（水工结构工程专业论文）工程中残桩、断桩的形成机理及检测.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 桩基由于其诸多优点在城市建设中获得日益广泛的应用，然而在各 类桩的施工过程中由于各种因素会导致残桩、断桩的出现，这对于工程 质量及结构安全造成相当严重的影响。很多学者从多方面对工程中残 桩、断桩的形成机理及检测问题进行探索，但目前仍然没有获得满意的 结果，尚需要做大量的研究工作。 本文详细论述了几种常见桩基的残桩、断桩形成原因。 本文基于弹塑性有限元原理，用通用有限元软件m a r c ，考虑桩土 相互作用，对沉管灌注桩沉管旋工过程进行分析计算。以此为例，以数 值分析的新思路研究相邻桩旖工对桩体的影响，以此来尝试弥补理论研 究方面的不足。 本文重点对残桩、断桩的量化理论进行了深入的研究，以应力波理 论为基础，建立了功能性强的计算机分析程序。建立桩土模型，对桩离 散化，依据反射信号的幅值用对域拟合曲线方法对桩身缺陷进行了量化 分析。给出优化计算的原理和步骤，并结合了工程实例对比。 在总结前人研究成果的基础上，本文采用新的思路和方法对工程中 e 残桩、断桩的形成机理及检测问题开展研究，对后续研究提出了看法， 并指出对工程中残桩、断桩进行监控及检测，对提高工程质量和经济效 益具有实践和理论意义。 关键词：残桩、断桩；形成机理：检测；量化 l l 一 坐奎奎堂堡圭堂垡堡一苎一 a b s t r a c t p i l ef o u n d a t i o n sh a v e b e e nb e i n ga p p l i e d a b r o a df ort h e i r e x c e l l e n c e b u tt h ep i l ed e f e c td ur i n gt h ec o n s t r u c t i o nw i l ld om u c hh a r m t ot h eq u a n t i t yo ft h ep r o je c t p e o p l eh a v eg o t t e ns o m ea c c o m p l i s h m e n t ont h ef or m i n gm e c h a n is ma n di n s p e c t i o no f t h ed e f e c t ，b u ti t sn o t e n o u g h t h er e a s o nsf ort h eu s u a lp i l ed e f e c ta r ed is c uss e di n t h isp a p e r v i t a l l y b a s e du d o nt h ee l a s t i c p l a s t i c a n df i n i t e e l e m e n tt h e o r y ，t h is p a p e rusesf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r em a r c t oa n a l ys ea n dc a l c u l a t et h e c a s e d i n - s i t ep i l ew i t hs u n kc a s i n g s t u d y i n gt h ei n f l u e n c e b e t w e e n p i l e su s i n gn e wn u m e r i c a lv a l u ea n a l y s ew i l lm a k eu pt h et h e o r y i nt h i sp a p er ，b a s e du p o nt h es t r e s s w a v eq u a n t i t a t i v et h e o r yi s d is c u ss e da n de r e c ts t r o n gc o m p u t e r a n a l y s ep r o g r a m i n c l u d i n g d i l e - s o l i dm o d e l 、t h ed i s p ers eo fp i l e sa n dt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e p i l ed e f e c t a f t erc o n c l u d i n gt h ef o r m e rr e s u l t s ，t h isp a p e rc o n s i d e r sn e w t h o u g i l t 、n e wm e t h o da n ds t u d yt h ed e f e c t i nf or m i n gm e c h a n is ma n d i n s p e c t i o n i tw i l lh e l pt oi m p r o v et h eq u a n t i t ya n d t h eb e n e f i to fpr o j e c t k e yw o r ds ：p i l ed e f e c t ； t h ef o r m i n gm e c h a n is m ；i n 8 p 。1 0 “ q u a n t i t a t i v ea n a l y s e e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蔓嶙 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：燃导师签名：查捌 日期：地：坚： 山东大学硕士学位论文 符号说 明 ，。t * t a * 。* e 口日6 $ 。# # 。r 地基土塑性系数 口 -，s“*，。e”w#q。*8 桩截面完整系数 e 正应力 +。 土体的粘聚力( k p a ) 一土体的内摩擦角( 度) ，土体任一受力面的极限抗剪强度( k p a ) ，+*，v” 单元刚度距阵 t= 一单元节点上的等效外力 t+“v 单元节点位移 弹性模量 m，“ 一泊松比 。一， - - 一密度( k g m3 ) 一一 桩侧土体最大侧向挤压力 ；tt 一土的天然抗剪强度。 *；。一 ，。室内侧限压缩模量 *tr。n， 截面面积 一 反射系数 透射系数 - 两种介质的波阻抗比值 一 优化程序目标函数 t-r一 初始步长 优化程序寻找方向e x ， 。 。 巾 气e f 乱 e ， p 只 瓦 e a f t 、 m 。 山东人学碗上学位论文 第一章绪论 1 1 桩基概述 随着我国城市建设的发展，高层建筑，市政交通设施日益增多，桩 基础得到普遍采用。由于桩能将上部结构的荷载传到深层稳定的土层上 去，从而大大减少基础的沉降和建筑物的不均匀沉降，所以在地震区、 湿陷性黄 地区、软土地区、膨胀土地区及冻土地区等都得到了广泛应 j h 。另外，在长剃受动力作用的机器基础及其邻近的厂房柱基，为减少 蛙舳的振动，防止柱基的振动沉陷，通常也采用桩基。 作为利t 极为有效的、安全可靠的基础形式，一般在下列情况卜采 用桩攮较为合适： ( 1 ) 软剥j ：层厚，丽软 二下有较好的土层或岩层作为桩的持力层。 ( 2 )f ：部结构很重或荷载集中，天然地基无法解决或不经济。 ( 3 ) 有比较大的水平荷载情况，例如微波电讯塔基础。 ( 4 ) 建筑物要求严格控制不均匀沉降的基础。 ( j ) 结构物下土层有被冲刷和侵蚀的，例如桥基等。 ( 6 ) 无法使刚天然地基晌特殊基础。 1 2 桩基目前状况及存在的问题 近年求，桩照成为我国工程建设中很重要的种基础形式，据不完 全统汁，胁我困缚年用桩点 约3 0 0 多万根，桩基， 程造价通常】ir 程 总造价的旧分之以上。桩隐蔽于地下，由于地质条件、水位、施。l ：技 术等种种原因而 | ；现残桩、断桩。特别是钻孔灌注桩以其造价低施 j 简便l m 夼符种桩型 ，所占的比重最大。在软弱地基- | 】的高层，超l 讶联建 筑，桥梁塘砌，| 】钻孔潍i ：机儿乎r i 据全部。由于钻孑l 灌注桩是先成孔后 灌j l ! ，闲m 桩的质撤在很大稚度，i ：取决于桩孔的成型质量，特别是存复 杂的地层条件卜易出现塌孔、缩径、钻孔不到位以及孔底沉渣过厚等 问题，同时，城市住宅t 程中广泛采用的沉管混凝土灌注桩( 包括夯扩 桩) ，山于其地质条件地下水位，拔管速度，混凝土搅拌质最等种种 原因，往往容易出现诸如离析、缩径、断桩以及央泥等多种种缺陷，这 些残桩的存在严重地影响桩基础的质量以及建筑物的安全。国内外资料 表明：灌注桩中2 0 以上存在不同程度的质量问题。由于桩基础为隐 坐至查兰婴兰篁丝兰 蔽工程，表面不可见，在施工中很难发现。特别是桥梁等单桩单柱工程 中，往往一棵桩的质量好坏决定着局部荷载的成败甚至影响整个工程， 造成局部不均匀沉降，导致上部结构受力状态发生改变，从而形成很高 的破坏应力，使上部结构梁柱发生断裂，建筑物倾斜甚至倒塌。因此， 为防范于未然，桩基工程的质量检测是非常重要的。准确地对桩基质量 进行检测，对有问题的桩基工程采取补救措施，清除事故隐患是一项 极为重要的任务。目前，国内外对工程中残桩、断桩形成机理的认t 还 小j ：；i 入，分析大多侧重于经验及事例总结，很少对其形成机理进行理论 汁颤和数值分析。 近年_ ) i 乏，随着计算机技术及检测手段的提高，桩基完整性检测是国 内外岩，j 二工程界广泛关注的课题。从检测方法雨占，有钻孔取芯和波动 效j 避法。钻孔取芯是种较直观的检测方法，其缺点是成本高月无法火 f i ：袱桩普查；波效法无损检测是目前较多采用的边界( 端部) 反射波 法，州。分为机械阻抗法，水电效应法和应力波反射法。应力波反射波法 怒h 前广泛采用同时又便于进一步理论分析的方法，检测仪器有美国 1 ) 1 ) i 公d 的pi ，r 桩基完整性检测仪。 低i t i 变桩繁完整性检测建立在应力波传播的理论基础上，以手锤敲 击桩顶，产生一个沿桩身向下传播的应力波，当桩体沿轴向均质断面( 阻 抗) 无变化时，其速度和幅值保持为常量。当桩深度某一位置出现不连 续性( 诸如：缩扩径离析，央泥及断裂) 时，都将显示出不同的桩身 f j j i 抗，在习i 连续部位，部分的入射波将发生反射，而其余则跨过不连续 而透射，爿i 连续性的性状将确定反射波的类型，每一类型的不连续性产 生l ，p 特征的反射波。应力波由装在桩顶的加速度计测出并山仪器记 求卜米，由测得的加速度进行积分而得到速度曲线。因此，时域的速度 f | | j 线便是桩身缺陷分析的边界条件，它是桩下部缺陷在桩顶的反映，缺 | j f ! i 的类型及手! 度使出其测得的边界条件所确定。 缺陷桩的检测判别中较为重要的指标是两个：一为缺陷的性质，即 这种缺陷是波阻抗减小型( 不利缺陷，如缩径，离析，央泥以及断裂等) ： 还是波阻抗增大型( 有利缺陷，如扩径) 。不利缺陷将使桩的承载能力 、 降低：有利缺陷基本上不会降低桩的承载能力。缺陷的位置及性质从检 山东大学硕士学位论文 测的时域速度信号反射点及相位来判定。另一个指标为缺陷的定量确 定，也就是说，桩身缺陷缺损到什么程度，量是多大，对承载力有多大 影响，目前，国内外尚未彻底解决，特别是建筑规范并未有明确的判别 标准，这使得检测人员在实际检测过程中无法对其缺陷做出定量的判 断，因而设计者对其检测结论无法作出设计上的调整。究其原因主要是 应力波反射理论虽然较成熟，但是其应用于桩基检测中，应力波沿埋入 j ：l p 桩的传播丽将其视为一维杆的传播有较大差异，这种差异j 三要是山 桃周f ：造成了波能量的衰减所致。因此，维波动传播理论应用= ) = 。! 无 限f ：体的桩中，波能量的耗散需要解决，这一方面的工作须做进一步的 ：f i j f 究和探讨。 桃基缺陷目前为人为定性分析，也就是说，根据反射波的类掣确定 缺陷的性质，根据畸变波出现位置的波型幅度人为判定其缺陷的程度。 但是在实际检测过程q 会造成很大的随意性，缺乏统一标准和依槲：h 时波在传播过程中极其复杂，往往多次叠加，判别往往是困难的。山r 量化程度的难以确定因此，缺陷对承载力的影响便难以做出估计， 6 u ，特别是桩基规范，如j g i94 一- 9 4 建筑桩基技术规范对此无i ! j i 确 的定沦，低应变规程j ( ：j t 93 9 5 基桩低应变动力检测规范缺乏 缺陷懿的概念，对测试人员来说难以作为标准柬使用。 1 3 本文的主要工作 本文在广泛查阅、收集和整理中外文献的基础上，采用了新的思路 利办法研究1 i 秤中残桩、断桩的形成及检测问题。主要作了以f 。1 ：作： ( 1 ) 刈j ：垓问题的研究国内外进行的工作较少，大多限于一此定性报 道和习 故处理方丽的报道，丽对其理论分析由于影响因素较多，汁算较 复杂，所以殚沧汁弗疗丽研究较少。本文广泛查阅资料，夏点研究了儿 种常地桩型，埘其工程中贱桩、断桩的形成进行归纳总结。并择其种， 苟虑桩土相互作用建立椅台实际的数学模型，尝试利用数值分折的疗法 研究其形成机理。 ( 2 ) 考虑桩土相互作用的理论主要有：荷载传递法、弹性理论法、剪 切位移法、有限单元法等。本文以有限元的方法。采用通用有限元软件 m a r c 对沉管灌注桩工程沉管过程中易形成残桩、断桩的机理进行计算 4 生查点堂堡主堂些丝兰 分析，求解桩身内力和变形，并从中得到了一些有用的结论。 ( 3 ) 低应变桩基完整性检测作为确保深基础( 桩基工程) 质量的一种 可靠手段，越来越得到普遍应用。为了提高工程中残桩、断桩检测的科 学性，解决其量化分析的问题，本文以应力波理论为基础，采用的结构 化1 u r b oc + 十语言，编制了功能性强的计算机分析程序，借助于电子计 算机技术在桩体应力波传播的时域和空间( 长度) 坐标内，以应力波仞、 边值条件，用波动理论偏微分方程的拟线性解，建立桩土模型，对批离 敞化，通过数值反分析运算，柬实现桩身缺陷的量化目的。 些查查堂望主堂垡笙茎 第二章几种常见桩基的断桩形成机理 2 1 沉管灌注桩 沉管灌注桩是目前国内广泛应用的一种桩型。这种桩在松软土层中 施工，成桩速度快，设备简单，辅助设备少，桩周土被挤实，无泥浆污 染，场地整洁。但在施工过程中经常出现缩径、央泥等桩身缺陷，尤其 是断桩往往给工程安全造成隐患或致使建筑物产生不均匀沉降等工程 质量事故。其常见断桩类型及形成原因为： 1 、央泥：这类断桩主要发生在含水量大、灵敏度高的饱和流塑状 淤泥层中。其产生的主要原因是由于拔管速度太快、砼坍落度偏小、淤 泥的侵入而形成。 2 、挤压：这种断桩主要发生在密实度较高的土层中，由于相邻桩 沉管的侧向挤压而致。主要有以下几种原因：( 1 ) 土层含水率及超静水 孔隙压力对桩的影响，沉管时在土体内部产生挤压应力，使存在于士体 巾的孔隙水压力升高，随着成桩数量的增加，推动上部土层产生侧向位 移或向上隆起，形成上托力，甚至可能将桩身托起，形成悬空现象。( 2 ) 当混；疑土灌注完毕，拔管到接近地面时，桩管内砼量少，砼自重小，剥 _ ：层压力减少，在桩管起拔后，容易将表层土拔起，再加上土层的挤压 力，使得已打的桩被拉断。( 3 ) 桩身混凝土处于地下水两种不同的状念， 机身j ：部处 二饱和静水中，下部浸在流动水中，桩身上下两段砼养护条 俐：h i 同，其凝固速度与收缩率也不同，从而在上下两段临界部分造成缩 径，严重时可能造成断桩。若赶上冬季施工，即使采取防护措施，出于 受；东胀应力的影响，也很可能在临界部分造成缩径或断裂。 ：i 、剪裂：这利，断桩主要发生在表层土坚硬而下卧淤泥层的地撼f ： i l ，l 桩距较小由于在士中强行沉管管身将土体向四周挤丌，对已 施打的邻桩，产生很大水平挤压力引起剪切作用，严重者即产生断裂： 其次混凝土在浇注过程中，拔管速度过快，混凝土的充盈系数得不到 保，在桩管内形成真空吸力，对混凝土桩头产生拉力，也可能造成桩 身缩径。另外，已完工的桩，在载重汽车、桩机的碾压下，可能对桩产 生横向或斜向推力，把桩剪断。 4 、悬空：这种断桩易发生在密实性砂层中，灌注过程中砼不易扩 坐查盔堂堡主堂垡堡苎 散形成。产生这种断桩的原因有以下几点：( 1 ) 砼粗骨料粒径偏大，引 起卡管，造成隔塞，阻碍了砼下落和扩散。( 2 ) 砼和易性差，坍落度较 小，拔管对砼产生较大的摩擦力，局部桩身缩径。( 3 ) 钢筋笼制作时， 内径偏小，箍筋较密，阻碍了砼下落与扩散。 j 、离析：这种断桩主要由于使用水泥变质和拌制成砼的工艺参数 1 ：当造成。主要有以下几方面：( 1 ) 选用的水泥有一部分变质或未按波 汁配比拌制砼，形成一段砼无强度或强度很低，形成断桩。( 2 ) 砼和坊 一眺蓐，拔管过程中，如砼受振动时问太久，发生离析现象，水泥砂浆浮 起，碎、卵石下沉，严重时便产生断桩。( 3 ) 遇到浅部地下水压j 较人 时，滋完砼拔管后会产生冒水现象，冒水的过程会使水泥浆大繁流火， 桩身。0 部仪剩下粗骨料，从而造成断桩。 2 2 钻孔灌注桩 钻孔灌注桩以其造价低，施工简便而在各种桩型中所占的比- n 址 大。仵软弱地基中的高层，超高层建筑，桥梁基础中钻孔灌注桩儿y - - l 抛令部。l 扫于钻孔灌注桩是先成孔后灌注，因而桩的质量在很人群j ! ：i ： 耿决j ：桩孔的成形质量，特别是在复杂的地层条件f ，若浇灌过稚搬作 4 i “1 ，容易出现以下质量问题： 1 、由于停电或其它原因，浇灌混凝土不连续，删断定时刚肝， 1 辎水层混凝土凝固，形成硬壳，后续的混凝土将灌不卜_ 去，h 好l - 拨甘 话- ，导管一f 口离丌混凝面，泥浆进入管内便形成断桩；其次是川加 人毹：内 l _ l l 凝土眶力等办法冲破隔水层，形成新隔水层，那么老隔水j z ：f 氐 质混凝：残尉在桩身中，形成桩身局部低质混凝土。 2 水f 浇灌涮凝i ：i ：艺的桩，一般桩径不。“小1 ：6 0 0 m m ，_ i j f f 机 经过小导锐：和钢筋笼占据一定空i s , j ，：f j l ii ： l 健干钢筋的摩叭山f 1 ； ；皑；疑一1 ：f ：升困难，容易堵管形成断桩或钢筋笼一i ：浮。 3 泥浆应按以下比重配制否则孔壁容易坍塌而形成断桃。 粘土和粉质粘土，可以就地造浆，泥浆比重控制神；1 1 1 2 之n i j ： 粉上和砂土，应专门制备泥浆，一泥浆比重控制往1 2 1 j 之n u 。 砂卵石和流砂层，泥浆比重控制在1 3 左右。 软弱土层，泥浆比重控制在1 5 左右。 坐查查兰塑圭堂堡堡塞 制备泥浆应选择塑性指数i p 1 0 的粘性土或膨润土制作。 4 用正循环洗孔时，应根据孔的深浅，控制洗孔时间或孔口泥浆比 重。当清孔时间过短，孔底沉渣太厚，将影响端压承力的发挥。 5 水下混凝士必须具备良好的和易性，坍落度宜为1 8 2 0c m ，水泥 用量不少于3 6 0 k g m ，否则易产生离析现象。 6 导管连接密封要好，一旦漏水将形成断桩。汁算埋管深度有误或 操作失误造成导管提出混凝土面，造成混凝土离析。 7 混凝土原材料( 水泥、粗、细骨料) 未经检验合格，或没按配比 配制，易造成空洞、裂缝，降低桩体强度，或堵塞导管而无法币常灌注。 2 3 人丁：挖孔灌注桩 人工挖孔灌注桩一般在无地下水土层或有水但一台水泵能抽于的 情况卜_ 使用，有丰富地下水情况或涌砂的地层不宜采用。人工挖孔是人 工用铁锹或风镐( 岩石) 挖掘，用手摇辘轳( 或电动葫芦) 提土成孔。 为1 ：! 汪人身安全，人工挖孔都要采用护壁。一般土层是每挖深lm ，做 层护壁，护壁用细石素混凝土现场浇注，四块薄铁板拼接为模扳，j ：f l l 蹙厚l0 一lj m m 。护壁形状有外齿式和内齿式两种，上下节护壁的塔接为 5 0 7 5 m m ，外齿式的节问有一小台阶，大大增加桩侧阻力。 人 j 挖孔灌注桩具有以下优点： 1 没备简单，因劳力便宜，造价较低。 2 无振动，无噪声，最适用场地狭窄，周围建筑密集，机械钻机1 ： 能到位的工程。 ： 孔形易于检查；孔底虚土易清除干净，保证质量和单桩承载力。 1 可根据土层随意改意孔深，并可任意扩底，提高单桩承载力。 但址人：【成孔尤其有地下水情况，易发生以下质量问题： l 、地卜水渗流严重的土层，易使护壁崩塌，土体失稳塌办。 2 、在有流砂层或有水压力的土层挖孔，护壁底部土层常突然失去 强度，泥土随水急速涌出，产生井涌使护壁与土体脱空，或形成孔形 不舰痢。 、 3 、挖孔过程采用边挖边抽水，致使地下水位下降，护壁易受到下 沉土层产生的负摩擦力作用使护壁受到拉力，产生环向裂缝。当护壁 坐至奎兰堡u 圭兰篁堡墨 受到周围土压力不均匀，将产生弯矩和剪力作用，易引起垂直裂缝。桩 制作完毕，护壁和桩身混凝土成为一体，护壁成为桩身的一部分，护壁 裂缝或错位将影响桩身质量和侧阻力的发挥。 4 、孔较深时，浇灌混凝土务必用导管或溜槽，否则混凝土从高处 自由下落易产生离析。 j 、i l 底水不易抽干或未抽于情况下浇灌混凝土，使桩端混凝：f ：稀 释，端阻力降低。 2 4 混凝土预制桩 。 钢筋混凝土预制桩施工过程应注意以下问题： i 打桩时选用合适的锤越和桩挚至关重要。锤颦是桩帽与锤之问 的桃层，锤挚通常用橡木或硬杂木制成：或者用塑料制品、硬橡胶、钢 丝绳盘绕，顶部安放钢板；或者塑料、硬橡胶和钢板或铝板互层等做成。 桃毕足桩顶与桩帽之间的挚层，桩挚般采用多层木质挚，每层按9 0 ” 交义伽簧，也有用布辇，为了降低成本，有的旋工单位用纸箱板、草举 等代惜。 锤批和桩挚起到降低锤击压力、使锤击力分布均匀和调整锤击过程 的持续时i 瑚的作用，可以将锤击能量更有效的传递给桩，以及缓冲锤，卷 的冲r 旨力、使桩内打桩应力不超过容许值。挚层过软会降低锤击能量的 传递，使桩沉入困难；垫层过硬，增大锤击压实力，容易击碎桩头。同 时篮考虑锤击应力可能不均匀分布和反复作用对混凝土强度的影响， 般戤犬锤。b 压应力不容许超过混凝土抗压强度的6 5 。 2 、产生打桩拉应力使混凝土丌裂。桩应力的产生及大小和桩尖十： 特性、桩侧土阻力分和、入土深度、长径比、锤偏心程度和挚层特性自 哭，符桩较长、桩尖土质差情况下锤击入射的压力波传递到桩尖往往 反射为拉力波，最大拉应力火多发生在打桩初期桩身中部一定范围。约 0 ： 0 7 倍桩长位置。当桩尖土质较颦硬入射压力波从桩尖反射仍 为压力波，压力波传至桩项，此时桩锤已回跳离丌桩顶压力波从自d | 桩顶再次反射形成拉力波，这时最大拉应力一般发生在桩的上部。当拉 应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土将开裂。例如一根4 5 0 4 5 0 m m 预 制桩，桩长2 4 m ，混凝土强度c 4 0 ，桩尖持力层粉质粘土，用锤重4 0 k n 8 山东大学硕士学位论文 自由落锤进行动力试桩，从测桩仪反映，第一锤桩身质量完好，第二锤 桩断面完整系数p = o 8 ，距桩顶7 8 m 处，拉应力值为3 m n m2 ，超过混凝 土抗拉强度，根据钢筋混凝土结构设计规范估算，裂缝宽度为0 15 m m 左右。 3 、沉桩困难或达不到预定深度。原因有桩锤选用不合适；土层变 化较大，有硬夹层、填土中有障碍物或孤石；桩倾斜较大，锤击偏心， 能量损失大：长细比过大，桩纵向失稳：打桩不连续，中断停歇时f s j 过 长，土阻力充分恢复；桩头或桩尖破损，无法继续施打等。 。 4 、接桩质量不好产生断桩。当桩入土深度较深时，需采用多符桩 连接。连桩方法有机械式、焊接式和浆锚式目前方桩多数用角钢焊接 法，预应力管桩用剖口对焊法，施工中经常出现焊接质量差，桩经数f j 锤锤击后，焊缝丁r 裂，上下节桩错位。形成断桩。 5 、桩间距过小或遇土层较好的粘性土。打桩过程地表土向上隆起， 桩j 二拾，端承力还将有丧失。 6 、制作时，桩头钢筋网片设置、配筋、混凝土保护层不合要求， 或桩顶不平、混凝土强度过低等，扣桩时都易击碎桩头和桩身。 7 、存软弱十层中打桩，常常遇到桩尖进入硬壳层的情况。若桩未 打入的部分长细比较大，或者是桩身植在较厚的软弱土层中、而桩尖进 入“琏硬t 层锤击时，桩身会产生侧向振动，在偏心锤击力作用f 桩身 产q i 弯曲附加应力，使预制桩某一侧面受拉。在反复的锤击力作j = jr ， 。，机侧拉应力超过混凝土抗拉强度时可能导致桩身断裂。 9 山东大学硕士学位论文 第三章有限元分析理论简述 3 1 桩土系统的离散化 在本文的研究中，将桩体和土体作为一个整体或一个系统来考虑， 既考虑了材料非线性又考虑了几何非线性，还考虑了桩土接触边界条件 非线性。但对这两者进行离散化时可以分丌处理。桩体在成桩过程中的 变形相对于土体来蜕可以忽略不计，因此在实际处理中可以将其看成刚 体，也可以将其当成变形体，这可以通过设定变形模量的大小束实现， 本文的研究主要关注桩体的应力及变形，桩体网格划分得比较细。靠近 4 j i ! 体农丽的土体网格细一些，其余土体的网格划分得粗一些。但还要考 虑计算工作量的大小，若网格划分得太细，随着节点数和单元数的增加， 汁算一作量会大幅度增加。另外，考虑到桩体与土体之间接触力处理的 方便，本文在计算中均采用四节点线性单元。 3 2 土的本构模型 3 2 1 士的变形特性 一忙的变形特性表现得很复杂，与其它材料( 如会属材料) 有很大的 4 im 。j ：体的固结历史对土的变形特性有重要的影响：根据应力历史， 地鹱| 二可以分为f 常固结土、超固结土和欠固结土，土体的压缩过程义 可以分为正常固结状态和超固结状态，处于不同状态的土的压缩曲线是 4 i 。样的。超固结状态和f 常固结状念两者在一定条件下又是可以相 转换的：i f 常圃结土经过卸载，就进入超固结状态，成为超固结土：超 i 州结i ：经过加载，当应力超过历史上最大的固结压力时，土体就进入了 n i 常i 删结状念，成为f 常周结土。 【l i 常固结粘土、松砂和中密砂的三轴试验应力一应变关系曲线通常 认为是双i h i 线的，在加荷过程中土体的体积不断收缩，主应力差( q 一 盯：) 随变形增大而增大，这种类型的应力一应变关系曲线称为加工强化 类掣曲线。超固结粘土和密实砂的三轴试验应力一应变关系曲线通常魁 带柯驼峰的曲线，在加荷过程中土体的体积最初收缩，随后即产生膨胀 主应力差( q d r ，) 随变礁增大而不断增大，直至峰值过了峰值，主 应力差( d r 一盯，) 急剧下降，曲线的坡度变成了负值，直至主应力差达 到一个极限值，即土的剩余强度，这种类型的应力一应变关系曲线称为 加工软化类型曲线。一种土的应力一应变关系曲线是加工强化类型还是 1 0 生壅查兰堡主兰篁笙塞 加工软化类型的，也不是一成不变的，在一定条件下是可以相互转化的 ( 例如，实验围压不同，曲线类型可能不同) 。 另外，土体的变形特性的复杂性还表现在以下几个方面： ( 1 ) 土体的初始模量与围压有关。 ( 2 ) 土体在剪应力作用下，不仅会产生剪切变形，还会产生体积 变形，称为剪胀性：作用在土体上的币应力对土体的剪切变形也可能产 生影u 向，称为压硬性；土体的应力和应变张量之间也存在交叉效应。 ( 3 ) 天然土层在强度和刚度上以及土体的初始应力表现出各伺异 性，其原因是在沉积和固结的过程中天然土层中的粘土颗粒及其结构f 冗排列的方向性，以及重力作用下天然土层中初始应力的各向不等压力 状态。由于结构方面的原因和土体应力方面的原因造成的各向异性分 别称为土体固有各向异性和土体应力各向异性。 ( 4 ) 土体不是单纯的弹性体或塑性体，而是具有弹性、塑性和袖 滞性的桃弹塑性体，j 二的应力应变关系是时间的函数，所以加荷速率刈 土的应力应变关系有一定的影l 晌，随着加荷速率的增加应力应变关系帅 线变陡。 ( 5 ) 土由固体颗粒、水和空气组成，与会属等材料的结构不同 在外部荷载作用下，士体的排水条件对应力应变关系有较大的影响。在 排水条件下，土体骨架之f l f j 的水和空气有可能被挤出，这与不允许排水 的条件有较大的差别。饱和粘土在不排水条件下，通常认为土体体积足 不变的，即泊松比等于o j 。土体在不同的排水条件下，应力应变形状 足很不棉嗣的。 其它索如应变路径、强度发挥度以及二i 二的状态、组成、结构和湓 度等对土二体的变形特性均有影响。 ：j 2 2 土的本构模型 山于t 体变形特性的复杂性，对于不同的问题根据工程的具体情 况，对土的变形特性进行简化。例如，长期以来，对于土力学的两大问 题( 变形闯题和稳定问题) 的处理方式是不同的。对于变形计算采用线 弹性模型，而对于土体的稳定计算则采用刚塑性模型。 、 随着计算技术和方法以及土工测试技术的发展，特别是近二十年来 电子计算机的功能的快速发展，为运用较复杂的应力应变关系分析实际 i l 坐堡茎兰堡主兰篁笙塞 工程问题提供了可能性。在工程实践的推动下，士的本构理论研究在近 二、三十年来得到了迅速的发展。现有的本构模型大体上可以分为弹性 模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型和内时塑性模型等几类。 弹塑性模型是由屈服条件、加载准则、流动法则和硬化规律四部分 组成。将屈服条件、加载准则、流动法则和硬化规律结合起来，发展了 很多的硬化模型。用于分析岩土工程问题的常用模型有： d h lckur h “g er 模型，m o h l - c o u l o m b 模型、l a d e 一9 u n c a n 模型、修 l f if r j 剑桥模型、变界面模型等。其中m o h r c o u lo m b 模型和修j f 的剑桥 模型魁j = j 的最广泛的两个模型。特别是m oh r c o u lo m b 模型其物理概 念简单明了，参数较少，已有一套完整的试验方法和试验手段，可方便 的挟锝模型参数，因此m o hr c o u lo m b 模型在岩土工程界得到广泛的使 川。征小文的分析中就采用m o h r - c o u l o m b 模型。 m ohr _ c o u 】o m b 屈服准则是c o u l o m b ( 17 73 ) 摩擦破坏规律的推广该 规律l l if 式定义： r 。= f 一盯。t a n ( 3 1 ) i r ，r o ! 上体任一受力面上的极限抗剪强度；盯f 】该受力面上的i r 心 力( 拉仲时为讴) ；c ：土体的粘聚力：土体的内摩擦角。 i ：，的几何解释如图3 一i ，它表示与最大主应力圆相切的一条直线。 除x c o i i柚。- i 一9 零o 瞳 、 一i q i 乙- = 曼。二 - 一玩+ 舭 图3 。1m o h r - c o u l o m b 屈服准则的m o h r 圆表示法 山东大学硕士学位论文 出上图可以看出，如盯，盯：c r 3 ，式( 3 1 ) 可以写成 一j 1 ( 旷叫c o s 姆一( 半一半s i n 们t a n 妒 整理之后，式( 3 2 ) 还可以写成 ( 3 2 ) ( 盯i 一仃3 ) = 2 c c o s 妒一( 盯l + 口3 ) s i n e ( 3 3 ) 在考虑了能够产生屈服的其他所有可能的应力组合如盯，盯仃、 时，就可以得到完整的屈服面。在主应力空间中完整的屈服面是一个锥 形的屈服面，如图3 2 所示。m 0 h r c 0 u 1 0 m b 屈服面过任一点的诈截面 都是非f 六变形，这是因为静水压应力影响屈服这一事实的必然结果 从式( 3 2 ) 的最后一项可以明显的看出这一点。当仉= 盯，= 盯、时，有式 ( ： ：j ) 平均静水压应力盯。= c c o t 庐，因此图3 2 中的六边形棱锥体的顶 点就是处在空间斜线盯= 盯，= 几= c c o t 庐上的点。 图3 - 2主应力空问中的m o h r - c o u l o m b 屈服面和d r u c k e r - p r a g c r 屈服面 i 刘3 3 町以看出，m o b r c ( 1 u 】o m b 屈服准则在石平面内存在六个奇抖 点：m 图3 2 可以看出，六边形棱锥体的顶点也是一个奇异点，而在数 值汁算巾奇异点附近收敛很慢。为便于对实际工程的数值分析t ，的成 刚，应浚对m o hr c 0 u lo m b 屈服准则作一些修正。 一一些至查兰堡尘堂竺丝苎 图3 - 3 屈服准则在口平面内的曲线形状 3 3 桩体的有限元分析法 3 3 1 线弹性分析有限单元法的基本步骤 、定义形函数( x ) ，进而通过单元节点变量a 描述单元域内连续的雹 u ( x 1 = n ( x ) a 。 ：、定义单元材料的相应，如应力、应变和热流等。 e ( x ) = 【“( x ) 】= b a 。 盯= a ( e ) = d e ( x ) 二i 、形成单元矩阵，建立单元与外界环境的平衡关系： k 。a 。+ 厂。= 0 其中彤。为单元刚度矩阵，厂。为单元节点上的等效外力，口r 为单元节 电位移。刚度矩阵按下式计算： k 。= f b r d b d v n 。讧蛀等淑外九为 一厂+ = ( x ) 。b d v + ( x ) 7 t d s + f n r 一社元刚度矩阵代表了结构单元的剐度或传热单元的传导性，h ! i 外 载倚代表了单元的内体力( 或内热源) 、面力( 或热流) 、和节点集 ， 力的贡献。 四、集成。将覆盖结构全域的所有单元的剐度矩阵和节点夕f 力耐甲 衡的贡献集成。建立整体结构的平衡方程： 、 1 4 山东大学硕士学位论文 k = k 。 f = ，。 k d + f = 0 血、求解平衡方程。指定一些节点位移后，可将平衡方程按已知节 点位移和未知的场变量分解为两部分： 陵蚀：h 列 。 d 。? = - k , ：i t ，+ k 。；d 。) ，：= 一( k 。口。+ k 。d 。) 其r p 口，为未知节点变量，d ，为已知节点变量，：，为外加的仃点力 厂r 为节点反作用力。因此，求解变成获得已知位移的节点反作用力和已 知的载荷节点位移。 六、回代。根据计算的节点变量，代入第二步的表达式中，获得- 厄应变、应力或热流等量。 3 3 2 非线性分析有限单元法 非线性有限元问题与线性有限元问题有很大的不同，主要有以f 方 面： 、非线性问题的方程是非线性的，因此一般需要进行迭代求解。 ，二、非线性问题不能采用叠加原理。 i 、非线性问题不总是有一致解。有时甚至没有解尽管问题的定 义卉i j 足i f i 确的。 所以非线性问题比线性问题更加复杂、费用更高和更具有不丁预知 性。闪此，非线性有限元程序不仅需要做复杂的算式和有效的数据管 s l ! ，i m 且必须包含合i 里的逻辑来指导求解过程。 按照引起的原因多种非线性问题大致可分为以下三类：几何非线 性、材料非线性、非线性边界条件或者载荷。 3 4 m a r c 软件介绍 m a r ca n a lys isr es e a r c hc o r p o r a t i o i ( 简称m a r c ) ，总部设在美 国加州的p a l oa l t o ，是全球第一家非线性有限元软件公司。m a r c 公司 坐查盔兰堡主兰竺笙苎 致力于非线性有限元技术的研究、非线性有限元软件的开发、销售和 售后服务。m a r c 公司还贯倡导用非线性有限元技术更为准确地模拟 真实自然现象，解决从简单到复杂的工程实际问题。 m sc m a rc 是高级非线性有限元分析模块，m sc m en t a t 是m sc m a f c 的前后处理图形对话界面。两者严密整合的m sc m a r c 和m sc m e n ta t 成为解决复杂工程问题，完成学术研究的高级通用有限元软件。 msc m en t a t 是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，与 sc m ar c 求解器无封连接。它具有各种建模能力、多种材料模型诧义 年| j 边界条件的定义功能、分析工程控制定义和递交分析、自动榆a 分 析模型完整性的功能、实时监控分析功能、方便的可视化处理汁算结 果能力。并上| 可以直接访问常用的c a d c a e 系统，如：a u t0 c a d 、 m s c n a s l 、r a 、p a l 、r a n 等。m sc m a r c 是功能齐全的高级非线性有限冗 软件| 0 求斛器，具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性羊非线 f l - 结构分析。它提供丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的币死库。 州。以处理大变形几何非线性，材料非线性和包括接触在内的边界条件 以及做平i j 的高度非线性的超强能力。一个图形界面友好、数据传输准 _ 0 1 0 方便、分析功能强大的c a e 分析系统通常出图形用户界面硐1 求解器 两部分组成。在使用m e n t a t 分析非线性问题时，感到其易于操作a 规一队捷，且不会陷入繁琐的数据准备中。m a r c 分析后所产生后果文件 即为后处理文件，可山m e n t a t 读入这种后处理文件进行数据结果的图 形髭示。 m “f c 软件最初主要应用于核电行业但随着软件功能的1 i 断扩展， 软件的应用领域已扩展到国防、航空、航天、汽车、造船、铁道、机 械、材料、卜小建筑等领域。下章中的算例就是m a r c 软件在1 ：木擘业 小的j 衄川。 当查三! 三兰堡主兰竺堡兰 第四章沉管灌注桩沉桩过程中残桩、断桩的有限元分析 4 1 工程概况： 4 1 1 地质概况：地基总厚度为2 0m ，可分为5 层，分布较稳定。表层 是厚度为2m 的粘土层i 。浅层埋深在2m 处有一厚大约3m 的淤泥质土 层。埋深为5m 的地方是厚度为2m 的粉质粘土。埋深为7m 的地方是厚 度为6 f 的粘土层i i 。埋深l3m 处有一厚度大约为7m 的粉土层，厚度 大，状念为中密。地基土层分靠和物理力学指标见表1 ： 表一1 ： 。 弹性模量内摩擦f f j 密度p凝聚力c e 泊松比y 毋 ( 10 1 k g m 。)( k p a ) ( 10 “pa ) ( 度) 粘ti 3 47 40 4 51 8 8 85 0l2 淤泥质土 2 5 6 30 4 71 59 82 粉质粘土 4 430 41 9 3 93 02 3 5 粘土1 i 7 3 2 lo 4 51 9 56 5l2 5 粉j 二 9 j 4 60 452 0 411 04 j 4 1 2 沉管桩概况：桩长为8m ，弹性模量取值3 x 10 4 煅，泊松比为 0 3 ，密度为2 4 x 10 3 3 。利用甘德福等提出的黄金分割法估算 上 桩 侧向最大十体挤压力的深度h = 0 6 1 8 h ，h = h 。+ 厶h 。一送桩深度，一桩 实际长度。涉及以处的最大挤压力只的计算采用毕肖普一亨丌尔 ( b i s h o p h e n k e l ) 公式： 弘s ” 1 + l n 赤1 。一 1 只一桩侧土体最大侧向挤压力 土的天然抗剪强度( 经验公式= 0 2 7 + 0 ，0 2 ( ：10 ) ) 、z - 土层深度： 、 e = 2 e 。，e ，一室内侧限压缩模量： y 一泊松比； 4 2 计算模型： 坐壅查堂堡圭兰垒笙苎 在距离桩中心2d 、4 d 、6d 的一侧依次将位置单元格拿掉，代之以 模拟沉另一个管桩时产生的桩侧挤压力。计算时，只计左半部分挤压力 对原桩的影响，右半部分的挤压力对右半部分的土体影响不记。被计算 的桩又分为三种情况：1 、桩体初凝时，整体强度很低，弹性模量为 2 0m e a 。2 、桩体在中部4m 处有一部分离析或夹泥缺陷，部分强度较低。 缺陷处弹性模量为o 5 x 1 0 4 m p o ，其余处为正常。3 、桩体在4 r a 处，缩颈 3 0 。计算这三种桩模型、三种距离，共九种情况下，沉桩对邻桩的影 响。 4 3 单元网格划分： 该实例均采用四节点四边形平面应变单元，模型的单元网格划分如 图4 1 ： 图4 1 4 4 有限元计算结果： 运用m a r e 软件进行平面应变分析，计算模型见下图。 边界条件：左、右侧及底面均为固定边界。 载荷条件：只在右侧没有单元的桩坑的两边施加三角形载荷。 山东太学一士学位谴立 拈4 - i 辩花 亚帖土 拈土l l ( 一) 、水平位移 l 、当桩初凝时在三种距离下的位移等值线图： 山摹丈曩士但鼍立 图4 2 图4 3 山东大学硕士学位论文 图4 4 对于桩初凝的情况，以桩右侧的单元节点为研究对象，它们的位 移值大小为表一2 。 表2 单元节点号桩距2 d桩距4 d桩距6 d 338o 0 19 7 0 6 80 0 2r8 0 4 9o 0 2 2 87 4 6 35 0o 0 2 l3 19 4o 0 2 2 0 3 9 8o 0 2 2 2 6 4 8 3 5 60 0 2 2 6 6 18o 。0 2 2 4 l3 4o 0 2 19 4 38 3 6 20 0 2 3 2 2 4 9o 0 2 2 155 9o 0 2 1 1 19 2 3 6 80 0 2 3 0 15