CN105825012B - 一种fcec施工方法引起土体水平位移的计算方法 - Google Patents

一种fcec施工方法引起土体水平位移的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FCEC施工方法引起土体水平位移的计算方法，采用FCEC全回转清障机，包括以下步骤：S1：根据土体的土质参数，计算得到所述FCEC全回转清障机的钢套筒周边土体的塑性区半径，所述土质参数包括：不排水抗剪强度，弹性模量，泊松比，容重；S2：根据步骤S1中的所述塑性区半径和土质参数，计算得到弹性区和塑性区交界面处的径向应力和径向位移；S3：根据步骤S1中的所述塑性区半径、步骤S2中的所述径向应力和径向位移，计算得到塑性区域的位移场和弹性区域的位移场。本发明综合考虑了在钢套筒进行旋转切割时对其周围土体造成环向剪切的影响，以此通过进一步计算来确定FCEC施工方法引起土体的水平位移。

Description

一种FCEC施工方法引起土体水平位移的计算方法
技术领域
本发明涉及桩基工程领域，特别是涉及一种FCEC施工方法引起土体水平位移的计算方法。
背景技术
FCEC(Fast Cut Evacuate Construction，全回转快速切割清障)施工方法是目前工程领域中较先进的拔桩技术之一，该拔桩技术采用的设备是FCEC全回转清障机。该设备通过电动机头驱动薄壁钢套筒对桩侧土体进行旋转切割，使桩与周围土体分离，当钢套筒钻进深度超过桩长后，通过特殊装置将钢丝绳送到桩底，与桩身锁扣牢固后将旧桩进行拔出。考虑整个施工过程，钢套筒对土体的旋转切割是FCEC施工方法在施工时引起土体水平位移的主要来源，而FCEC施工方法引起的土体水平位移极易对钢套筒周围的已有地下结构物产生破坏。如果在拔桩施工前，对土体的水平位移产生的扰动范围不进行预测，可能会对已有地下结构物产生破坏，发生工程事故。在钢套筒旋转切割时，对其周围土体会造成环向剪切的影响，因此，需要考虑FCEC施工方法在施工过程中的环向剪切作用，来确定FCEC施工方法引起土体的水平位移，以获得对水平位移更加准确的计算。
在现有技术中，虽然该FCEC施工方法在工程中已有较多的应用，但对其施工引起土体水平位移的研究还非常不足，仅处于初步阶段，理论分析与现场试验方面的资料极其缺乏。经过对现有国内外技术文献的检索，尚未发现用来解决FCEC施工方法在施工中对钢套筒旋转切割引起土体水平位移计算方法的文献。因此，业界需要一种对FCEC施工方法引起土体水平位移进行计算的方法，应用在敏感环境下提供工程理论指导，避免工程事故的发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对FCEC施工方法引起土体水平位移进行计算的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种FCEC施工方法引起土体水平位移的计算方法，采用FCEC全回转清障机，包括以下步骤：
S1：根据土体的土质参数，计算得到所述FCEC全回转清障机的钢套筒周边土体的塑性区半径，所述土质参数包括：不排水抗剪强度，弹性模量，泊松比，容重；
S2：根据步骤S1中的所述塑性区半径和土质参数，计算得到弹性区和塑性区交界面处的径向应力和径向位移；
S3：根据步骤S1中的所述塑性区半径、步骤S2中的所述径向应力和径向位移，计算得到塑性区域的位移场和弹性区域的位移场。
优选的，在步骤S1中，通过公式1计算得到所述塑性区半径：
公式1：
式中：rp为土体的塑性区半径，单位为m；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
Δ为塑性区平均体积应变；
B1为中间变量，所述中间变量B1通过公式2计算：
公式2：
式中：G为土体的剪切模量，单位为kPa；
su为土体的不排水抗剪强度，单位为kPa；
Δ为塑性区平均体积应变；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
R0为钢套筒的内径，单位为m。
优选的，通过公式3计算得到所述土体的剪切模量：
公式3：
G＝E/(2+2ν)
式中，E为土体的弹性模量，单位为kPa；
v为土体的泊松比。
优选的，在步骤S2中，通过公式4计算得到所述弹性区和塑性区交界面处的径向应力：
公式4：
式中：py为弹性区和塑性区交界面处的径向应力，单位为kPa；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
su为土体的不排水抗剪强度，单位为kPa；
rp为土体的塑性区半径，单位为m；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
优选的，通过公式5计算得到土体中初始各向同性应力，
公式5：
p0＝γh
式中，h为土体的深度，单位为m；
γ为土体的容重，单位为N/m3。
优选的，通过公式6计算得到所述弹性区和塑性区交界面处的径向位移：
公式6：
式中，up为弹性区和塑性区交界面处的径向位移，单位为m；
py为弹性区和塑性区交界面处的径向应力，单位为kPa；
rp为土体的塑性区半径，单位为m；
G为土体的剪切模量，单位为kPa；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
优选的，在步骤S3中，通过公式7计算得到所述弹性区域和塑性区域的位移场：
公式7：
式中，ur为弹性区域和塑性区域的水平位移，单位为m；
py为弹性区和塑性区交界面处的径向应力，单位为kPa；
up为弹性区和塑性区交界面处的径向位移，单位为m；
rp为土体的塑性区半径，单位为m；
G为土体的剪切模量，单位为kPa；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
优选的，在步骤S1中，通过原位十字板剪切试验，测定所述土质的不排水抗剪强度。
优选的，在步骤S1中，通过静力触探试验，测定所述土质的不排水抗剪强度。
优选的，通过公式8计算得到所述土质的不排水抗剪强度：
公式8：
su＝0.05Ps
式中，Ps为静力触探试验得到的比贯入阻力。
与现有技术相比，本发明的技术方案：根据土体的土质参数，计算得到所述FCEC全回转清障机的钢套筒周边土体的塑性区半径；进一步计算得到弹性区和塑性区交界面处的径向应力和径向位移；再通过所述塑性区半径、所述径向应力和所述径向位移，计算得到塑性区域的位移场和弹性区域的位移场。本技术方案综合考虑了在钢套筒进行旋转切割时对其周围土体造成环向剪切的影响，以此通过进一步计算来确定FCEC施工方法引起土体的水平位移，提供了一种适用于FCEC施工方法所引起土体水平位移的计算方法，且该计算方法更加准确、便捷。
附图说明
图1是本发明所述FCEC施工方法的模型示意图；
图2是本发明一实施例所述FCEC施工方法引起土体水平位移的曲线示意图。
图中所示：Ro、钢套筒内径；Ru、钢套筒外径；Pu、钢套筒外壁与土体接触界面上的压力；rp、塑性区半径；S、塑性区；T、弹性区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
参照图1所示，本发明的FCEC施工方法引起土体水平位移的计算方法，采用FCEC全回转清障机，包括以下步骤：
S1：收集工作区已有地质资料，掌握场地土质情况，确定土体的土质参数及所述FCEC全回转清障机的钢套筒内径Ro和外径Ru，所述土质参数包括：不排水抗剪强度su，弹性模量E，泊松比v，容重γ。所述FCEC全回转清障机的钢套筒内径Ro表示初始的土体圆柱孔半径、钢套筒外径Ru表示扩张后的土体圆柱孔半径，钢套筒外壁与土体接触界面上的压力为Pu。在弹塑性分析中，钢套筒周围分为弹性区T和塑性区S，扩张后土体的塑性区S半径为rp，弹性区T和塑性区S边界面处的径向位移和径向应力分别为up、py，扩孔过程发生的塑性区S平均体积应变为Δ。求解时，规定应力、应变以压为正。根据所述土质参数，计算得到所述FCEC全回转清障机的钢套筒周边土体的塑性区S半径。
作为一种实施方法，通过原位十字板剪切试验，测定所述土质的不排水抗剪强度su。
采用上述技术，由于十字板剪切试验不需要采取土样，避免了土样扰动及天然应力状态的改变，是一种有效的现场测试方法。
作为另一种实施方法，通过静力触探试验，测定所述土质的不排水抗剪强度su。在所述静力触探试验中，通过公式：su＝0.05Ps，计算得到所述土质的不排水抗剪强度su，其中，Ps为静力触探试验得到的比贯入阻力。
采用上述技术，可以在现场直接得到各土层的贯入阻力指标，从而能够了解土层在原始状态下的有关物理力学参数，具有连续、快速和准确的优点。
进一步的，通过公式1计算得到所述塑性区S半径：
公式1：
式中：rp为土体的塑性区S半径，单位为m；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
Δ为塑性区S平均体积应变，可取为0.015；
B1为中间变量；
进一步的，所述中间变量B1通过公式2计算：
公式2：
式中：G为土体的剪切模量，单位为kPa；
su为土体的不排水抗剪强度，单位为kPa；
Δ为塑性区S平均体积应变；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
R0为钢套筒的内径，单位为m。
进一步的，通过公式3计算得到所述土体的剪切模量：
公式3：
G＝E/(2+2ν)
其中，E为土体的弹性模量，单位为kPa；
v为土体的泊松比，可取值为0.3。
采用上述技术，通过土体的弹性模量和剪切模量的转换，通过采集土体的土质弹性模量来获得其剪切模量，具有更易测量和实现的优点，提高了本发明的实用性。
S2：根据步骤S1中的所述塑性区S半径rp和土质参数，计算得到弹性区T和塑性区S交界面处的径向应力py和径向位移up。
进一步的，通过公式4计算得到所述弹性区T和塑性区S交界面处的径向应力：
公式4：
式中：py为弹性区T和塑性区S交界面处的径向应力，单位为kPa；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
su为土体的不排水抗剪强度，单位为kPa；
rp为土体的塑性区S半径，单位为m；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
进一步的，通过公式5计算得到土体中初始各向同性应力，
公式5：
p0＝γh
式中，h为土体的深度，单位为m；
γ为土体的容重，单位为N/m3。
采用上述技术，可以根据参数h的不同取值，来确定不同土体深度对应的初始各向同性应力p0，进一步计算该深度h对应的弹性区T和塑性区S的位移场，能够实现空间计算的效果。
进一步的，通过公式6计算得到所述弹性区T和塑性区S交界面处的径向位移：
公式6：
式中，up为弹性区T和塑性区S交界面处的径向位移，单位为m；
py为弹性区T和塑性区S交界面处的径向应力，单位为kPa；
rp为土体的塑性区S半径，单位为m；
G为土体的剪切模量，单位为kPa；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
S3：根据步骤S1中的所述塑性区S半径rp、步骤S2中的所述径向应力py和径向位移up，计算得到塑性区S的位移场和弹性区T的位移场。
进一步的，通过公式7计算得到所述弹性区T和塑性区S的位移场：
公式7：
式中，ur为弹性区T和塑性区S的水平位移，单位为m；
py为弹性区T和塑性区S交界面处的径向应力，单位为kPa；
up为弹性区T和塑性区S交界面处的径向位移，单位为m；
rp为土体的塑性区S半径，单位为m；
G为土体的剪切模量，单位为kPa；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
本发明的技术方案根据土体的土质参数，计算得到所述FCEC全回转清障机的钢套筒周边土体的塑性区S半径rp；进一步计算得到弹性区T和塑性区S交界面处的径向应力py和径向位移up；再通过所述塑性区S半径rp、所述径向应力py和所述径向位移up，计算得到塑性区S的位移场和弹性区T的位移场。
在实施例中，假设各向同性的均质饱和粘土受到初始均匀同性应力p0的作用，p0＝100kPa，初始剪应力为0，土体的弹性模量E＝25MPa，泊松比v＝0.3，不排水抗剪强度su＝25MPa，假设塑性区S土体的平均体积应变Δ＝0.005。钢套筒内径为1.5m，外径为1.54m。由公式1～7，可最后计算得到塑性区S的位移场和弹性区T的位移场，其计算结果曲线图通过Matlab软件显示如图2所示，由图2可以判断出钢套筒旋入土体中的位移影响范围。
本技术方案综合考虑了在钢套筒进行旋转切割时对其周围土体造成环向剪切的影响，以此通过进一步计算来确定FCEC施工方法引起土体的水平位移，本技术方案提供了一种适用于FCEC施工方法所引起土体水平位移的计算方法，且该计算方法更加准确、便捷。本技术方案为FCEC拔桩施工技术在敏感环境下提供工程理论指导，避免工程事故的发生。

Claims (9)

1.一种FCEC施工方法引起土体水平位移的计算方法，采用FCEC全回转清障机，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据土体的土质参数，计算得到所述FCEC全回转清障机的钢套筒周边土体的塑性区半径，所述土质参数包括：不排水抗剪强度，弹性模量，泊松比，容重；
其中，通过公式1计算得到所述塑性区半径：
公式1：
式中：rp为土体的塑性区半径，单位为m；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
Δ为塑性区平均体积应变；
B1为中间变量，所述中间变量B1通过公式2计算：
公式2：
式中：G为土体的剪切模量，单位为kPa；
su为土体的不排水抗剪强度，单位为kPa；
Δ为塑性区平均体积应变；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
R0为钢套筒的内径，单位为m；
S2：根据步骤S1中的所述塑性区半径和土质参数，计算得到弹性区和塑性区交界面处的径向应力和径向位移；
S3：根据步骤S1中的所述塑性区半径、步骤S2中的所述径向应力和径向位移，计算得到塑性区域的位移场和弹性区域的位移场。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，通过公式3计算得到所述土体的剪切模量：
公式3：
G＝E/(2+2ν)
式中，E为土体的弹性模量，单位为kPa；
v为土体的泊松比。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤S2中，通过公式4计算得到所述弹性区和塑性区交界面处的径向应力：
公式4：
式中：py为弹性区和塑性区交界面处的径向应力，单位为kPa；
Ru为钢套筒的外径，单位为m；
su为土体的不排水抗剪强度，单位为kPa；
rp为土体的塑性区半径，单位为m；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，通过公式5计算得到土体中初始各向同性应力，
公式5：
p0＝γh
式中，h为土体的深度，单位为m；
γ为土体的容重，单位为N/m3。
5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤S2中，通过公式6计算得到所述弹性区和塑性区交界面处的径向位移：
公式6：
式中，up为弹性区和塑性区交界面处的径向位移，单位为m；
py为弹性区和塑性区交界面处的径向应力，单位为kPa；
rp为土体的塑性区半径，单位为m；
G为土体的剪切模量，单位为kPa；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤S3中，通过公式7计算得到所述弹性区域和塑性区域的位移场：
公式7：
式中，ur为弹性区域和塑性区域的水平位移，单位为m；
py为弹性区和塑性区交界面处的径向应力，单位为kPa；
up为弹性区和塑性区交界面处的径向位移，单位为m；
rp为土体的塑性区半径，单位为m；
G为土体的剪切模量，单位为kPa；
p0为土体中初始各向同性应力，单位为kPa。
7.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤S1中，通过原位十字板剪切试验，测定所述土质的不排水抗剪强度。
8.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在步骤S1中，通过静力触探试验，测定所述土质的不排水抗剪强度。
9.根据权利要求8所述的计算方法，其特征在于，通过公式8计算得到所述土质的不排水抗剪强度：
公式8：
su＝0.05Ps
式中，Ps为静力触探试验得到的比贯入阻力。
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