CN115879201B - 一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，包括如下步骤：S1获取沉渣参数，得到沉渣加固体的物理参数；S2、建立计算模型，建立桩周土体模型和桩基模型；S3、参数设置，设置桩周土体模型、桩基模型参数；S4、装配，将桩周土体模型和桩基模型进行装配，调整桩周土体模型和桩基模型相对位置，使桩基模型对准桩周土体模型的桩孔；S6、网格划分；S7、建立计算作业，整理计算结果。本发明解决了在实际工程中沉渣加固强度提升后桩基极限承载力的计算问题，分析不同沉渣强度时海域段桥梁灌注桩永久护筒存在条件下桩身轴力和桩侧摩阻力的变化规律，为海域段桥梁桩的设计、优化提供参考依据。

Description

一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法

技术领域

本发明属于大直径灌注桩设计及施工领域，尤其涉及一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法。

背景技术

灌注桩具有承载力高、变形小、施工技术成熟等优点，在桥梁基础中得到广泛应用。对于海域段穿越流塑状淤泥层时，常需打设钢护筒保持施工期间地层稳定。同时，在灌注桩施工成孔时，由于受现场施工复杂因素导致清孔不完全的影响，易在孔底形成沉渣。孔底沉渣具有强度低、压缩性高的特点，会对灌注桩的承载性状造成改变，降低灌注桩承载力，存在较大的安全隐患。关于孔底沉渣加固主要采用添加固化剂的方法，添加固化剂能大幅度提高桩底沉渣强度，固化剂的配合比显著影响沉渣加固体的强度特性。目前针对沉渣固化对灌注桩承载力提升效果缺乏深入的分析，且缺乏对同时存在钢护筒和沉渣固化情况时桩基承载特性的分析方法。

由于数值分析方法简单直观，在工程中的应用日益成熟。因此可基于有限元数值分析软件建立永久钢护筒及桩底沉渣固化条件下海域桥梁灌注桩模型，利用软件生死单元功能模拟桩基开挖和灌注，从而分析钢护筒及沉渣强度提升对海域段桥梁灌注桩承载力的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，以解决上述问题，解决了在实际工程中沉渣加固强度提升后桩基极限承载力的计算问题，并可借助此方法，进一步分析不同沉渣强度时海域段桥梁灌注桩永久护筒存在条件下桩身轴力和桩侧摩阻力的变化规律，从而为海域段桥梁桩的设计、优化提供参考依据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，包括如下步骤：

S1、获取沉渣参数，在施工现场对钻孔后孔底沉渣进行取样，设置不同分量的沉渣固化剂，将所述沉渣等分成若干份，将不同分量的所述沉渣固化剂与每份所述沉渣进行混合，待凝固后得到沉渣加固体，对未经加固的所述沉渣和所述沉渣加固体进行试验，得到所述沉渣和沉渣加固体的物理参数；

S2、建立计算模型，建立桩周土体模型和桩基模型，所述桩周土体模型的桩周土包括沉渣部分；

S3、参数设置，设置所述桩周土体模型、桩基模型参数；

S4、装配，将所述桩周土体模型和所述桩基模型进行装配，调整所述桩周土体模型和所述桩基模型相对位置，使所述桩基模型对准所述桩周土体模型的桩孔；

S5、分析参数调整，对装配后的所述桩基模型、桩周土体模型进行分析，并调整过程参数；

S6、网格划分，对所述桩周土体模型、桩基模型各边设置网格边界节点；

S7、建立计算作业，整理计算结果；

S8、重复步骤二至步骤七，获得不同固化剂含量的所述沉渣加固体对桩基极限承载力、桩身轴力和桩侧摩阻力的影响规律。

优选的，步骤S5包括如下步骤：

S5.1、地应力平衡分析，利用有限元模拟软件的生死单元功能，分析禁用沉渣和所述桩基模型，通过在所述桩周土体上添加预定义应力场，消除由于所述桩周土自重产生的变形；

S5.2、灌注桩分析，用有限元模拟软件生死单元功能分析激活沉渣和所述桩基模型；

S5.3、桩顶加载分析，采用在桩顶施加位移的方式对桩基施加荷载；

S5.4、设置桩土接触属性，将桩身与桩周土的接触法向设置为硬接触，切向设置为罚接触，摩擦系数取将桩底与沉渣的接触法向设置为硬接触，切向设置为无摩擦；沉渣与桩周土之间不设置接触。

优选的，步骤S5.1包括如下步骤：

S5.1.1地应力平衡分析时，对所述桩基模型、桩周土体模型整体施加重力加速度g＝9.8m/s²，约束土体四周水平位移，约束模型底部位移，并约束桩孔处土体的水平位移。

优选的，步骤S5.2包括如下步骤：

S5.2.1灌注桩分析时，对桩孔处土体的水平位移的约束，考虑海域段桩基存在永久钢护筒的情况，将成桩后的桩体与钢护筒看做一个整体，约束存在钢护筒段的桩基水平位移。

优选的，步骤S5.3包括如下步骤：

S5.3.1桩顶加载分析时，对桩顶施加-0.5m的位移。

优选的，步骤S2包括如下步骤：

S2.1利用有限元数值模拟软件，建立所述桩周土体模型和含永久钢护筒的所述桩基模型，所述桩周土体模型、桩基模型尺寸按实际工况取值，桩周土直径取20倍桩径，深度取2倍桩长；由于对称性，取模型1/4进行分析。

优选的，步骤S3的参数设置具体如下：

S3.1所述桩周土体模型中桩周土部分和沉渣部分均采用Mohr-Coulomb模型进行分析，所述桩周土体模型参数通过地勘报告获得，所述沉渣加固体参数根据步骤S1试验获得，所述沉渣加固体如无弹性模量时，弹性模量根据2-5倍压缩模量选取，所述桩基模型采用理想弹塑性模型，材料参数按实际钢筋混凝土材料取值。

优选的，步骤S6网格划分通过如下方式进行：

选择单元类型为八节点线性六面体减缩积分C3D8R单元，对所述桩周土体模型和所述桩基模型划分网格。

优选的，步骤S7建立计算作业：

提取最后一个增量步的桩基荷载-沉降曲线，选取所述沉降曲线明显拐点处对应荷载作为桩基极限承载力，提取所述桩基极限承载力时桩身轴力和桩侧摩阻力随深度的变化曲线。

本发明具有如下技术效果：

本发明针对添加不同配合比固化剂后桩底沉渣强度增大时永久钢护筒条件下灌注桩承载力提升效果的分析问题，目前工程中分析桩底沉渣对海域桥梁灌注桩承载力影响的最主要仍采用现场试验进行，但由于现场试验周期长、成本高、不确定因素较多，难以大规模开展。因此，本发明利用数值分析方法，基于室内土单元试验得到的加固后沉渣的物理力学参数，建立永久钢护筒条件下含沉渣灌注桩模型，分析了桩底沉渣强度提高对桩基承载特性的影响，从而为海域段桩基设计提供参考依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明有限元分析模型示意图；

图2为模型尺寸及网格划分情况；

图3为不同沉渣强度桩基的荷载-沉降曲线；

图4为桩基极限承载力随沉渣强度的变化情况；

图5为极限状态下不同沉渣强度时桩身轴力曲线；

图6为极限状态下不同沉渣强度时桩侧摩阻力曲线；

图7为桩基极限端阻力随沉渣强度的变化情况。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-7所示，本发明提供一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，包括如下步骤：

S1、获取沉渣参数，在施工现场对钻孔后孔底沉渣进行取样，设置不同分量的沉渣固化剂，将沉渣等分成若干份，将不同分量的沉渣固化剂与每份沉渣进行混合，待凝固后得到沉渣加固体，对未经加固的沉渣和沉渣加固体进行试验，得到所述沉渣和沉渣加固体的物理参数；

S2、建立计算模型，建立桩周土体模型和桩基模型，桩周土体模型的桩周土包括沉渣部分；

S2.1利用有限元数值模拟软件，建立桩周土体模型和含永久钢护筒的桩基模型，桩周土体模型、桩基模型尺寸按实际工况取值，桩周土直径取20倍桩径，深度取2倍桩长；由于对称性，取模型1/4进行分析。整个分析模型(即桩基模型、桩周土体模型)的尺寸及网格划分如图1和图2所示

S3、参数设置，设置桩周土体模型、桩基模型参数；

S3.1桩周土体模型中桩周土部分和沉渣部分均采用Mohr-Coulomb模型进行分析，桩周土体模型参数通过地勘报告获得，沉渣加固体参数根据步骤S1试验获得，沉渣加固体如无弹性模量时，弹性模量根据2-5倍压缩模量选取，桩基模型采用理想弹塑性模型，材料参数按实际钢筋混凝土材料取值。

将设置好的材料属性分别赋予桩周土、沉渣和桩基三个部分。模型参数取值如下表1所示：

S4、装配，将桩周土体模型和桩基模型进行装配，调整桩周土体模型和桩基模型相对位置，使桩基模型对准桩周土体模型的桩孔；装配完模型成后如图2(c)所示。

S5、分析参数调整，对装配后的桩基模型、桩周土体模型进行分析，并调整过程参数；

S5.1、地应力平衡分析，利用有限元模拟软件的生死单元功能，分析禁用沉渣和桩基模型，通过在桩周土体上添加预定义应力场，消除由于桩周土自重产生的变形；

S5.1.1地应力平衡分析时，对所述桩基模型、桩周土体模型整体施加重力加速度g＝9.8m/s²，约束土体四周水平位移，约束模型底部位移，并约束桩孔处土体的水平位移。

S5.2、灌注桩分析，用有限元模拟软件生死单元功能分析激活沉渣和桩基模型；

S5.2.1灌注桩分析时，对桩孔处土体的水平位移的约束，考虑海域段桩基存在永久钢护筒的情况，将成桩后的桩体与钢护筒看做一个整体，约束存在钢护筒段的桩基水平位移。

S5.3、桩顶加载分析，采用在桩顶施加位移的方式对桩基施加荷载；

S5.3.1桩顶加载分析时，对桩顶施加-0.5m的位移。

S5.4、设置桩土接触属性，将桩身与桩周土的接触法向设置为硬接触，切向设置为罚接触，摩擦系数取将桩底与沉渣的接触法向设置为硬接触，切向设置为无摩擦；沉渣与桩周土之间不设置接触。

S6、网格划分，对桩周土体模型、桩基模型各边设置网格边界节点；

网格划分通过如下方式进行：

选择单元类型为八节点线性六面体减缩积分C3D8R单元，对桩周土体模型和桩基模型划分网格。

S7、建立计算作业，整理计算结果；

提取最后一个增量步的桩基荷载-沉降曲线，选取沉降曲线明显拐点处对应荷载作为桩基极限承载力，提取桩基极限承载力时桩身轴力和桩侧摩阻力随深度的变化曲线。

S8、更进一步地，保持桩底沉渣厚度不变，结果改变沉渣加固体的材料属性，提高桩底沉渣弹性模量，复步骤二至步骤七，获得不同固化剂含量的沉渣加固体对桩基极限承载力、桩身轴力和桩侧摩阻力的影响规律。如图3-7所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取沉渣参数，在施工现场对钻孔后孔底沉渣进行取样，设置不同分量的沉渣固化剂，将所述沉渣等分成若干份，将不同分量的所述沉渣固化剂与每份所述沉渣进行混合，待凝固后得到沉渣加固体，对未经加固的所述沉渣和所述沉渣加固体进行试验，得到所述沉渣和沉渣加固体的物理参数；

S2、建立计算模型，建立桩周土体模型和桩基模型，所述桩周土体模型的桩周土包括沉渣部分；

S3、参数设置，设置所述桩周土体模型、桩基模型参数；

S4、装配，将所述桩周土体模型和所述桩基模型进行装配，调整所述桩周土体模型和所述桩基模型相对位置，使所述桩基模型对准所述桩周土体模型的桩孔；

S5、分析参数调整，对装配后的所述桩基模型、桩周土体模型进行分析，并调整过程参数；

S6、网格划分，对所述桩周土体模型、桩基模型各边设置网格边界节点；

S7、建立计算作业，整理计算结果；

S8、重复步骤二至步骤七，获得不同固化剂含量的所述沉渣加固体对桩基极限承载力、桩身轴力和桩侧摩阻力的影响规律。

2.根据权利要求1所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S5包括如下步骤：

S5.1、地应力平衡分析，利用有限元模拟软件的生死单元功能，分析禁用沉渣和所述桩基模型，通过在所述桩周土体上添加预定义应力场，消除由于所述桩周土自重产生的变形；

S5.2、灌注桩分析，用有限元模拟软件生死单元功能分析激活沉渣和所述桩基模型；

S5.3、桩顶加载分析，采用在桩顶施加位移的方式对桩基施加荷载；

S5.4、设置桩土接触属性，将桩身与桩周土的接触法向设置为硬接触，切向设置为罚接触，摩擦系数取tan(0.75φ)；将桩底与沉渣的接触法向设置为硬接触，切向设置为无摩擦；沉渣与桩周土之间不设置接触。

3.根据权利要求2所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S5.1包括如下步骤：

S5.1.1地应力平衡分析时，对所述桩基模型、桩周土体模型整体施加重力加速度g＝9.8m/s²，约束土体四周水平位移，约束模型底部位移，并约束桩孔处土体的水平位移。

4.根据权利要求2所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S5.2包括如下步骤：

S5.2.1灌注桩分析时，对桩孔处土体的水平位移的约束，考虑海域段桩基存在永久钢护筒的情况，将成桩后的桩体与钢护筒看做一个整体，约束存在钢护筒段的桩基水平位移。

5.根据权利要求2所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S5.3包括如下步骤：

S5.3.1桩顶加载分析时，对桩顶施加-0.5m的位移。

6.根据权利要求1所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：

S2.1利用有限元数值模拟软件，建立所述桩周土体模型和含永久钢护筒的所述桩基模型，所述桩周土体模型、桩基模型尺寸按实际工况取值，桩周土直径取20倍桩径，深度取2倍桩长；由于对称性，取模型1/4进行分析。

7.根据权利要求1所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S3的参数设置具体如下：

S3.1所述桩周土体模型中桩周土部分和沉渣部分均采用Mohr-Coulomb模型进行分析，所述桩周土体模型参数通过地勘报告获得，所述沉渣加固体参数根据步骤S1试验获得，所述沉渣加固体如无弹性模量时，弹性模量根据2-5倍压缩模量选取，所述桩基模型采用理想弹塑性模型，材料参数按实际钢筋混凝土材料取值。

8.根据权利要求1所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S6网格划分通过如下方式进行：

选择单元类型为八节点线性六面体减缩积分C3D8R单元，对所述桩周土体模型和所述桩基模型划分网格。

9.根据权利要求1所述的一种永久护筒及沉渣固化提升灌注桩承载力的分析方法，其特征在于，步骤S7建立计算作业：

提取最后一个增量步的桩基荷载-沉降曲线，选取所述沉降曲线明显拐点处对应荷载作为桩基极限承载力，提取所述桩基极限承载力时桩身轴力和桩侧摩阻力随深度的变化曲线。