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支盘式锚杆静压桩成桩工艺及承载力分析

发布者:admin 发布时间:2017-12-19

余浪,刘琼莲,胡玉华

(昆明市政工程设计科学研究院有限公司,昆明,6501100

摘要:本文通过了理论分析、数值模拟、经验公式验算等方法对支盘式锚杆静压桩在过江隧道止沉工程中的应用进行了研究并得出了如下结论:

1)首次使用了支盘式锚杆静压桩这一新型桩型处理隧道下卧层软基;详细介绍了该桩的成桩工艺流程、压浆机理并分析了其优缺点

2)通过单桩模型分析,进一步证明支盘式锚杆静压桩相比于普通锚杆静压桩有承载力较大和沉降量较小的优点;并采用单一因素变量分析了不同土层参数对其承载性能的影响。

 

0引言:

本文所研究的支盘式锚杆静压桩结合了一般挤扩支盘桩和桩端后注浆桩的特点,即普通锚杆静压桩桩内预留PVCPolyvinylchlorid)管道,桩身桩端预留小孔,使用静压法施工后沿预留孔注浆形成桩身支盘和桩端扩大头。支盘式锚杆静压桩在处理隧道软基处理中的突出优点有能在狭小空间运用、能利用结构原有重量进行静压、有较高的可靠性,这对隧道安全是有重大的保证的。支盘式锚杆静压桩基础在地铁隧道纵向沉降处理中的应用研究,是非常有价值而且必要的。

魏欢研究了独立基础的承载性能,对锚杆静压桩挤土位移及卸土时单桩承载力进行了建模分析。詹金林通过对锚杆静压桩工法理论研究总和现场施工经验总结,综合提出减小锚杆静压桩挤土效应及附加沉降的方法。李韬对采用锚杆静压桩桩基处理的某烂尾楼工程进行了地基处理方案的优化,研究了施工后的桩土应力比及该基础的安全性讨论。

 

1支盘式锚杆静压桩简介

1.1支盘式锚杆静压桩的成桩工艺

本文主要对隧道沉降进行处理研究,隧道内不适合开挖大孔径灌注桩对隧道下卧层产生较大的扰动,且隧道已建成并通车,则采用的施工方法为锚杆静压法。选取的桩型为预制刚性管桩,为后压入桩,无法使用挤扩的方法来形成桩身支盘,只能采用后压浆技术。后压浆形成的桩身支盘使其具备支盘桩的承载优势,支盘增加了浆液对桩周土的填充性,提高桩土作用的可靠性;形成的单桩扩大头可减小单桩对土层的刺入、减小后期沉降。

施工流程为:在已建隧道中,分节按锚杆静压施工方法一节一节压入预制桩,该预制桩中心留有压浆管道,管为PVC管,桩身距桩端3m6m处分别预留有对称4孔,桩顶加压压浆,得到桩身支盘及桩端扩大头,具体工序分为三个阶段,第一个阶段为将花管伸入到桩端采取渗透压浆压入混凝土浆液,在桩端和桩侧形成浆液凝固的薄壁,这阶段的桩端后压浆一般可提高15%20%的桩基承载力;第二个阶段为采用压密压浆的方法,混凝土浆液在桩端挤压形成扩大头;第三个阶段为将花管提升到桩身预留孔处,反复进行压密压浆形成桩身混凝土支盘,最终能提升60%100%的桩身承载力。而支盘、扩大头大小可由压密压浆机理分析(如图1

 

 

1  支盘式锚杆静压桩成桩流程图

1.2 桩端(底)后压浆机理

1)桩端后压浆在桩底形成了一个稳定的混凝土扩大体,桩端的有效面积得到扩充,能减小桩端应力,从而减缓桩对土层的刺入,更好的利用桩端土的承载能力。后压浆对土层也有压密作用,从而进一步提升了桩的承载能力。

2)压浆力相当于形成了预应反力,从而提升了桩的端阻力和摩阻力。

3)桩端后压浆的浆液会沿着桩身向上上升一段距离,浆液增大了土体和桩的接触,提升了侧摩阻力。

4)在群桩基础中采用后压浆技术,相当于在群桩的桩端形成了一个土质坚硬的。在隧道底板下采用群桩基础,群桩由于各基桩沉降值会有差异,导致群桩基础沉降不均匀,而差异沉降和过大沉降是隧道整体的稳定性所不允许的,但桩端压浆相当于人为地固化了桩端持力层并使其强度提高,最终桩基础和隧道结构的共同沉降值更小并且均匀。

 

2.1.3 桩身(侧)后压浆机理

1)在桩身预留注浆孔,在预留孔周围,采用反复压密压浆的方法,可形成盘状的桩身混凝土支盘,支盘具备一定的端阻力,可增加桩的极限承载力。较之现有的桩侧后压浆技术有能提高桩身可靠性的优势。 

2)桩侧压浆口上下一定范围内,浆液会凝固形成一层薄膜,这层薄膜和桩身支盘及桩本身共同承担桩所受荷载。不但使桩土接触面更为粗糙紧密,并且“扩大”了桩身注浆口的有效截面积,同时新增了盘阻了和增大了侧摩阻力。

 

1.3支盘式锚杆静压桩的优缺点

支盘式锚杆静压桩为锚杆静压桩采用后压浆工艺而衍生的一种新型桩,融合了锚杆静压桩和支盘桩的许多优点,同时也存在着它的局限性。

通过反复后压浆形成的桩身支盘和扩大头,可提高浆液对桩周土的填充性、桩身受力更为明确、提升桩的整体可靠性。成桩工艺可以得到普遍的应用。最终形成的支盘式锚杆静压桩桩的单桩承载力很高,抗拔性好且更加稳定。桩身支盘受相当于嵌入了所在土层,能提高桩本身的刚度,抗拔性能也得到了较大的提升,桩的稳定性得到提升,提高桩的抗倾覆能力。

 相对而言,支盘式锚杆静压桩法是技术难度较大的一种施工方法,在隧道底板下施工时一定要经过多方的研究讨论,施工期间的桩挤土效应和附加沉降也应纳入考虑范围,设计施工前应做好相应的准备。因为地层环境的复杂性,预留管道和小孔最后成盘以及扩大头的形状大小很难准确判断,施工工艺比较复杂。支盘式锚杆静压桩的支盘、扩大头直径大小不能精准确定及承载力经验公式不够完善。

2支盘式锚杆静压桩单桩极限承载力有限元模拟

2.1单桩的有限元模拟

2.1.1定义单元类型和材料参数

桩、土体使用SOLID45实体单元模拟。使用TARGE170单元模拟桩身,使用CONTA173单元模拟桩周土柔性接触。混凝土的应力应变关系采用理想的线弹性或者非线性弹性模型。土使用D-P材料。材料的参数如表1.

1  材料的参数表

材料

弹性模量E/MPa

泊松比υ

粘聚力KPa

重度γ

kg/m3

距地面距离m

桩土摩擦系数μ

混凝土

25000

0.17

/

2500

0-12

/

黏土

10

0.32

20

1850

0-6

0.5

粉质黏土

10

0.28

20

1900

-6-10.5

0.5

粉细砂

30

0.28

20

1850

-10.5~未揭穿

0.5

 

2.1.2实体模型建立

建立的几何模型为典型轴对称模型,竖向荷载施加在桩顶中点,故可简化为1/4模型,模型土体的长宽高分别为2.5m2.5m30m。桩径为300mm,桩长为12m,分别距桩顶3m6m处设计2个承力盘,桩端设置扩大头,支盘和桩底扩大头直径均为600mm。另外建立一普通静压锚杆桩(后文简称为等直径桩),同等条件下,与支盘式锚杆静压桩(后文简称为支盘桩)做对比。模拟支盘式时,可以将支盘建立类似一个半环形,避免产生应力钢化。

 

1                       11

2支盘桩及周围土体几何模型         3模型有限元网格划分

 

2.2计算结果分析

2.2.1支盘桩和等直径桩Q-S曲线分析

本章的支盘桩和等直径桩1/4模型均从50kN的荷载开始,以每50kN为单位逐级加载研究两种桩型的QS曲线特点,对比分析。

对图2分析可知,支盘桩的Q-S曲线变化趋势较缓,开始加载时,Q-S曲线为直线,说明侧摩阻力正在发挥主要作用。随着荷载水平的提高,桩顶位移不断变大,变化速率缓慢增长,在桩顶位移到达40mm时,曲线并未表现出陡降趋势,呈缓变型。取桩顶位移为40mm时,此刻施加的荷载为支盘桩的竖向极限承载荷载,即1900kN

等直径桩的Q-S曲线有明显的两个转折点,加载初期桩顶位移和施加载荷也为一次函数关系,随着荷载的增加,桩身侧摩阻发挥完全,曲线斜率开始变大,当荷载增加到1050kN时,曲线出现陡降的趋势,此此刻桩底下土层已经出现破坏状态,该桩所受载荷即为等直径桩的极限承载载荷。

对比支盘桩和等直径桩的Q-S曲线,可以发现在同一荷载水平下,后注浆形成支盘和扩大头能极大的减小桩身位移,且极限承载力比等直径桩高出约81%,这也与有关文献得到的结论是相似的。

 

4极限荷载下支盘桩Z方向位移图

5极限荷载下支盘桩Z方向位移图

6  Q-S曲线

2.2.2支盘式锚杆静压桩各部分应力分担比分析

本文所研究的支盘式锚杆静压桩所受荷载由桩身侧摩阻、上下支盘、桩端扩大头一起承担。将计算结果进行相关换算,即将支盘下层土、桩端下层土应力乘以支盘、桩端扩大头等效面积,桩身单位侧摩阻力乘以桩身有效面积。最终绘出图3-10桩身各部分所分担荷载百分比随桩顶沉降变化图。

7桩身各部分所占荷载百分比

对图3分析可得,支盘式锚杆静压桩单桩各部分发挥作用具有时效性,在桩顶荷载很小时,侧摩阻占绝大部分分担比,上盘承载能力的发挥随沉降的变化较为迅速,比下支盘承担更多荷载,端阻承担较小一部分荷载。随着沉降的增大侧摩阻力所占比例不断较小,上下支盘及端阻力不断增加,且下支盘增长速率大于上支盘,在加载后期,下支盘承担的荷载已超过上支盘。而桩端一直保持着较为平稳的增长趋势,说明其承载力并没有完全的发挥。

极限荷载下端阻力超过了任何单个支盘的盘阻力,这也是支盘式锚杆静压桩这一新型桩区别于传统支盘桩的地方,传统的支盘桩桩端承担荷载百分比始终低于单个支盘端阻。当桩顶施加到极限承荷载时,桩的端阻力(支盘阻力、桩端阻力合成为端阻力)占49%,侧摩阻力占51%,从而验证了支盘式锚杆静压桩属于多支点端承桩;但支盘式锚杆静压桩侧摩阻力仍占有超过50%的比例,一般挤扩支盘桩只占有30%左右,这是由于支盘式锚杆静压桩为预制桩后注浆形成,一般挤扩支盘桩为钻孔灌注桩挤扩而成,预制桩为后压入桩,桩土接触更为紧密,侧摩阻力更大。

3支盘式锚杆静压桩单桩承载力经验公式推导

在通用经验公式中,土的物理参数和桩的几何参数可共同决定支盘桩的竖向单桩极限承载力,其包括三点:(1)侧摩阻力;(2)盘阻力;(3)端阻力。本文研究的支盘式锚杆静压桩,支盘的存在导致桩身轴力图与一般等直径桩不同,会在盘所在位置发生较大折减,支盘的阻力作用显著。开始施加桩顶荷载时,桩身上支盘会较早发挥作用,而桩端扩大头作用发挥较为滞后,直至荷载增加大极限荷载,桩端承载力并未完全发挥,可作为一定的安全储备。根据其受力特性,结合支盘及扩大头所在土层强度参数和桩周土摩阻系数计算比较合理。

由《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)可得,普通承压桩的单桩竖向承载力计算公式如下:

           2-4

式中: ——主桩桩杆周长;

——i层土有效厚度,m

——桩侧第i层土的极限侧阻力标准值;

——桩端投影面积,m2

——桩端所在土层的极限端阻力标准值;

根据大量实际工程项目中测得的数据及相关文献的参考分析,对支盘式锚杆静压桩的力学特性作出如下总结:

 1、桩侧反复后压浆形成支盘后,对桩周土体摩阻力的发挥产生了影响,支盘桩第一个持力上部和最后一个持力盘下部的实际桩侧摩阻力比预估的要高10%至50%,支盘所在土层的摩阻力发挥要减弱10%至30%。通常情况下,粉黏土的摩阻力能比砂土发挥的更加充分。

 2、支盘桩盘阻力实测值也比通常的盘阻力低上不少,因此经验公式计算中需要在盘阻力前乘以一个“折减系数η

综上所述,建议在计算支盘桩的桩侧极限摩阻力时,应该附加一个“侧摩阻力发挥系数,这样修正后的经验公式会更加准确。建议两个取值原则:(1)最上面一个持力盘以上土层,ξ=1.11.4;持力盘所在土层及持力盘间土层,=1.0;最下面一个持力盘以下土层,=1.01.20;(2在粉黏土中取较应较高,砂土中可取较小值。

以《支盘桩理论研究及工程运用》书中给出的支盘桩竖向承载力经验计算公式为基础,引入上文给出的“发挥系数及“盘阻折减系数,并通过分析研究后注浆形成扩大头的管桩承载力特性,将该书中通用挤扩支盘桩抗压承载力公式中桩端投影面积改为桩端扩大头投影面积通过大量实测数据,扩底管桩的桩端承载力在极限荷载下并未充分发挥静压,提出扩大桩端标准修正系数

概括提出关于带扩大头支盘桩的竖向极限承载力的通用计算公式2-5,式中侧摩阻力“发挥系数”取值范围是根据大量已成型支盘桩后期实测数据与预估数据比较得出;支盘阻力“折减系数”按《支盘桩理论研究及工程运用》书中规定取得;根据《扩底管桩承载性状研究》文中确定扩大桩端标准修正系数,修正极限荷载下桩端承载力计算结果。该经验公式用来验证趋势的一致性,需要进一步试验检验及工程实践完善。

        2-5

式中: ——主桩桩杆周长;

——当第i层土中设置支盘,桩穿越第i层土折减盘高的有效厚度, m

——桩侧第层土的极限侧阻力标准值;

——桩侧摩阻力发挥系数,按上文给出的两点原则选取;

—— 盘底土层极限端阻力标准值修正系数;

——桩端扩大头极限端阻力标准修正系数;

——桩端扩大头投影面积,m2

——盘除去桩身横截面积的盘投影面积,m2

——桩端所在土层的极限端阻力标准值;

——盘处土层的极限端阻力标准值;

1)普通锚杆静压桩的单桩承载力计算

根据表3-1的材料参数表,普通锚杆静压桩桩径为300mm,桩长为12m,桩端持力层为硬质黏土。按本文公式2-4计算:

 

2)支盘式锚杆静压桩的单桩承载力计算

根据表3-1的材料参数表,支盘式锚杆静压桩桩径为300mm,有效桩长12m,桩端持力层为硬质黏土。按本文公式2-5计算:

 

对比经验公式得到的支盘式锚杆静压桩竖向极限承载值和ANSYS模拟结果处理而得的极限承载值可知,两种方法计算的结果的误差在2.1%左右,由此可以证明本次的模拟是合理的。

4土层参数对支盘式锚杆静压桩的影响分析

.4.1土的粘聚力和内摩擦角的影响

黏土的抗剪强度公式为,该公式表明,土的黏聚力c和内摩擦角决定了土的强度,而土的强度也直接影响了支盘式锚杆静压桩的承载能力。

4.1.1土黏聚力的影响

当只改变土的黏聚力大小,不改变土层其他参数及桩身参数时,对支盘式锚杆静压桩承载力的影响如图4所示。

8  黏聚力对桩顶沉降的影响

3-11分析可知,土层其他参数及桩身参数不变时,桩顶位移随着粘聚力的增加而减少,说明土黏聚力对桩顶位移及桩的承载性能有影响,不过这种影响力随着土的黏聚力不断变大而减弱。荷载在加到800kN之前,桩沉降和桩顶荷载呈线性关系,此时桩处于弹性变化阶段,黏聚力的改变对Q-S曲线几乎没有影响。随着荷载的不断变大,黏聚力的增大减小了桩顶的位移,从而提高了桩的承载能力。

4.1.2土的内摩擦角影响

当只改变土的内摩擦角大小,不改变土层其他参数及桩身参数时,对支盘式锚杆静压桩承载力的影响如图5所示。

9  内摩擦角对桩顶沉降的影响

土的内摩擦角的改变对桩Q-S曲线的影响在荷载施加初期就可以表现出来,内摩擦为10°,曲线表现为较为明显的向下弯曲趋势,这说明此时土的塑性形状得到明显的表现;随着内摩擦角的不断变大,曲线的弹性变化区间延长,弯曲的曲率变小,桩的承载力变高。当加载到1800kN时,内摩擦角由10°变化到50°,桩顶的沉降又由49.86mm减小至41.75mm

4.2桩土接触面系数的影响

实际工程中桩土间存在一定的相对滑动,在使用ANSYS模拟时,在桩土间设置接触面,摩阻系数的大小反映了桩土之间粗糙程度,因为对桩的承载能力有着直接的影响。当只改变土的内摩阻系数大小,不改变土层其他参数及桩身参数时,对支盘式锚杆静压桩承载力的影响如图3-13所示。

10  桩土摩擦系数对沉降的影响

通过对图3-13分析得,摩阻系数的改变对荷载-沉降曲线的直线段就有较大影响,这是因为在加载初期,桩承载能力主要由桩的侧摩阻力来体现,摩阻系数决定桩土接触面的粗糙程度,对侧摩阻力的大小有着决定性作用。摩阻系数不断增大,桩顶位移一直减少,桩的承载性能得到了很大的提升。在1800kN的荷载作用下,不断的增大摩阻系数,但是相邻两摩阻系数间沉降减小的程度不断的减弱,这说明通过提高摩阻系数来增大桩承载能力是有限的,当摩阻系数增大到一定程度时,再来通过提高接触面粗糙程度来提高桩的承载能力,效果不够理想。

5结论

本文详细介绍了该桩的几何形式及成桩工艺流程并对比分析了其优缺点;简略介绍了荷载传递理论,通过对大量文献的阅读研究及工程实测数据的分析,基于挤扩支盘桩的极限承载力公式推导出支盘式锚杆静压桩极限承载力的经验公式。建立支盘式锚杆静压桩和普通锚杆静压桩的三维模型进行对比分析,分析其Q-S曲线及极限承载力。改变土层各个不同参数,分析了支盘式锚杆静压桩的承载能力。并使用支盘桩的极限承载力计算公式验算,验证ANSYS模拟支盘桩模型的合理性。得出如下结论:

1)支盘式锚杆静压桩相比于一般锚杆静压桩有承载力较大和沉降量较小的优点。

2)通过分析支盘式锚杆静压桩单桩模型,绘出桩身各部分承担荷载占桩所受总荷载的百分比图。极限荷载下,桩端阻力所占百分比高于任何单一支盘盘阻力,且端阻力百分比还在不停增加,桩端扩大头仍具备一定的安全贮备,侧摩阻所占百分比仍超过总荷载的50%

3)桩顶位移随着土的粘聚力的变大而减小,但这种影响力随着黏聚力不断增大而减弱。黏聚力的改变对Q-S曲线开始的弹性阶段几乎没有影响。荷载水平的不断增加,黏聚力的增大减小了桩顶的位移,提高了桩的承载能力。

4)土的内摩擦角的改变对桩的承载力影响在荷载施加初期就可以表现出来,当内摩擦很小时,曲线表现为较为明显的向下弯曲趋势,土的塑性形状得到明显的表现;内摩擦角的不断变大,Q-S曲线的弹性变化区间延长,曲线弯曲曲率变小,桩的承载性能得到提升。

5)桩土摩阻系数 的改变对Q-S曲线的直线段就有较大的影响,随着摩阻系数的增大,桩顶的沉降不断减小,桩的承载能力提的了很大的提升。当摩阻系数增大到一定程度时,再来通过提高桩土间接触的粗糙程度来提高桩的承载能力,效果不够理想。

 

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