自平衡試樁法“自平衡點(diǎn)”位置確定有限元分析

1、自平衡試樁法“自平衡點(diǎn)”位置確定有限 元分析 作者： 楊雨厚 來源：科技資訊 2012 年第 18 期楊雨厚( 廣西交通科學(xué)研究院 南寧 530007)摘 要: 自平衡試樁法具有測試噸位大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)越性 , 對于當(dāng)今大型橋梁結(jié)構(gòu)物采用的 超長樁基特別適用 , 因而得到廣泛應(yīng)用 , 然而由于加載方式的不同 , 自平衡試樁法測試結(jié)果也廣受 質(zhì)疑, 其中“自平衡點(diǎn)”位置是關(guān)鍵影響因素 ,本文通過工程實(shí)例給出了“自平衡點(diǎn)”位置確定 的有限元分析方法 , 提供了一種解決辦法。關(guān)鍵詞 : 自平衡試樁法 自平衡點(diǎn) Abaqus中圖分類號 :U417 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1672- 3791(2

2、012)06(c)-0076-02自平衡試樁法基本原理是是利用樁的側(cè)阻與端阻互為反力 ,通過在樁身埋設(shè)荷載箱 , 沿垂直 方向向上、向下加載 , 使樁上、下段同時(shí)達(dá)到極限從而得到樁基的極限承載力。由于加載方式的 不同, 自平衡試樁法優(yōu)勢明顯 ,如測試噸位大、經(jīng)濟(jì)性好、測試方便、不受地形限制等 ;但也存在 顯著不足而受到相關(guān)學(xué)者質(zhì)疑 , 如“自平衡點(diǎn)”位置確定的隨意性、試驗(yàn)結(jié)果向傳統(tǒng)靜載荷數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)化問題、上段樁受力性狀不同于傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)法等。其中“自平衡點(diǎn)”位置確定尤為關(guān) 鍵, “自平衡點(diǎn)”位置擺放不同得出的試驗(yàn)結(jié)果也千差萬別。目前, “自平衡點(diǎn)”位置確定的方法有規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值法、相似模擬試驗(yàn)法、

3、自平衡點(diǎn)改進(jìn)計(jì)算 方法等 ,這些是方法都是利用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析得出的均值 , 無論如何精確選用 ,都難與測試的場地實(shí) 際土質(zhì)受力相符 , “自平衡點(diǎn)“的位置也難以精確確定。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析方法能考慮實(shí)際地 質(zhì)條件 , 計(jì)算出的摩阻力接近于實(shí)際情況, 能準(zhǔn)確確定“自平衡點(diǎn)”的位置。本文將以某工程實(shí)例對“自平衡點(diǎn)”位置確定進(jìn)行有限元分析。研究思路是先建立自平衡 試樁法有限元數(shù)值模型 , 然后用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建模型的可靠性和參數(shù)取值的可行性 , 據(jù)此再建 立另一樁長下的有限元模型 , 確定“自平衡點(diǎn)”位置 ,最后根據(jù)傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證“自平 衡點(diǎn)”位置確定的正確性。1 工程概況某跨越黃河的公鐵兩用

4、橋 ,項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模大 ,基礎(chǔ)數(shù)量多 , 為節(jié)省樁基礎(chǔ)工程數(shù)量、保證結(jié)構(gòu) 的安全可靠和施工的順利 , 需要進(jìn)行樁基靜載試驗(yàn)。具體是傳統(tǒng)靜載荷試驗(yàn) (錨樁法 ) 選用南、北 岸各 1 根工程試樁 ; 自平衡靜載試驗(yàn)共設(shè) 6根試樁 ,南、北岸原做 4根, 后各補(bǔ)做 1根。本文選用 南岸 2 根試樁進(jìn)行分析 , 參數(shù)見表 1。該地區(qū)地層以第四系河流相粉、細(xì)、中砂為主, 其間多夾粉土、粉質(zhì)粘土薄層或透鏡體。船3IE i刪1 ifj II A|Ip2 試樁有限元模擬分析2.1 計(jì)算方法及假定有限元軟件Abaqus對于非常復(fù)雜的模型和高度非線性問題的處理具有強(qiáng)健的計(jì)算功能和分 析能力。本文采用 Abaqus

5、對超長基樁樁土相互作用進(jìn)行模擬。在建模和計(jì)算過程中考慮主要因 素,結(jié)合具體問題進(jìn)行簡化，做以下假定。(1) 豎向荷載作用下，試樁按二維平面軸對稱問題進(jìn)行分析，樁體采用軸對稱八節(jié)點(diǎn)減縮單元(CAX8R)離散，土體采用軸對稱四節(jié)點(diǎn)減縮單元(CAX4R)離散。(2) 土體的彈性模量和泊松比不因樁的存在而改變。(3) 樁土接觸界面力學(xué)行為采用罰函數(shù)模擬，分析過程中樁土間的摩擦系數(shù)不變。(4) 樁僅考慮彈性，土體采用Mohr-Conlomb彈塑性模型，且為各向同性體。(5) 在有限元數(shù)值模擬中為滿足邊界條件，文中將土體分析區(qū)水平方向?qū)挾热闃堕L的1倍,樁端下的距離取為樁長的1倍。2.2 計(jì)算參數(shù)及注意問

6、題(1) 土層參數(shù)取值影響模型計(jì)算結(jié)果，本文合并相似土層，根據(jù)土力學(xué)公式計(jì)算各層土的計(jì)算參數(shù)，見表2。I：Mt.< <計(jì)rtiVI<i11電5JU SFiTK1!*i茁4(2) 邊界條件：在模型的兩側(cè)施加水平方向約束，底部施加水平和垂直兩個(gè)方向的位移約束。(3) 初始地應(yīng)力平衡：將重力荷載先施加于模型 ，并施加相應(yīng)的邊界約束，計(jì)算得到在重力荷 載下的應(yīng)力場，再將得到的應(yīng)力場和重力荷載一起施加于原始有限元模型 ，這樣便得到了一個(gè)既 滿足平衡條件又不違背屈服準(zhǔn)則的沒有位移的初始應(yīng)力場。2.3 有限元模型的建立、結(jié)果分析及模型可靠性驗(yàn)證根據(jù)以上內(nèi)容和自平衡加載方式，建立2#試樁有限

7、元模型，由計(jì)算結(jié)果繪制的QS曲線圖見圖1。由圖1可以看岀，計(jì)算位移值與實(shí)測值基本吻合 ，因此所建自平衡試樁法的有限元模型是可 靠的。3 數(shù)值模擬法確定“自平衡點(diǎn)”位置“自平衡點(diǎn)”位置的力學(xué)解釋是自平衡試樁法中使樁自重加上段樁樁側(cè)阻力的和與下段樁 樁側(cè)阻力加樁端阻力的和相等的荷載箱位置。(1) 預(yù)先給定樁基以荷載箱位置，即距樁端22.5m,建立1#試樁自平衡試樁加載模型，過程同2#試樁,在此不再贅述(與2#試樁屬同一地區(qū)，地質(zhì)參數(shù)相同)。(2) 在上段樁樁底(平面A)和下段樁樁頂(平面B)同時(shí)施加等大的分級荷載”則每級荷載對應(yīng)一上端樁底上位移和下段樁底下位移；利用數(shù)據(jù)(Ni,sai;)繪制岀自平

8、衡試樁法的加載一面A/B位移曲線。(3) 若下段樁位移先發(fā)生劇變，則下段樁首先達(dá)到極限承載力，荷載箱位置較自平衡點(diǎn)位置偏下，則將荷載箱位置相應(yīng)上移一距離，由于曲線發(fā)生劇變位置的荷載較大，改變荷載箱位置時(shí)不應(yīng)步幅太大，取一較小值，這里取0.1L(L為超長樁樁長),即7.5m,此時(shí)據(jù)樁端30m,再次建立自平衡 加載模型(采用命令流方法),可得到新“自平衡點(diǎn)”位置下 (Ni,Sai,Sbi,;) 和加載位移曲線。(4) “自平衡點(diǎn)”位置利用二分法逼近，當(dāng)與同時(shí)發(fā)生劇變時(shí)停止運(yùn)算，可得荷載箱位置為25.26m,即處，此時(shí)的荷載箱位置即為此樁的“自平衡點(diǎn)”位置。4 “自平衡點(diǎn)”位置確定可靠性驗(yàn)證iAN

9、a fii .'I r- -<| ,1. ill ft 鍛 Tj Aj (J, - Z V橋51 露附 Al(Z -<?-*Z* II <； mV., /, ff.r ,科VI；和T*>點(diǎn)實(shí)at aim隠力袈可稈邛is赴歸葉ikm康is力氧*u聽予再 由套3屮 E|雀凝* IH打町.7 *時(shí).g = M144 o?Jt , <?,. -Ur56M.V，就対平 Ml 點(diǎn)0 ft F 69,就葉胖息檜 J：林"邛盤l3T117i河ft h flSJOctM.vd Qti iufj.fju-iMaar,即平M Aft 也!£, 5B«

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