现异常.因此,实际计算中,当>0.49时,令:0.49.对于卸载的情况,应由卸荷试验测定弹性模量,以E表示.邓肯等人假定E不随盯.一盯,变,一,n化,仅随19",而变.回弹模量E=P.fl.,Jn/在有限元计算中要给出一个在什么情况下使科学技术与工程10卷用回弹模量E的标准,实际上是一个屈服准则.当然,这
6、里不需要像弹塑性模型的屈服准则那样严格,只要有一个粗略的规定即可.可以采用下面的标准:当l—or3<(Or1一3)0,且s<s0时,用否则用E.这里(or,一or,).为历史上曾经达到的最大变应力,为历史上曾达到的最大应力水平.1.2预应力混凝土的本构模型预应力混凝土结构一般用于抗拉,抗弯,抗剪和抗扭等构件当中,很少用在抗压的构件当中.在预制混凝土管桩中施加预应力的作用有几点:(1)混凝土预制桩在起吊,运输的过程中减小桩身的拉应力,保证桩身质量;(2)在预制桩捶击施工时,防止桩身反弹产生
7、拉应力导致桩身开裂;(3)对于桩身受到水平力时,预应力可提高桩身的抗弯强度,防止桩身开裂.预制混凝土管桩施加预应力虽然并不能改变混凝土的本构模型,但是改变了混凝土的初始应力.超长嵌岩桩桩顶沉降主要是由于桩身压缩引起的,最大试验荷载下桩身压缩量占桩顶累计沉降量的8l%以上.所以桩越长,桩身在同一荷载水平下压缩量越大,桩顶沉降也越大.在同一荷载水平下,随着桩长的增加,桩身总压缩量加大,且弹性压缩量和塑性压缩量均增大;同时在最大荷载水平下,随着桩长的增加,桩身混凝土弹性压缩量占总压缩量的比例下降,而塑性压
8、缩量占总压缩量的比例增加J.这就说明了超长桩在承受较大荷载时,桩身的上段承受的荷载也较大.超长桩在工作荷载作用下混凝土的应力一应变往往处于非弹性状态.国内外许多学者对混凝土单轴应力一应变关系进行过深入的研究,提出过不下十种本构方程,但目前国际上常用的有Hognestad方程和Rtisch方程.本文混凝土的本构模型将采用Hognestad方程,其具体表达式如下:上升段:=(r0[2()一(门当≤(3)下降段:=cr0『1一Q15f0_1]当6o<≤(4),u一,超
