PCC桩与灌注桩的水平承载性能对比分析

PCC桩与灌注桩的水平承载性能对比分析 PCC桩与灌注桩的水平承载性能对比分析 第4O卷第5期 2010年9月 河南大学(自然科学版) Journa1ofHenanUniversity(NaturalScience) V01.4ONo.5 Sep.2010 PCC桩与灌注桩的水平承载性能对比分析 张建伟,温森,孙兴亚,丁选明 (1.河南大学土木建筑学院,河南开封475004;2.河海大学岩土工程科学研究所,南京210098) 摘要:利用大型有限元通用软件ABAQUS建立PCC桩水平承载特性有限元分析模型,并用足尺试验进行了对 比分析,表明该模型是合理可行的.进而,对等截面的PCC桩与实心灌注桩的水平承载性能进行了详细的对比. 结果表明,作为弹性长桩,PCC桩较实心灌注桩具有更好的抗水平荷载的能力;作为刚性短桩,等截面的PCC桩和 实心灌注桩的水平承载性能差别不大. 关键词:PCC桩;灌注桩;水平荷载;足尺模型试验;位移;弯矩 ' 中图分类号:TU473.11文献标志码:A文章编号:1003—4978(2O10)O5一O533—04 ComparisonAnalysisoftheLateralBearingCapacity ofBoredPileandPCC ZHANGJian—wei,WENSen,SUNXing—ya,DINGXuan—ming. (1SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HenanUniversity,HenanKaifeng475004, China 2.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) Abstract:ByusingthegeneralFEMsoftwareABAQUS.thispaperanalyzedthebehaviorofPCCpileunderlateral loadaccordingtOthefullscalemodeltest,andcomparedthebehaviorofPCCpileandboredpileunderlateralload. Theresultsindicated:asaflexiblepile,thedisplacementofPCCisfarlessthanthedisplacementofboredpilewith equalsection,whilethemomentofPCCisslightlylargerthanthemomentofboredpile;asarigidpile,thelateral behaviorcapacitybetweenPCCpileandboredpilehadlittledifference.Therefore,thelateralbearingcapacityof PCCisbetterthantheboredpileasaflexible. Keywords:PCC;boredpile;lateralload;fullscalemodeltest;displacement;moment 大直径的灌注桩,钢筋混凝土管桩和钢管桩,因其抗弯刚度大,具有较大的水平承 载能力,而被广泛应用 于高层建筑与构筑物,国内外学者针对灌注桩,PHC管桩及钢管桩的水平承载能力 也进行了大量研究[-3]. 近年来,现浇混凝土大直径管桩--5](以下简PCC桩)在我国东南沿海地区被大量推 广应用,这种桩具有地 基适应性强,施工质量容易控制,承载力高,总沉降量小,易于质量 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 等优点.考虑 到PCC桩的直径较大, 应具有一定的抗水平荷载能力,已有学者对其水平承载能力进行了研究].为体现 其在水平承载性能上 的优势,本文利用有限元软件ABAQUS对比分析相同条件下等截面PCC桩和实 心灌注桩的水平承载性 能,探讨弹性长桩和刚性短桩的桩身水平位移和弯矩分布情况. 1足尺模型试验 1.1试验概况 PCC桩水平承载性能的足尺模型试验是在河海大学岩土所自行研制开发的大型 桩基模型试验槽内完 成的.该模型槽为钢筋混凝土结构,长5rn,宽4In,高7m,目前是国内外深度最大的模型槽之一,可以开展 长达6.5rn的桩基足尺模型试验u.].本次试验,PCC桩的外径为1m,壁厚为120mm,桩长为6rn,桩头自 收稿日期:201O—O2O4 基金项目:国家自然科学基金项目(50778063);江苏省自然科学基金攀登学者创新项目(BK2008040) 作者简介:张建伟(1981一),男,博士,讲师.研究方向:桩基工程和复合地基处理技术.Email:zjwl01—0@163.corn 河南大学(自然科学版),2010年,第40卷第5期 由土体分为两层,上部为粉质黏土,下部为细砂;试验按单向多循环法加载,共进行了20kN,40kN,60kN, 8OkN,100kN,120kN,140kN,160kN,180kN九级荷载试验,测得各级荷载下桩身弯矩和桩头位移值.各 级荷载下的水平荷载与桩头位移关系曲线及桩身弯矩分布曲线分别如图1,图2所示. 图1水平荷载一位移关系曲线图2同荷载作用下桩身弯矩图 Fig.1Therelationshipofhorizontaldisplacement—lateralloadFig.2Momentofpileunderdifferentload 1.2试验结果和有限元结果的对比 大型通用有限元软件ABAQUS在处理非线性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 方面具有较强优势,所以本文采用该软件对比分析 PCC桩水平承载性能的足尺模型试验结果和有限元计算结果. 水平荷载作用下PCC桩按空间三维表1各层地基土物理力学性质指标 问题进行分析,PCC桩体和土体利用三维 减缩积分单元C3D8R进行离散;钢筋采用 T3D3单元模拟,采用嵌入式方法埋入混 凝土中;桩一土接触采用摩尔一库伦罚函 数形式,主要有桩内壁和土体的接触,桩外 Tab.1Physicalandmechanicalparametersofthesoil 侧和土体的接触以及桩底和土体的接触. 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的本构模型为:桩周及桩底土为弹塑性材料,假定服从Mohr— Coulomb屈服准则;桩体为线弹性材料,模型参数见表1.模型边界条件为桩周土体边界距离桩中心20倍桩 径,桩底土体边界距离桩底1倍桩长;桩周土体约束水平位移和竖向位移,桩底土体约束全部自由度.图3 为PCC单桩承受水平荷载受力分析模型和有限元网格图. 图3三维桩一土有限元网格 Fig.3TheFEmeshof3DPCCpileandsoil 有限元计算结果与试验结果的对比如图4所示. 水平荷载腓N 02040608Ol00l20140160 图4实测结果与有限元计算结果对比分析 Fig.4ComparisonwiththeresultofthetestandtheFEM 计算曲线与实测曲线在结构破坏之前吻合得较好,在 O2468O2468 蓦II 张建伟,等:PCC桩与灌注桩的水平承载性能对比分析 接近极限荷载时,有限元分析的位移偏小,陡降段不明显.计算结果表明,本文所提出的有限元模型是可行 的. 2PCC桩与灌注桩的对比分析 2.1研究 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 和模型 PCC桩采用工程中的常用尺寸,外径1.0m,壁厚120mm,弹性长桩桩长16m,冈0性短桩桩长5m.与其 等截面的灌注桩为圆形截面,直径为0.65m,桩长与PCC桩长相同.模型中土体为均质土体,土体参数采用 表1中的粉质黏土参数.有限元模型应用上节所述的模型. 2.2弹性长桩的对比 PCC桩和灌注桩桩长均取16m,作用在桩头的荷载为120kN,考虑了土体的初始应力场分布情况,桩 身水平位移和桩身弯矩分布如图5,图6所示.通过弯矩图可以看出,桩身弯矩分布曲线类似,都是先增大, 达到最大弯矩后再减小,最大弯矩点位置均为桩埋深的1/5,1/4,但PCC桩桩身弯矩点的位置距离桩顶更 为远,PCC桩最大弯矩较灌注桩最大弯矩大了不足30.而从水平位移图中可以看出,PCC桩的最大水平 位移较灌注桩小了近1倍.因此,以目前 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 按桩头水平位移为控制目标,同条件下选用PCC桩将更加经 济合理. g 到 靼1 l 1 l 图5弹性长桩桩头水平位移图6弹性长桩桩身弯矩 Fig.5LateraldisplacementofflexiblepileFig.6Momentofflexiblepile 通过对比同样可以看出,不论是PCC桩还是灌注桩,弹性长桩受到水平荷载时都是发生桩身挠曲,在桩 长约1/3处发生反弯曲,表现出了明显的弹性长桩的特性. 2.3刚性短桩的对比 PCC桩和灌注桩桩长均取5m,作用在桩头的荷载为5OkN,考虑了土体的初始应力场分布情况,桩身 图7刚性短桩桩头水平位移 Fig.7Lateraldisplacementofrigidpile 桩身弯~3d'/(kNlm) 010203O4O 图8刚性短桩桩身弯矩 Fig.8Momentofrigidpile O5l52535455 Ol234 {挺 536河南大学(自然科学版),2010年,第4O卷第5期 水平位移和桩身弯矩分布如图7,图8所示.与弹性长桩的受力分析相比,刚性短桩则表现为绕距离桩底一 定距离(约为桩长的1/5)发生转动,两者的水平位移相比变化较小,由于PCC桩桩径较大,因而比灌注桩的 桩头水平位移略小.桩身弯矩分布曲线类似,但PCC桩最大弯矩与灌注桩相比要小2O左右,这也间接验 证了刚性桩水平承载力主要依靠桩侧土抗力来承担,而桩体并没有发挥作用,这与弹性桩承受水平荷载时主 要依靠桩体的抗弯刚度和桩侧土体共同承担有着本质区别. 3结论 PCC桩承受水平荷载作用是一个复杂的桩土相互作用问题.本文利用ABAQUs软件建立了PCC桩 水平承载特性有限元分析模型,与足尺试验的对比表明,在水平荷载作用下,PCC桩和实心灌注桩的桩头水 平位移曲线和桩身弯矩分布曲线是类似的,说明该模型是合理可行的. 通过弹性长桩与刚性短桩的水平承载性能对比分析,可得到以下结论:1)作为弹性长桩,PCC桩较实心 灌注桩具有更好的抗水平荷载的能力.2)作为刚性短桩,PCC桩和实心灌注桩的水平承载性能相差无几; 由于PCC桩桩径较大,因而其桩头水平位移较小.因此,在选用桩型时应针对具体工程实际,考虑到其是作 为弹性长桩还是刚性短桩来选择. 参考文献: [1]RuestaPF,TownsendFC.EvaluationoflaterallyloadedpilegroupatRooseveltBridgeFJ] .J.Geotech.GeoenvironEn— grg.ASCE,1997,123(12):1153,1161. 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