泥浆护壁过程及效果的有限元分析_温世游
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在某地层中采用桩长 14.6m , 600 的钻孔灌注 桩基础 , 地下水位线位于地下 3m 。 土层的参数见表 3 。采用 15 节点的轴对称有限元计算方法和摩尔 库仑屈服准则 。 各土层对应的 K 0 =0.577 、0.412 、
0.398 , 模拟钻孔过程中 , 泥浆浓度由大到小的变化 过程 , 为现场施工确定合理的泥浆浓度范围 。 为简 化起见 , 假设各部位泥浆的浓度是一致的 , 也可以根 据土层的要求 , 建模时采取不同地层浓度比重有所 差别 。钻孔断面如图 1 所示 。
最大位移为 2.05 ×10-3m 图 5 沿桩身侧向土体的位移分布
最大位移为 1.65 ×10 -3m 图 9 沿桩身侧向土体的位移分布
最大超静孔压为 15.33kPa 图 6 超静孔压(负)分布
没有产生塑性带 , 只有局部点达到塑性状态 。 从图 8 可见 , 中间土层的超静孔压较大 , 尤其是
位移发生在孔底 , 不到 1mm , 位移 主要发生在水平
方向(向孔内)和竖直方向(向孔外), 桩身进一步缩
小 。中间土层的超静孔压较小 , 最大值在靠近第一
土层分界面处(图略)。
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 14 计算土层的塑性区分布
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 12 计算土层的塑性区分布
泥浆护壁过程及效果的有限元分析 ——— 温世游 , 等
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 2 计算土层的塑性区分布
塑性破坏 , 土体向孔内滑塌 。 从图 5 桩身侧向土体 的位移分布可见 , 最大位移超过 2mm 。从图 6 可见 , 中间土层的超静孔压很大 , 尤其是在靠近土层分界 面处 , 可见浓度过大 。 2.2.3 护壁泥浆浓度比重为 1.4
最大位移为 7.7 ×10 -4m 图 15 沿桩身侧向土体的位移分布
表 3 计算 土层分布情况
土层编号 土层名称
厚度
m
γd (kN·m-3)
γ (kN·m -3)
泊松比 v
E MPa
1
填土
5
17
20
0.34
8
2
粘土
7
16
19
0.35
10
3
砂质粘土
20
18
21
0.35
14
c
φ
ψ
kPa
(°)
(°)
2
25
0
10
31
0
2
36
7
2.2 各种泥浆浓度下钻孔的有限元模拟 2.2.1 只有地下水的情形
某工地钻孔桩严格按“DBJ -08 -202 -92”规程 有关条文进行泥浆密度的控制 , 该规程对泥浆控制 的有关参数见表 1[ 3] 。
但经过 6 个孔的实施均未获得成功 , 即使泥浆 浓度比重后来调整到 1.24 , 也未获成功 。表 2 汇总 了一些实际工程的护壁泥浆的浓度比重范围 。
第一作者 :温世游 男 1976 年 3 月生 博士研究生 收稿日期 :2002 -08 -21
工业建筑 2003 年第 33 卷第 5 期
逐渐缩小 。 中间土层的超静孔压较大 , 尤其是在靠 近第一土层分界面处(图略)。
分布可见 , 最大位移发生在水平方向靠近孔底部位 , 不到 0.8mm , 位移主要发生在水平方向(向孔内)和 竖直方向(向孔外), 桩身进一步缩小 。中间土层的 超静孔压较小 , 最大值在靠近第二土层分界面处(图 略)。
杭州 、宁波等 沿海地区广泛 分布着厚 约 20 ～ 60m 的软土地基 。 在软土地基上建造高层建筑及大 跨度厂房等 , 80 %以上采用的是钻孔灌注桩基础 , 桩 持力层为砾石层 、基岩或粘土层 。 钻孔灌注桩在施 工过程中容易发生缩颈 、塌孔 、起皮等现象 , 需要采 取泥浆护壁措施 。泥浆护壁的效果与桩侧摩阻力密 切相关 , 李峰[ 1] 通过工程实例分析了泥浆浓度与侧 摩阻力的关系 。 泥浆过稀会使钻进速度加快 , 但对 护壁不利 , 可能造成塌孔 ;泥浆过稠会使钻进速度减 慢 , 使泥皮过厚 , 造成承载力降低 。 因此 , 合理控制 泥浆质量至关重要 。 规范对钻孔泥浆的相关参数有 相应的规定 , 不同的地层和不同的钻进工艺对泥浆 密度的要求是不同的 。例如 , 正循环钻进和泵吸反 循环钻进对泥浆密度的要求就有较大差别 。因此 , 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94 -94)规定的泥浆密度 范围 1.1 ～ 1.15g cm3 , 对泵吸反循环钻进和一般地 层太大 , 但对正循环钻进塌坍层又偏小 。 研究和实 践表明 , 钻进速度随泥浆密度的增大而降低 , 孔深时 尤为明显 。对钻孔灌注桩中的稳定性问题也主要体 现在泥浆的护壁上 。 在坍塌底层 , 应适当提高泥浆 密度 , 以维持压力平衡 。 泥浆比重大 , 利于排渣 , 而 且可以有效地平衡地层侧压力和地下水压力 , 防止
46 Industrial Construction Vol .33, No .5 , 2003
孔壁坍塌 , 造成扩孔或塌孔 。 但是泥浆比重过大 , 往 往会大幅度降低钻进效率 ;如果清孔不彻底 , 易产生 过量的沉渣 。
1 规范 、规程中存在的问题 “JGJ 94 -94”规范中第 6.3.1 条所提泥浆性能
最大位移为 1.29 ×10-3m
图 11 沿桩身侧向土体的位移分布
2.2.5 护壁泥浆浓度比重为 1.2
从图 12 可见 , 当钻孔护壁泥浆浓度比重又逐渐
减小到 1.2 时 , 钻孔的底部土层没有产生塑性带 , 局
部点也没有达到临界状态 , 钻孔的受力进一步得到
改善 。从图 13 桩身侧向土体的位移分布可见 , 最大
工业建筑 2003 年第 33 卷第 5 期
施工状态
成孔 清孔
表 1 泥浆浓度比重控制参数
入口泥浆
比重
粘度 s
≤1.15
18 ～ 22
≤1.15
出口泥浆
比重
粘度 s
≤1.3
20 ～ 26
≤1.15
18 ～ 22
表 2 工程中钻孔护壁泥 浆浓度
工程名称
桩长 m
桩径 持力层 m
钻孔时的泥浆 清孔时的泥浆 浓度比重范围 浓度比重范围
FEM ANALYSIS OF THE PROCEDURE AND EFFECT OF SLURRY SUPPORT
Wen Shiyou Chen Yunmin Tang Xiaowu (Institute of Geotechnical Engineering , Zhejiang University Hangzhou 310027)
无锡商业 大厦
69.5
900
细砂 、 中密
粘土层 1.1～ 1.2, 软 弱 层 和 细 砂 层 1.3 ～ 1.5
建行咸阳
支行营业 30 33 综合主楼
700
砂土层 起始 1.6～ 1.7 , (很厚)到 1.4 ～ 1.45
后
降
1.2
某水闸职 工宿舍楼
14.6
600 700
汕头货检 23 600
在靠近土层分界面处 , 从图 9 桩身侧向土体的位移 分布可见 , 最大位移达 1.65mm , 位移主要发生在水 平方向(向孔外)和垂直方向(向孔外)。 2.2.4 护壁泥浆浓度比重为 1.3
48
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□号字张拉破坏点 图 10 计算土层的塑性区分布
从图 10 可见 , 当钻孔护壁泥浆浓度比重逐渐减 小到 1.3 时 , 钻孔底部的土层没有产生塑性带 , 只在 局部点可能达到临界状态 。 从图 11 桩身侧向土体 的位移分布可见 , 最大位移达 1.29mm , 位移主要发 生在水平方向(向孔外)和竖直方向(向孔外), 桩身
泥浆护壁过程及效果的有限元分析
温世游 陈云敏 唐晓武
(浙江大学 岩土工程研究所 杭州 310027)
摘 要 :在指出规范 、规程中关于泥浆论述的不合 理性和某工 程失败的 基础上 , 提出 采用有 限元方法 来 模拟泥浆护壁的过程和效果 , 既可以节省大量的前期试验费用 , 又能 给泥浆护壁 提供合理 的浓度范围 。 通过 实例分析发现 , 钻孔过程中泥浆的浓度变化在不断地改变钻孔 的受力状态 和变形规 律 。 在前期钻 孔阶段 , 泥 浆浓度比重可以在 1.3 ～ 1.4 范围 ;在后期清孔阶段 , 尽可能地控制在 1.1～ 1.2 范围 。 关键词 :泥浆护壁 有限元分析 泥浆浓度比重 泥浆浓度范围
模型如图 3 所示(下同)。 从图 7 可见 , 当钻孔 护壁泥浆浓度比重减小到 1.4 时 , 钻孔底部的土层
47
图 3 钻孔断面模型
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 7 计算土层的塑性区分布
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 4 计算土层的塑性区分布
最大超静孔压为 10.31kPa 图 8 超静孔压(负)分布
指标明确是“膨润土泥浆” , 而施工现场极少采用膨 润土制浆 , 大都是高岭土泥浆 , 实无必要专门列出膨 润土泥浆的性能指标 。第 6.3.2.3 条要求“ 浇注混 凝土前 , 孔底 500mm 以内的泥浆比重应小于 1.25 ; 含砂 率 ≤8 %;粘 度 ≤28s” ;实 际 上 专 门 取 孔 底 500mm 内的泥浆测试也比较困难 , 尤其是深长桩[ 2] 。
从图 2 可见 , 当钻孔不进行护壁时 , 钻孔的底部 和上部的薄弱土层发生破坏 , 向孔内滑塌 , 可见必须 进行泥浆护壁 。
图 1 钻孔断面模型
2.2.2 护壁泥浆浓度比重为 1.5 模型简化成图 3 所示 。 从图 4 可见 , 当钻孔护
壁泥浆浓度比重达到 1.5 时 , 钻孔的底部土层产生
场办公楼 37 700
上海华富 59.9 58.9 800
大厦
49 600
粉质 粘土层 1.1～ 1.3, 砂 粘土 夹卵石层 1.3～ 1.5
1.1
灰色 粘土
粘土层 1.15 ～ 1.25 , 砂层 1.3～ 1.5
1.18 ～ 1.25
粉砂
1.4 ～ 1.6
1.14 ～ 1.17
大量的工程实践表明 , 钻孔灌注桩护壁泥浆的 浓度比重具有很强的差异性 。
Hale Waihona Puke Baidu
2 泥浆护壁过程及效果的有限元分析 从上面工程事故中 , 给我们提出这样一个问题 ,
做了大量的泥浆护壁试验都遭到失败 , 无法满足稳 定性的要求 , 能否在试验之前根据土层信息合理地 提出一个尽可能范围小的泥浆浓度范围 , 这样既可 以减少试验的工作量降低工程成本 , 又能够做到满 足稳定性的要求 , 这其实就是一个信息化施工的问 题 。 侯锦 , 等[ 4] 专门就泥浆问题建立了数据库系统 进行泥浆的管理和控制 。以往人们对泥浆浓度的选 取 , 主要是依据规范和经验 , 结合现场试验来进行 , 很少从力学机理角度 通过有限元模拟的方法 来分 析 。 本文根据整个过程中泥浆浓度逐渐减小的工程 特点 , 将现场泥浆的护壁和变化的过程通过有限元 方法进行模拟分析 。 2.1 模拟的土层参数
Abstract :On the basis of the analysis of irrational regulations of the standards and the failure of a certain project, the FEM method is put forward to simulate the procedure and effect of slurry support .It can not only save lots of experimental expenses in the prophase but also provide a reasonable density range with slurry support .It is found that the mechanical behavior and deformation mechanism vary during the change of the slurry density .At the prophase , the density of slurry is 1.3～ 1.4 and then 1.1 ～ 1.2 at the later stage during cleaning . Keywords :slurry support FEM analy sis density of slurry density range of slurry
0.398 , 模拟钻孔过程中 , 泥浆浓度由大到小的变化 过程 , 为现场施工确定合理的泥浆浓度范围 。 为简 化起见 , 假设各部位泥浆的浓度是一致的 , 也可以根 据土层的要求 , 建模时采取不同地层浓度比重有所 差别 。钻孔断面如图 1 所示 。
最大位移为 2.05 ×10-3m 图 5 沿桩身侧向土体的位移分布
最大位移为 1.65 ×10 -3m 图 9 沿桩身侧向土体的位移分布
最大超静孔压为 15.33kPa 图 6 超静孔压(负)分布
没有产生塑性带 , 只有局部点达到塑性状态 。 从图 8 可见 , 中间土层的超静孔压较大 , 尤其是
位移发生在孔底 , 不到 1mm , 位移 主要发生在水平
方向(向孔内)和竖直方向(向孔外), 桩身进一步缩
小 。中间土层的超静孔压较小 , 最大值在靠近第一
土层分界面处(图略)。
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 14 计算土层的塑性区分布
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 12 计算土层的塑性区分布
泥浆护壁过程及效果的有限元分析 ——— 温世游 , 等
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 2 计算土层的塑性区分布
塑性破坏 , 土体向孔内滑塌 。 从图 5 桩身侧向土体 的位移分布可见 , 最大位移超过 2mm 。从图 6 可见 , 中间土层的超静孔压很大 , 尤其是在靠近土层分界 面处 , 可见浓度过大 。 2.2.3 护壁泥浆浓度比重为 1.4
最大位移为 7.7 ×10 -4m 图 15 沿桩身侧向土体的位移分布
表 3 计算 土层分布情况
土层编号 土层名称
厚度
m
γd (kN·m-3)
γ (kN·m -3)
泊松比 v
E MPa
1
填土
5
17
20
0.34
8
2
粘土
7
16
19
0.35
10
3
砂质粘土
20
18
21
0.35
14
c
φ
ψ
kPa
(°)
(°)
2
25
0
10
31
0
2
36
7
2.2 各种泥浆浓度下钻孔的有限元模拟 2.2.1 只有地下水的情形
某工地钻孔桩严格按“DBJ -08 -202 -92”规程 有关条文进行泥浆密度的控制 , 该规程对泥浆控制 的有关参数见表 1[ 3] 。
但经过 6 个孔的实施均未获得成功 , 即使泥浆 浓度比重后来调整到 1.24 , 也未获成功 。表 2 汇总 了一些实际工程的护壁泥浆的浓度比重范围 。
第一作者 :温世游 男 1976 年 3 月生 博士研究生 收稿日期 :2002 -08 -21
工业建筑 2003 年第 33 卷第 5 期
逐渐缩小 。 中间土层的超静孔压较大 , 尤其是在靠 近第一土层分界面处(图略)。
分布可见 , 最大位移发生在水平方向靠近孔底部位 , 不到 0.8mm , 位移主要发生在水平方向(向孔内)和 竖直方向(向孔外), 桩身进一步缩小 。中间土层的 超静孔压较小 , 最大值在靠近第二土层分界面处(图 略)。
杭州 、宁波等 沿海地区广泛 分布着厚 约 20 ～ 60m 的软土地基 。 在软土地基上建造高层建筑及大 跨度厂房等 , 80 %以上采用的是钻孔灌注桩基础 , 桩 持力层为砾石层 、基岩或粘土层 。 钻孔灌注桩在施 工过程中容易发生缩颈 、塌孔 、起皮等现象 , 需要采 取泥浆护壁措施 。泥浆护壁的效果与桩侧摩阻力密 切相关 , 李峰[ 1] 通过工程实例分析了泥浆浓度与侧 摩阻力的关系 。 泥浆过稀会使钻进速度加快 , 但对 护壁不利 , 可能造成塌孔 ;泥浆过稠会使钻进速度减 慢 , 使泥皮过厚 , 造成承载力降低 。 因此 , 合理控制 泥浆质量至关重要 。 规范对钻孔泥浆的相关参数有 相应的规定 , 不同的地层和不同的钻进工艺对泥浆 密度的要求是不同的 。例如 , 正循环钻进和泵吸反 循环钻进对泥浆密度的要求就有较大差别 。因此 , 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94 -94)规定的泥浆密度 范围 1.1 ～ 1.15g cm3 , 对泵吸反循环钻进和一般地 层太大 , 但对正循环钻进塌坍层又偏小 。 研究和实 践表明 , 钻进速度随泥浆密度的增大而降低 , 孔深时 尤为明显 。对钻孔灌注桩中的稳定性问题也主要体 现在泥浆的护壁上 。 在坍塌底层 , 应适当提高泥浆 密度 , 以维持压力平衡 。 泥浆比重大 , 利于排渣 , 而 且可以有效地平衡地层侧压力和地下水压力 , 防止
46 Industrial Construction Vol .33, No .5 , 2003
孔壁坍塌 , 造成扩孔或塌孔 。 但是泥浆比重过大 , 往 往会大幅度降低钻进效率 ;如果清孔不彻底 , 易产生 过量的沉渣 。
1 规范 、规程中存在的问题 “JGJ 94 -94”规范中第 6.3.1 条所提泥浆性能
最大位移为 1.29 ×10-3m
图 11 沿桩身侧向土体的位移分布
2.2.5 护壁泥浆浓度比重为 1.2
从图 12 可见 , 当钻孔护壁泥浆浓度比重又逐渐
减小到 1.2 时 , 钻孔的底部土层没有产生塑性带 , 局
部点也没有达到临界状态 , 钻孔的受力进一步得到
改善 。从图 13 桩身侧向土体的位移分布可见 , 最大
工业建筑 2003 年第 33 卷第 5 期
施工状态
成孔 清孔
表 1 泥浆浓度比重控制参数
入口泥浆
比重
粘度 s
≤1.15
18 ～ 22
≤1.15
出口泥浆
比重
粘度 s
≤1.3
20 ～ 26
≤1.15
18 ～ 22
表 2 工程中钻孔护壁泥 浆浓度
工程名称
桩长 m
桩径 持力层 m
钻孔时的泥浆 清孔时的泥浆 浓度比重范围 浓度比重范围
FEM ANALYSIS OF THE PROCEDURE AND EFFECT OF SLURRY SUPPORT
Wen Shiyou Chen Yunmin Tang Xiaowu (Institute of Geotechnical Engineering , Zhejiang University Hangzhou 310027)
无锡商业 大厦
69.5
900
细砂 、 中密
粘土层 1.1～ 1.2, 软 弱 层 和 细 砂 层 1.3 ～ 1.5
建行咸阳
支行营业 30 33 综合主楼
700
砂土层 起始 1.6～ 1.7 , (很厚)到 1.4 ～ 1.45
后
降
1.2
某水闸职 工宿舍楼
14.6
600 700
汕头货检 23 600
在靠近土层分界面处 , 从图 9 桩身侧向土体的位移 分布可见 , 最大位移达 1.65mm , 位移主要发生在水 平方向(向孔外)和垂直方向(向孔外)。 2.2.4 护壁泥浆浓度比重为 1.3
48
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□号字张拉破坏点 图 10 计算土层的塑性区分布
从图 10 可见 , 当钻孔护壁泥浆浓度比重逐渐减 小到 1.3 时 , 钻孔底部的土层没有产生塑性带 , 只在 局部点可能达到临界状态 。 从图 11 桩身侧向土体 的位移分布可见 , 最大位移达 1.29mm , 位移主要发 生在水平方向(向孔外)和竖直方向(向孔外), 桩身
泥浆护壁过程及效果的有限元分析
温世游 陈云敏 唐晓武
(浙江大学 岩土工程研究所 杭州 310027)
摘 要 :在指出规范 、规程中关于泥浆论述的不合 理性和某工 程失败的 基础上 , 提出 采用有 限元方法 来 模拟泥浆护壁的过程和效果 , 既可以节省大量的前期试验费用 , 又能 给泥浆护壁 提供合理 的浓度范围 。 通过 实例分析发现 , 钻孔过程中泥浆的浓度变化在不断地改变钻孔 的受力状态 和变形规 律 。 在前期钻 孔阶段 , 泥 浆浓度比重可以在 1.3 ～ 1.4 范围 ;在后期清孔阶段 , 尽可能地控制在 1.1～ 1.2 范围 。 关键词 :泥浆护壁 有限元分析 泥浆浓度比重 泥浆浓度范围
模型如图 3 所示(下同)。 从图 7 可见 , 当钻孔 护壁泥浆浓度比重减小到 1.4 时 , 钻孔底部的土层
47
图 3 钻孔断面模型
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 7 计算土层的塑性区分布
◆摩尔 -库仑塑性点 ;□张拉破坏点 图 4 计算土层的塑性区分布
最大超静孔压为 10.31kPa 图 8 超静孔压(负)分布
指标明确是“膨润土泥浆” , 而施工现场极少采用膨 润土制浆 , 大都是高岭土泥浆 , 实无必要专门列出膨 润土泥浆的性能指标 。第 6.3.2.3 条要求“ 浇注混 凝土前 , 孔底 500mm 以内的泥浆比重应小于 1.25 ; 含砂 率 ≤8 %;粘 度 ≤28s” ;实 际 上 专 门 取 孔 底 500mm 内的泥浆测试也比较困难 , 尤其是深长桩[ 2] 。
从图 2 可见 , 当钻孔不进行护壁时 , 钻孔的底部 和上部的薄弱土层发生破坏 , 向孔内滑塌 , 可见必须 进行泥浆护壁 。
图 1 钻孔断面模型
2.2.2 护壁泥浆浓度比重为 1.5 模型简化成图 3 所示 。 从图 4 可见 , 当钻孔护
壁泥浆浓度比重达到 1.5 时 , 钻孔的底部土层产生
场办公楼 37 700
上海华富 59.9 58.9 800
大厦
49 600
粉质 粘土层 1.1～ 1.3, 砂 粘土 夹卵石层 1.3～ 1.5
1.1
灰色 粘土
粘土层 1.15 ～ 1.25 , 砂层 1.3～ 1.5
1.18 ～ 1.25
粉砂
1.4 ～ 1.6
1.14 ～ 1.17
大量的工程实践表明 , 钻孔灌注桩护壁泥浆的 浓度比重具有很强的差异性 。
Hale Waihona Puke Baidu
2 泥浆护壁过程及效果的有限元分析 从上面工程事故中 , 给我们提出这样一个问题 ,
做了大量的泥浆护壁试验都遭到失败 , 无法满足稳 定性的要求 , 能否在试验之前根据土层信息合理地 提出一个尽可能范围小的泥浆浓度范围 , 这样既可 以减少试验的工作量降低工程成本 , 又能够做到满 足稳定性的要求 , 这其实就是一个信息化施工的问 题 。 侯锦 , 等[ 4] 专门就泥浆问题建立了数据库系统 进行泥浆的管理和控制 。以往人们对泥浆浓度的选 取 , 主要是依据规范和经验 , 结合现场试验来进行 , 很少从力学机理角度 通过有限元模拟的方法 来分 析 。 本文根据整个过程中泥浆浓度逐渐减小的工程 特点 , 将现场泥浆的护壁和变化的过程通过有限元 方法进行模拟分析 。 2.1 模拟的土层参数
Abstract :On the basis of the analysis of irrational regulations of the standards and the failure of a certain project, the FEM method is put forward to simulate the procedure and effect of slurry support .It can not only save lots of experimental expenses in the prophase but also provide a reasonable density range with slurry support .It is found that the mechanical behavior and deformation mechanism vary during the change of the slurry density .At the prophase , the density of slurry is 1.3～ 1.4 and then 1.1 ～ 1.2 at the later stage during cleaning . Keywords :slurry support FEM analy sis density of slurry density range of slurry