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1、第42卷第4期人民长江Vo.l42,No.42011年2月YangtzeRiverFeb.,2011文章编号:1001-4179(2011)04-0091-04重锤低击和轻锤高击沉桩效果分析1112王继成,周向阳,刘红梅,肖新颖(1.台州职业技术学院,浙江台州318000;2.温岭市建筑工程质量安全监督站,浙江温岭317500)摘要:为了分析锤击桩在沉桩过程中的力学机理,将人们停留在经验层面上的对沉桩过程、锤重选择的认识上升到理论高度。根据动能、动量守恒定律,用有限元法对能量从锤传递到桩这一过程的损耗情况和同等锤击能时锤的质量对桩身最大压应力分布、锤击持
2、续时间、贯入度的影响等方面进行了分析。结果表明:锤的质量越大,能量损耗率越小;重锤低击会减小桩顶部的最大应力,增大桩身下部的最大压应力,明显延长冲击持续时间,显著增加贯入度。对锤击桩的施工有指导作用。关键词:重锤低击;落距;桩身应力;冲击持续时间;贯入度中图法分类号:TU473.13文献标志码:A锤击桩不仅施工简单、成本低廉,而且贯穿能力由(1)、(2)式得:22大,因此,锤击桩能得到广泛应用。但是,人们对沉桩1m1v1Eloss1=E1-过程、锤重选择等的认识还停留在经验层面上,实际2m1+m2上,打桩过程不仅仅有碰撞引起的能量、动量传递,还E1m11
3、=E1-=E1(3)会产生塑性变形以及振动。本文用动量、能量守恒原m1+m2m11+m2理,以及有限元法对同等能量情况下锤的质量大小对沉桩效果的影响进行分析。1锤的质量对能量损耗的影响考虑较简单自由落锤情况的击桩过程,锤冲击桩后,可假定锤没有弹起,而是与桩同时下沉,下沉的深度就是贯入度,下沉初始速度为v2。桩下沉受到土的阻力,如果桩还未打入至持力层,桩周的摩擦力是最主要的阻力,在摩擦力的作用下,锤和桩的速度由v2减[1-3]小到0,沉桩过程如图1所示。由能量守恒定律,得:1212E1=m1v1=E2+Eloss1=(m1+m2)v2+Eloss122(1)图1打桩
4、过程能量传递由动量守恒定律,得:m1令n=,则能量损耗率为:m1v1=(m1+m2)v2(2)m2收稿日期:2010-09-25基金项目:浙江省教育厅科研项目资助(Y200909687)作者简介:王继成,男,工程师、讲师,博士生研究生,主要研究方向为土动力学。E-mai:lwjc1818@126.com92人民长江2011年Eloss11C3D8R单元(即六面体线性缩减积分)。纵向受力筋i==(4)E11+n和水平向箍筋采用三维shell建立RebarLayer箱型截锤、桩质量比n与能量损耗率i的关系见图2。面钢筋层,并Embbed到混凝土实体单元中,网格
5、划分为SFM3D4R单元(即四边形面单元线性缩减积分)。表1材料参数项目弹性模量/Pa泊松比密度/(kgm-3)钢筋1.9!10110.37850铁锤2.1!10110.37850混凝土2.95!10100.22400土3!1060.31700松木[5]1!1090.4350表2混凝土破坏准则参数双轴极限抗压强度/图2锤、桩质量比与能量损耗的关系膨胀角/()偏心率不变应力比粘聚系数单轴极限抗压强度由图2可以看出,桩的质量一定时,锤的质量越150.11.160.66670大,锤冲击桩的能量损耗越低,而冲击速度对能量损耗率没有影响。当锤的质量是桩质量的1/10时,能量损表
6、3混凝土塑性应力-应变关系耗达90.91%;当锤的质量是桩质量的3倍时,能量损压应力/MPa非弹性应变拉应力/MPa开裂应变耗是25%。所以从能量损耗的角度来说,要尽可能地18.202.400提高锤的质量。22.10.00041.960.000124.00.00081.500.00032建立有限元模型24.50.00121.290.000423.00.00201.080.0005采用通用有限元程序ABAQUS模拟锤、桩帽垫21.60.00240.720.0008层、桩、土之间的作用机理。钢筋混凝土方桩边长60016.60.00360.480.001011.30.00500
7、.220.0020mm,已经打入地面下10m,地面上还剩1m,桩截面配2.230.01000.100.0030筋如图3所示。硬木桩帽垫层厚200mm。锤击能14tm。锤击沉桩是一个土中应力场不断变化的复杂过程。从桩尖接触地表土开始,每锤击1次,桩都会下沉一个贯入度,直至沉到满足设计要求为止。而每锤击1次,地基土都会产生不同的应力场,且该应力场都是下一锤的初始应力场。最符合实际的模拟应该是沉桩全过程模拟,但是要耗费大量的计算时间,操作起来不可行。为了操作方便并较好地接近实际情况,建模时可在土中事先预留一
