自平衡试桩法“自平衡点”位置确定有限元分析

自平衡试桩法“自平衡点”位置确定有限元分析摘要:自平衡试桩法具有测试吨位大、经济性好等优越性,对于当今大型桥梁结构物采用的超长桩基特别适用,因而得到广泛应用,然而由于加载方式的不同,自平衡试桩法测试结果也广受质疑,其中“自平衡点”位置是关键影响因素,本文通过工程实例给出了“自平衡点”位置确定的有限元分析方法,提供了一种解决办法。

关键词:自平衡试桩法自平衡点Abaqus

自平衡试桩法基本原理是是利用桩的侧阻与端阻互为反力,通过在桩身埋设荷载箱,沿垂直方向向上、向下加载,使桩上、下段同时达到极限从而得到桩基的极限承载力。由于加载方式的不同,自平衡试桩法优势明显,如测试吨位大、经济性好、测试方便、不受地形限制等;但也存在显著不足而受到相关学者质疑,如“自平衡点”位置确定的随意性、试验结果向传统静载荷数据转化问题、上段桩受力性状不同于传统静载荷试验法等。其中“自平衡点”位置确定尤为关键,“自平衡点”位置摆放不同得出的试验结果也千差万别。

目前,“自平衡点”位置确定的方法有规范经验值法、相似模拟试验法、自平衡点改进计算方法等,这些是方法都是利用经验统计分析得出的均值,无论如何精确选用,都难与测试的场地实际土质受力相符,“自平衡点“的位置也难以精确确定。计算机数值模拟分析方法能考虑实际地质条件,计算出的摩阻力接近于实际情况,能准确确定“自平

衡点”的位置。

本文将以某工程实例对“自平衡点”位置确定进行有限元分析。研究思路是先建立自平衡试桩法有限元数值模型,然后用实测数据验证所建模型的可靠性和参数取值的可行性,据此再建立另一桩长下的有限元模型,确定“自平衡点”位置,最后根据传统静载荷试验数据验证“自平衡点”位置确定的正确性。

1 工程概况

某跨越黄河的公铁两用桥,项目建设规模大,基础数量多,为节省桩基础工程数量、保证结构的安全可靠和施工的顺利,需要进行桩基静载试验。具体是传统静载荷试验(锚桩法)选用南、北岸各1根工程试桩;自平衡静载试验共设6根试桩,南、北岸原做4根,后各补做1根。本文选用南岸2根试桩进行分析,参数见表1。该地区地层以第四系河流相粉、细、中砂为主,其间多夹粉土、粉质粘土薄层或透镜体。

2 试桩有限元模拟分析

2.1 计算方法及假定

有限元软件Abaqus对于非常复杂的模型和高度非线性问题的处

理具有强健的计算功能和分析能力。本文采用Abaqus对超长基桩桩土相互作用进行模拟。在建模和计算过程中考虑主要因素,结合具体问题进行简化,做以下假定。

(1)竖向荷载作用下,试桩按二维平面轴对称问题进行分析,桩体采用轴对称八节点减缩单元(CAX8R)离散,土体采用轴对称四节点减缩单元(CAX4R)离散。

(2)土体的弹性模量和泊松比不因桩的存在而改变。

(3)桩土接触界面力学行为采用罚函数模拟,分析过程中桩土间的摩擦系数不变。

(4)桩仅考虑弹性,土体采用Mohr-Conlomb弹塑性模型,且为各向同性体。

(5)在有限元数值模拟中为满足边界条件,文中将土体分析区水平方向宽度取为桩长的1倍,桩端下的距离取为桩长的1倍。

2.2 计算参数及注意问题

(1)土层参数取值影响模型计算结果,本文合并相似土层,根据土力学公式计算各层土的计算参数,见表2。

(2)边界条件:在模型的两侧施加水平方向约束,底部施加水平和

垂直两个方向的位移约束。

(3)初始地应力平衡:将重力荷载先施加于模型,并施加相应的边界约束,计算得到在重力荷载下的应力场,再将得到的应力场和重力荷载一起施加于原始有限元模型,这样便得到了一个既满足平衡条件又不违背屈服准则的没有位移的初始应力场。

2.3 有限元模型的建立、结果分析及模型可靠性验证

根据以上内容和自平衡加载方式,建立2#试桩有限元模型,由计算结果绘制的Q～S曲线图见图1。

由图1可以看出,计算位移值与实测值基本吻合,因此所建自平衡试桩法的有限元模型是可靠的。

3 数值模拟法确定“自平衡点”位置

“自平衡点”位置的力学解释是自平衡试桩法中使桩自重加上段桩桩侧阻力的和与下段桩桩侧阻力加桩端阻力的和相等的荷载箱位置。

(1)预先给定桩基以荷载箱位置,即距桩端22.5m,建立1#试桩自平衡试桩加载模型,过程同2#试桩,在此不再赘述(与2#试桩属同一地区,

地质参数相同)。

(2)在上段桩桩底(平面A)和下段桩桩顶(平面B)同时施加等大的分级荷载,,则每级荷载对应一上端桩底上位移和下段桩底下位移;利用数据(Ni,sai;)绘制出自平衡试桩法的加载—面A/B位移曲线。

(3)若下段桩位移先发生剧变,则下段桩首先达到极限承载力,荷载箱位置较自平衡点位置偏下,则将荷载箱位置相应上移一距离,由于曲线发生剧变位置的荷载较大,改变荷载箱位置时不应步幅太大,取一较小值,这里取0.1L(L为超长桩桩长),即7.5m,此时据桩端30m,再次建立自平衡加载模型(采用命令流方法),可得到新“自平衡点”位置下(Ni,Sai,Sbi,;)和加载位移曲线。

(4)“自平衡点”位置利用二分法逼近,当与同时发生剧变时停止运算,可得荷载箱位置为25.26m,即处,此时的荷载箱位置即为此桩的“自平衡点”位置。

4 “自平衡点”位置确定可靠性验证

5 结语

(1)“自平衡点”位置确定是影响自平衡试桩法试验结果的关键因

素,传统计算“自平衡点”位置的方法都是利用经验统计分析得出的,难与测试的场地实际土质受力相符。计算机数值模拟分析方法能考虑实际地质条件,能利用有限元数值计算的方法较准确确定“自平衡点”位置。

(2)有限元方法计算可靠的关键是相关计算参数的选取,有条件可参照类似地质情况的实测试桩数据对模型加以验证,验证可靠性后可用于确定不同桩长的“自平衡点”位置。

参考文献

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