《1101樁端樁側后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析.》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《1101樁端樁側后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析.（11頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、2 0 11年2月第1期總第17 2期中國港灣建設ChinaHarbourEngineeringFeb.,2011Total172,No.1樁端樁側后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析鄭愛榮1,肖大平2,諸葛愛軍1,陳舉1(1中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津3 0 0 2 2 2;2.中國建筑科學研究院，北京1 0 0 0 1 3 )摘要：在現場試樁試驗的基礎上，考慮土體的小應變剛度，應用Plaxis程序中的小應變硬化土模型，對樁端樁側聯合后注漿灌注樁的豎向承載性能進行有限元分 析。研究表明：有限元分析樁土作用時，應充分考

2、慮土體的小應變剛度；灌注樁 注漿后，樁土界面條件改善，樁側摩阻力提高明顯，相對位移減?。怀猎袒?樁端持力層強度的提高，使得樁端阻力明顯增大并且發(fā)揮提前，可以在較小的樁 端位移下發(fā)揮較大的樁端阻力，減少了樁體沉降量，提高了承載力，改善了灌注 樁的承載性能。關鍵詞：灌注樁；后注漿；承載性能；有限元分析；小應變硬化土模型中圖分類號：TU443文獻標志碼：A文章編號：1 003 3688 (2011) 01 0027 05Fi niteEleme ntAn alysis onV erticalBeari ngCapacityofBoredPilewithPile-toe， Pile-shaftan

3、dPost-groutingZHENGAi-rong1，XIAODa-ping2，ZHUGEAi-jun1 , CHENJu1(1.CCCCTianjinPortEngineeringlnstituteCo.， Ltd.，KeyLaboratoryofGeotech nicalE ngin eeri ngofMi nistryofCommunications，KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineeringofTianjin，Tianjin300222， China； 2.ChinaAcademyofBuildingResearch, Beijing100013，C

4、hina)Abstract：Basedonstaticloadtestresults，w ithconsiderationofthesmallstrainstiffnesscharacteristicofsoilsthebear ingcapacityofboredpileswithpiletoeandpileshaftpostgroutinghavebeena nalyzedusingHSsmallmodelofPlaxisprogram.Theanalysesrevealthatthesmall strainstiffnessofsoilisnotnegligib1e i n a n a

5、1 y z i n g Pi 1 e a n d s 0 i 1 i n te r a c ti 0nWi t h P 0 s t一g r 0 u t i n gth e i n te r f a c e b e tW e e n Pi 1 e a n d s u rr 0 u n d i n g s 0 i1 We re s tr e ngt h e n e d a n d t h e r e 1 a t i V e s 1 i di n g d is P 1 a ce m e n ti n b e t We e n Wa s re d u c e de n d re s is t anc

6、e 0 f P i 1 e Wa s e n h a n c e d a n d c 0 u 1 d b e m0 b i 1iz e d a t e a r 1 i e r s t a g e Wi th s m a 1 1 e rs 1 i d i ngd i s P 1 a c e m e n t A s a re s u 1 t 5 t h e P e r f 0r manc e 0 f b 0 r e d P i1 e Wa s i mP r 0 Ve d Wit h in cr e as e d b e a r in g c a P a c i t y a n dr e d u c

7、e d s e t t1 e men t Keyword：s：b 0 re:d P i 1 eb; P 0 s t -g r0ut i n gb e ari ngc a P a c i tyf i ni t e e1e me n t a n a1 ys isH S一s m a 1 1 m0 d e 10引言樁底沉渣和樁側泥皮是影響泥漿護壁鉆孔灌注樁樁端場試樁試驗的基礎上，分析 樁端樁側聯合后注漿灌注樁的豎向承載性能。1.1考慮小應變剛度的數值分析模型土體本構模型選擇 采用硬化土模型進行靜載試樁的有限元模擬，樁體沉 降量尤其加載初期沉降量往往大于實測值，為解決這個問 題，考慮小應變時土體剛度較大

8、，對比小應變硬化土模型（HSSmall）與一般硬化土模型（HS）計算結果，分析小應變剛度對樁基承載性能模擬的影響。阻力與樁側摩擦力發(fā)揮的兩個固有缺陷12，后注漿技術因對其具有良好的加固效果，應用越來越廣泛，后注漿灌注樁 承載性能和加固機理的研究也越來越深入37。本文應用二維有限元軟件PLAXISV8及其小應變硬化土模型，在現收稿日期：2 0 1 00 81 1作者 簡介：鄭愛榮（1 9 8 1）,女，碩士，工程師，主要從事地基處理、土工試驗方面的研究。281.1.1HS模型與HSSmall模型中國港灣建設2011年第1期化土模型的荷載沉降曲線進行對比，如圖3。相比較一般硬化土模型，考慮土的 小

9、應變剛度后，無論黏土還是砂土在加載初期沉降量計算結果都有明顯的降低， 最終沉降量也有一定程度的降低，說明此模型在解決靜載試樁數值模擬沉降量偏 大方面是有一定作用的。表1材料參數表材料本構模型 丫（/kNm-3）E50,Eoed/MPaEur/MPac/（kNm-2）硬化土模型以塑性理論為基礎，考慮了土體的剪脹性，并引入一個蓋帽型屈服 面，是一個可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型土體行為的先進模型8。其屈服面在主應力空間不是固定的，而是由于塑性應變的產生而膨脹。硬化土模型 包括土的兩種主要硬化方式，剪切硬化和壓縮硬化，前者主要用于模擬主偏量加 載帶來的不可逆塑性應變，后者用于模擬固結儀加載和各

10、向同性加載中主壓縮帶 來的不可逆塑性應變。PLAXISV8.4版本增加了小應變硬化土模型，該模型基于小應變水平下土體剛度 顯著高于一般工程應變水平下，結合小應變剛度與一般硬化土模型一同的剛度（如圖1）9黏土HS18501503024HSSmall185015030240.0002200HS1850150135砂土HSSmall18501501350.0002200樁LinerElastic2532500考慮土體變形性能。其準彈性切線剪切模量根據實際的剪切應力增量通過積分變 形曲線的割線剪切模量求得，當切線剪切模量小于循環(huán)加載剪切模量Gur時，設為常數，之后的剛度變形滿足硬化土模型的硬化塑性，如

11、圖2。該模型在硬化土模型參數的基礎上，添加了應力相關的小應變（應變小于10-6）剪切模量G0、剪切剛度為小應變剪切剛度0.7倍時的剪切應變丫0.7這兩個參數均可以通過試 驗求得。1剪切模量比G/G0refref（/） 丫0.7G0/MPa注：丫為重度；E50為三軸加載剛度；Eoed為固結儀加載剛度；Eur為三軸循環(huán)加 載剛度；c為黏聚力；為摩擦角，此后所有計算均取 丫0.7=0.0002Q/kN0510小應變S/mm1520253035黏土HS模型砂HS模型40000G0黏土HSSmall模型砂HSSmall模型1000200030004000500010-610-510-4剪切應變YS10-

12、310-210-1圖1試驗及工程應用典型應變范圍內土的剛度應變關系圖31.2計算模型樁的Q-S曲線2剪切模量G/(kN m-)30000根據球形擴張理論，樁端注漿加固體為以注漿壓力源20000為球心的球體10，壓力源為伸出樁端400mm的注漿閥。樁端注漿加固體直徑D為11:HSSmallHardi n-Dmevich110000GurD=6V+3d3(1)10-610-510-410-310-2式中：n為樁端土孔隙率；d為灌注樁直徑；V為注漿量。樁側注漿，在注漿位置形成漿泡，水泥固結體將泥皮層完全置換，并產生 擴徑 效應”樁土界面外擴至樁側水泥固結體與土體之間12。樁周土體通過注漿的 滲透固結

13、效應”充填擠密效應”劈裂加筋效應”強度也得以提、高13-14。設 界面強度折減系數為0.9,材料參數如表2、表3,軸對稱計算模型如圖4。丫0.7圖21.1.2小應變硬化土模型剛度應變關系模型對比分析設樁周土層均一，樁長10m，樁徑0.8m，材料參數如表1，對樁周土體分別采用小應變硬化土模型和一般硬2 0 11年第1期鄭愛榮，等：樁端樁側后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析表2材料參數表Eur/MPa21.36310557.394.532.1133.562.112071.732.112621086.1141.950.1255 c/(kN -m-2)2311282858128128356060424

14、28760 /(15.1353521.43514.8352135211738382338163829-材料名稱粉質黏土細砂粉細砂粉質黏土1砂質粉土3黏土細砂粉質黏土11細中砂112黏質粉土Y(/kN m-3)19.419.319.220.119.518.419.819.820.320.119.419.319.220.119.518.419.8E50，Eoed/MPa7.1213519.131.510.742.520.74023.910.7427028.747.316.785G0/MPa28.48414076.412642.817082.816095.642.8168280114.8189.26

15、6.8340粉質黏土細砂加固土體粉細砂粉質黏土1砂質粉土3黏土細砂表3材料名稱樁樁側加固體樁端加固體材料參數表丫 (kN -m-3)252121E/MPa325001000022000v 0.150.20.22后注漿灌注樁試樁試驗首都國際機場三號航站樓總建筑面積約96萬m2,采材料模型LinerElasticLinerElasticLinerElastic-7.7-10用泥漿護壁鉆孔灌注樁基礎，共布樁18000余根，為提高樁基承載力，通過樁端、樁側聯合注漿改善成樁質量，是國內建設項目中后注漿技術應用規(guī)模最大的 一次。樁端注漿量為1000kg，樁側依據樁長的不同采用不同的注漿方式，樁長在30m以

16、內的設1道樁側注漿，注漿量為600kg，樁長超過30m的設2道樁側注 漿，每道注漿量為400kg。粉質黏土樁側加固土體共進行了66根后注漿樁和6根非注漿樁的破壞性靜載試驗，部分樁型承載力特 征值平均值如表4,注漿后豎向承載力提高分別達144%,120%和97%。表4試樁承載力特征值樁受力型類型123抗壓抗壓抗壓持力層細砂細砂11細中砂-16細砂樁側水泥固結體-22-24粉細砂3黏土粉質黏土1砂質粉土粉質黏土樁端水泥固結體-25.5-27.5-30.5樁徑/mm80010001000未注漿承有效樁載力特征長/m值/kN252527.5205027503500注漿后承載力特征值/kN5000605

17、06900-36-40-44-47細砂粉質黏土33.1計算結果與分析計算結果與試驗結果對比為進一步對比HSSmall與HardingSoil模型，對樁端112黏質粉土11細中砂樁側聯合后注漿灌注樁（SD-TP2、5）分別采用兩種模型進行了有限元計算，灌 注樁的荷載沉降曲線和軸力分布結果如圖5、圖6。采用HSSmall本構模型的數值分析結果與圖4有限元計算模型30中國港灣建設2011年第1期實測值吻合較好，證明了此方法分析后注漿灌注樁承載性能的有效性，而相同荷 載下采用HS本構模型的沉降量則明顯偏大，進一步驗證了考慮土體的小應變剛 度的必要性。Q/kN0102030S/mm4050607080試

18、樁SD-TP2（后注漿）試樁SD-TP5（后注漿）試樁SD-TP2、5HSSmall模型計 算值試樁SD-TP2、5HS模型計算值未注漿）試樁NE-TP4（試樁NE-TP5（未注漿）-540008000120001600005軸力/kN25005000750010000-10埋深/m-15-201500020000-25-30圖5樁的Q-S曲線軸力/kN50500010000-5圖7-10埋深/m未注漿灌注樁軸力分布3.3-15樁端阻力發(fā)揮特性后注漿對樁端阻力發(fā)揮亦有較大影響，如圖8、圖9。當未注漿樁NE-TP4、5樁頂荷載超過8000kN后，樁端阻力曲線的斜率突然變 大，樁頂荷載的增量全部由

19、樁端阻力承擔。后注漿樁SD-TP2、5的樁端阻力與樁頂荷載的曲線斜率變化不明顯，這是由于樁側摩阻力未到達極限值，端阻力與側 阻力仍在同時增長的緣故。另外，相同樁端位移下，后注漿樁的樁端阻力明顯大 于未注漿樁，注漿樁只需較小的樁端位移就能發(fā)揮較大的端阻力，樁端阻力發(fā)揮試樁SD-TP5軸力實測值試樁SD-TP5軸力計算值-20-25-30提前，與樁側摩阻力發(fā)揮的時間差異性減小。50004000樁端阻力/kN 300020001000試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、5圖6后注漿灌注樁軸力分布3.2軸力傳遞特性不同加載階段樁身截面軸力沿樁體埋深分布如圖6、圖7。樁身截面軸力隨荷載的增加而增加，在

20、同一級荷載作用下隨深度增加逐漸減小，在不同的土層和不同 的加載階段遞減速率不同。其表現為軸力曲線的斜率存在差異，軸力曲線的斜率 反映了樁側阻力的大小，斜率越小，層面間軸力差越大，即樁側摩阻力越大15。對比注漿前后樁的軸力圖，當兩根試樁樁頂荷載接近最大加載值時，后注 漿灌注樁的軸力曲線斜率較未注漿樁小，表明注漿后，樁側土體的摩阻力比未注 漿時高。0300060009000荷載/kN120001500018000圖8樁端阻力與荷載關系2 0 11年第1期鄭愛榮，等：樁端樁側后注漿灌注樁豎向承載性能有限元分析樁端阻力/kN2000300031是由于后注漿大大的提高了樁周界面條件及樁側土體的極4000

21、500001000限摩阻力，從而提高了樁側摩阻力。4結論1） 考慮土體的小應變剛度，采用PLAXISHSSmall本構模型，可以減小靜載試樁 數值模擬加載初期沉降量，計算結果更接近于實測結果。2） 試樁試驗結果表明：樁端樁側聯合注漿灌注樁相比較未注漿灌注樁在豎向荷 載作用下沉降量明顯減小，承載力有較大程度的提高。3） 注漿后，樁周土體強度的提高及樁土界面條件的改善使得樁側摩阻力明顯增大，在較大的樁頂荷載下仍與樁端位移/mm1020試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、53040圖9樁端阻力與樁端位移關系3.4樁側摩阻力發(fā)揮特性樁側摩阻力與荷載、樁頂位移之間的關系如圖10、圖11。較小荷載作用下

22、，注漿前后樁側摩阻力差距較小，與荷載呈線性關系。加載至8000kN時，未注漿樁NE-TP4、5樁側摩阻力隨荷載增長變化減弱，沉降量突增，最終達到極限側摩阻 力，與圖5分析結果相吻合。后注漿樁SD-TP2、5加載過程中樁側摩阻力與樁頂 荷載基本保持線性關系，與樁頂位移關系曲線變化也較為平緩，未達峰值，這1200010000樁側摩阻力/kN8000600040002000試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、5荷載保持線性關系，并且減小了樁土的相對位移。4） 沉渣的加固及樁端持力層強度的提高，大大降低了樁端位移，只需較小的樁 端位移就能發(fā)揮較大的端阻力，發(fā)揮提前，與樁側摩阻力發(fā)揮的時間差異性減 小

23、，兩者可以更協(xié)調地承擔樁頂荷載，從而提高樁的豎向承載性能。參考文獻：1霍鳳民.淺析泥皮對鉆孔灌注樁承載力的影響J.地基基礎工程，2002，12（4）：35-39.2袁振，陳錦劍，王建華.樁端條件對灌注樁荷載傳遞特性的影響J.巖土力學，2006，27（8）：1398-1402.3BruceDA.EnhancingthePerformanceofLargeDiameterPilesby1986 19（4）:9- 15.GroutingJ.Gro undEn gi ngeeri ng,吳世明，包風.鉆孔灌注樁樁底后注漿機理與應用研究4張忠苗，J.巖土工程學報，1999, 21（6）：681-686.

24、包風，陳云敏.考慮材料應變軟化的球（柱）孔擴張理論5張忠苗，在樁底注漿中的研究J.巖土工程學報，2000,22（2）：243-246祝經成.泥漿護 壁鉆孔灌注樁后注漿技術及其應用J.6劉金礪，建筑科學，1996（2）:13-18.7黃生根，龔維明.超長大直徑樁壓漿后的承載性能研究J.巖土030006000900012000150001800（工程學報，2006，28（1）：114-117.8Scha nzT.ZurModellieru ngdesMecha nische nV erhalte nsvon Reib un gsmaterialen D.Habi litation:Stuttgar

25、tUniversitaat,1998.9Alpa nl.TheGeotec ni calPropertiesofSoilsJ.Earth-Scie nceReviews，1970（6）：5-49.荷載/kN圖10樁側摩阻力與荷載關系曲線樁側摩阻力/kN010樁頂位移/mm2030405003000600090001200010黃敏，張克緒，張爾齊嵌入砂或砂礫層中的樁底灌漿樁豎向2002，35（3）：77-81.承載性能研究J.土木工程學報，11朱向榮，張寒，孔清華鉆孔灌注樁樁端后注漿單樁極限承載力研究J.建筑科學，2006，22（6）：18-21.12高文生.后注漿灌注樁單群樁承載性狀的研究D.北京：中國建筑科學研究院，1997.13鄭愛榮.鉆孔灌注樁后注漿技術J中國港灣建設，2008（6）：46-49.14張友葩，吳順川，方祖烈.土體注漿后的性能分析J.北京科技2004，26（3）：240-243.大學學報，15劉金礪.樁基礎設計與計算M.北京：中國建筑工業(yè)出版社，試樁SD-TP2、5試樁NE-TP4、5圖11樁側摩阻力與樁頂位移關系曲線1994.