[防挤槽在沉桩挤土中效果的有限元模拟]吐槽大会

　　摘 要：本文基于有限元软件，建立了考虑桩土相互作用、几何大变形、材料非线性的沉桩挤土有限单元法模型，得到了设置防挤槽对沉桩后桩周土体位移和应力分布规律的影响。防挤槽槽前土体水平向失去约束，在桩的挤压作用下，土体运动主要表现为水平位移，竖向则表现为轻微下沉；防挤槽的存在能有效地减少槽后的土体位移，但在槽深范围内效果明显，而槽底以下的挤土位移场和无槽时差别不大。
　　关键词：沉桩；挤土效应；防挤槽
　　中图分类号：TU47 文献标识码：A
　　
　　一、问题的提出
　　管桩是目前广泛采用的一种基础形式。与传统的沉管灌注桩和钻孔灌注桩相比，管桩具有生产工厂化、成桩质量高、施工工艺简单、工期短、造价经济和监理方便等优点，因而广泛应用于高层建筑、桥梁、电力设施和码头等基础工程中。但随着管桩应用的不断增加，工程中也出现了许多问题，由于管桩属于挤土桩，沉桩时会使桩四周的土体结构受到扰动，改变了土体的应力状态，从而产生挤土效应，大量的土体位移常导致临近建筑物基础上抬、结构变形、地坪和墙面开裂，损坏地下管线和设施以及边坡失稳等一系列环境事故。因此，沉桩挤土的防治和预测的研究已成为岩土工程的一个重要课题。
　　本文基于有限元软件，建立了考虑桩土相互作用、几何大变形、材料非线性的沉桩挤土有限单元法模型，得到了设置防挤槽对沉桩后桩周土体位移和应力分布规律的影响，得出了一些对工程有益的结论。
　　二、模型建立
　　1、计算简图
　　图1为有限元计算简图。土体水平和竖直计算区域均为2倍桩长，为了降低自由度、减少计算时间，计算模型采用轴对称模型，土体上表面为自由边界，下表面水平、竖向均固定，右侧面水平固定。
　　2、计算参数的选取
　　有限元计算中，由于桩的变形对挤土产生的周围位移、应力较小，为计算方便故桩采用刚体模型。土体的材料特性采用Mohr-Coulomb本构模型，考虑土体的初始地应力。桩土间采用库伦摩擦，摩擦系数u=0.1，桩土间极限摩阻力τmax=15kPa。
　　
　　沉桩前，可采用开挖槽沟的方法进行隔离，以减少地基浅层土体的侧向移和隆起影响，并减少邻近浅埋式基础的建筑物和地下管线的差异变位影响，由于防挤土槽主要用于浅埋基础及地下管线，故其深度不需要太大，而且槽深较大易造成坍塌。槽的宽度一般为1-2m，综合考虑按表2来选取防挤槽的参数。
　　
　　取直径400mm、长10m的桩，土体计算区域为20m×20m，桩土计算参数同前。
　　1、防挤槽槽前槽后位移分布规律
　　为研究防挤槽对槽前槽后位移分布的影响，取防挤槽宽度b=1m，防挤槽深度为h=2m，槽左边界至桩轴线距离a=2m，对槽前（距桩轴线X=1m处）槽后（距桩轴线X=4m处）的位移分布进行分析，结果如图3、4、5、6所示。
　　图3、5为防挤槽距桩中心1m时的槽前(x=1m)位移。可以看出：(1)水平位移，在地表以下3m范围内有一定增大，而在地表
　　以下3~5m范围内则有所减小，对5m以下范围则影响较小；(2)竖向位移，在地表以下6m范围内，有一定减小，6m以下范围内影响较小。这是由于开挖防挤槽，槽前土体水平向失去约束，在桩的挤压作用下，土体运动主要表现为水平位移，竖向则表现为轻微下沉。
　　图6X=4（槽后）有无防挤槽竖向位移对比
　　图4、6为防挤槽距桩中心2m时的槽后(x=4m)位移。可以看出：(1)水平位移，在防挤槽深度范围内显著减小。(2)竖向位移，地表以下4m范围内，设置防挤槽比无槽情况下竖向位移要大，4m以下位移有所减小，但幅度小于水平位移。以上说明防挤槽的存在能有效地减少槽后的土体位移，但在槽深
　　范围内效果明显，而槽底以下的挤土位移场和无槽时差别不大。该结论符合鹿群[9]的研究结果。因此，设置防挤槽深度必须大于被保护对象的深度。
　　2、防挤槽深度影响
　　取槽左边界至桩轴线距离a=2m，防挤槽宽度b=1m，防挤槽深度分别为1m、2m、3m，建立不同的模型，对不同隔挤槽取距桩轴线4m处进行分析，计算结果如图7、8、9所示。
　　由图7、8、9可以看出，随着槽深的增加，防挤槽后的水平位移、水平应力有显著的减小，对槽后的竖向位移影响幅度较小。从图10中也可以发现，槽后的水平应力在槽深以下一定范围内水平应力较无槽时有一定增大，这是由于防挤槽的设置产生了应力集中现象的影响。
　　3、防挤槽距桩轴线距离影响
　　取防挤槽深度h=2m，防挤槽宽度b=1m，槽左边界至桩轴线距离分别为1m、2m、3m，建立不同的模型，对不同隔挤槽取距桩轴线4m处进行分析，计算结果如图10、11、12所示。由图10、11、12可以看出，随着防挤
　　图7不同槽深对X=4水平位移的影响对比
　　 图8不同槽深对X=4竖向位移的影响对比
　　图9不同槽深对X=4水平应力的影响对比
　　槽距桩轴线距离的增加，同一位置的水平位移、竖向位移都有所增大，防挤槽的效果减弱。故工程中防挤槽应尽量靠近沉桩区域。由图10、12可以看出防挤槽距桩轴线距离的不同只对地面以下2~4m范围内的水平位移和水平应力有所影响，对4m以上的竖向位移有所影响，其他范围影响较小。
　　结论
　　1.本文基于有限元软件，建立了考虑桩土相互作用、几何大变形、材料非线性的沉桩挤土有限单元法模型，得到了设置防挤槽对沉桩后桩周土体位移和应力分布规律的影响。
　　2.防挤槽槽前土体水平向失去约束，在桩的挤压作用下，土体运动主要表现为水平位移，竖向则表现为轻微下沉。防挤槽的存在能有效地减少槽后的土体位移，但在槽深范围内效果明显，而槽底以下的挤土位移场和无槽时差别不大。
　　3.随着槽深的增加，防挤槽后的水平位移、水平应力有显著的减小，对槽后的竖向位移影响幅度较小。
　　随着防挤槽距桩轴线距离的增加，同一位置的水平位移、竖向位移都有所增大，防挤槽的效果减弱。
　　参考文献
　　[1]基于变分原理的静压沉桩挤土效应理论解答研究[J].岩土工程学报，2009(01).
　　[2]基于模型试验的群桩沉桩挤土效应微结构分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2009(01).
　　[3]沉桩挤土位移应力变分解和积分泛函收敛性分析[J].力学学报，2009(04).

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