钢管-水泥土组合桩抗拔性能有限元分析.pdf

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1、冯建光(苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215137)摘要：钢管一水泥土组合桩较传统抗拔桩在荷栽传递和承栽力上有一定的优越性。借助于Ansys软件，就水泥土的力学特性及钢管表面特征分析其对组合桩特性的影响。关键词：组合桩；抗拔：有限元Abstract：Comparedwiththetraditionalupliftpile，steel-cementsoilmixingpilehascertainadvantagesinloadtransferandbearingcapacity．WiththehelpofAnsyssoftware，basingonth

2、emechanicalpropertiesofcementsoilandthesurfacecharacteristicofsteelpipe，theimpactoncharacteristicsofcompositepileisresearched．Keywords：compositepile；upliftresistance；finiteelement0引言作为一种传统的抗拔措施．等截面抗拔桩的应用相当广泛。在国外的抗拔桩基础设计中。大量地采用了等截面抗拔桩。抗拔桩主要依靠桩身与土层的摩擦力来提供抗拔力。1抗拔桩的破坏形态破坏形态分为四大基本类型[i

3、-2](1)沿桩一土侧壁界面剪破；(2)与桩长等高的倒圆锥台剪破；(3)复合剪切面剪破；(4)桩身被拉断。对传统的等截面抗拔桩而言．其破坏原因往往是由于桩周土未能提供足够的摩擦力．比较常见的破坏形态是沿桩一土侧壁界面剪破。钢管一水泥土组合桩的荷载传递机理f3】和破坏模式分为5种，见图1。图1中(a)、(c)两种破坏出现的可能性较小．其它各种破坏模式既可能单独发生。也可能以某种组合的形式发生。最为理想的破坏模式为以最经济的形式充分利用各种材料的强度．水泥土一土和钢管一水泥土界面的摩阻力得到充分发挥。形成整体承载力最佳组合。这种组合形式充分发挥了水泥土桩的优

4、点．且具备抗拔的-32-能力。扣+_舻圈1钢管水泥土组合桩5种破坏形式2单桩有限元模拟2．1计算模型建立采用三维有限元软件Ansys进行模拟删．水泥土的力学性能通过改变水泥掺人百分比的形式获得．水泥的掺入量直接影响到水泥土的各种力学性能，如抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角等都有很大的影响。用以分析不同水泥掺人百分比对钢管水泥土组合桩承载力的影响[51．具体参数设置见表l。钢管表面特征通过设置摩擦系数进行调整。2．2模拟方案通过ANSYS模拟钢管与水泥土的不同工况组合．研究各因素对组合桩承载能力和破坏模式的影‘·‘圭材墅型幽表1不同水泥掺■下

5、水泥土的参数响。模拟方案中的绝对不变因素有土体的性质．水泥土桩桩长10m、桩径0．6m、钢管长度6111、钢管厚度5mm、水泥土掺入比15％、光圆钢管。可变因素为水泥土掺入比、钢管表面特征。(1)水泥土掺入比：在其它相对不变因素一定的情况下，水泥掺人百分比分别取10％、15％、20％、25％。4种工况进行比较。(2)钢管表面特征：在其它相对不变因素一定的情况下，钢管分别取光圆钢管和螺纹钢管。2种工况进行比较。3水泥掺入百分比对组合桩抗拔承载性能的影响3．1荷载一位移曲线分析不同水泥掺人量下组合桩的上拔荷载一上拔位移量曲线如图2所示。∞l∞蓦∞竺∞IOO5

6、lo拍∞∞曲∞曲上●●tP，l■tEj阖l—l品ll十2mrl二=垡l图2不同水泥掺入■下组合桩的荷载一位移曲线图2显示每条曲线的变化趋势相似．但在曲线斜率上有很大变化。图3显示，极限荷载也随着水泥掺入量的增加而近似于等值增加。但增量不大。这主要是由于水泥掺入量增加后．水泥土本身的弹性模量、粘聚力、粘结力都会增加，所能提供的摩阻力和抵抗变形的能力也随之增强。由以上分析可知．水泥的掺入量在组合桩承载力的发挥上影响不大．因而建议工程中水泥掺入量以能够满足承压桩所需的配比即可。不同水泥掺人量的极限位移曲线见图4。与图3组合分析。在水泥掺入量增加、组合桩极限承载

7、力图3极限荷载随着水泥掺入比的变化圈4极限位移随■水泥掺入比的变化增大的趋势下，极限位移呈现减小的趋势，虽整体变化幅度不大．但改变水泥掺人量仍为控制组合桩竖向变形的有效方法。3．2钢管、水泥土工作状态分析3．2．1组合桩桩表荷载一位移曲线关系不同水泥掺入量时组合桩的桩表荷载位移曲线图见图5。由4组图相比较可以看出水泥土掺人量增加时，钢管与内桩的相对位移差改变很小。但钢管与外桩的相对位移差不断减小．钢管与桩周土的相对位移差也不断减小．这说明水泥掺入量的改变提高了组合桩的极限承载力．且对外桩承载能力的提高较明显。3．2．2组合桩的破坏模式分析由图5中四条曲线

8、的相互关系．便可以判断出其临界破坏型式。当内桩与钢管的曲线斜率保持基．，·i盎材