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有限空間振動拔樁過程中樁土動力響應研究

作者:來源:日期:2019-12-31 10:30:43人氣:973
      0引 言

      橋梁施工過程中會修建施工棧橋或輔助樁以配.合主體橋梁的施工,在主體橋梁施工結束后,施工棧橋或輔助樁需進行拆除。對于樁基礎的拆除,常用的方法可分為套管靜壓拔樁.振動拔樁.射流破土拔樁.機械鉆進拔樁等[1],但上述方法均需要足夠的操作空間。當待拔樁位于主體橋梁下方時,操作空間僅為梁底至樁頂之間的距離,在有限空間內拔樁大型機械不能進人[2],故一般采用先振動錘振動后靜力拔樁的方法。具體方法為先使用夾持裝置將振動錘和樁身連.接.通過振動錘施加激振力將樁側土體擾動,施加一段時間的錘擊后移開振動錘在一定間隔時間內采用靜力拔樁方法將樁體拔出。


      目前國內外對于打樁沉樁的施工方法以及該施工過程中樁土作用研究較多印,而對拔樁方法、以及拔樁過程中樁土間相互作用情況、樁側摩阻力及樁土動力響應分析較少,且國內外對于拔樁過程的計算分析沒有形成完整的研究理論

      上述有限空間內拔樁方法的工作原理為先通過振動錘施加激振力使樁的強迫振動頻率與土壤顆粒的振動頻率相同,土壤顆粒產生共振從而發生大幅度振動11,其振動速度和加速度將迅速破壞樁和土壤之間的粘合力,樁側摩阻力急劇降低,此時于樁頂作用上拔力即可順利拔出樁體。為研究該過程樁土間動力作用機理.探索更為有效的拔樁方式,本文以湖北石首某工地在建橋梁為工程背景,基于非線性土體本構模型,通過有限元軟件PLAXIS對振動過程中樁體與土體間的相互作用展開深入分析。1非線性有 限元模型建立

      為研究拔樁過程中樁體與土體之間的相互作用,使用PLAXIS有限元軟件建立非線性動力學模型來模擬。

      湖北石首某工地在修建主體橋梁時,修建施工棧橋便于施工,在主體橋梁完工后需拆除施工棧橋以及拔除樁體。樁體為混凝土實心樁,地下土層為粘土層和砂土層。

      為研究該工程拔樁過程中樁體與土體之間的相互作用,使用PLAXIS有限元軟件建立非線性動力學模型,土體采用土單元進行模擬,樁體與土體之間的相互作用通過界面單元進行模擬。土體范圍設置為長度30m,高度25m。取樁體中軸線向右,采用軸對稱15節點模型。

      為更好的模擬實際工程情況并且分析多種土體與樁體之間的作用情況,地下兩層土體黏土層與砂土層,分別采用Mohr Coulomb模型與Hardening -soil模型來模擬。

      Mohr- Coulomb本構模型其本質是一種具備固定屈服面的理想塑性本構模型,為了判斷塑性在一個計算中是否發生,通過構建一個應力應變關系作為屈服函數,在主應力空間內,該函數可理解為一個面,在該面上的所有點其表現為線彈性且變形可逆。其基本原理是采用將應變和應變率分解成彈性部分和塑性部分:e=ε+ε° ,并使用Hooke定律求解得到[8]。

      Hardening-soil本構模型則可對應于不同土體,包括軟硬土模型,在主偏量作用下,土體產生塑性變形,剛度下降。與理想的彈塑性模型變現不同,其屈服面在主應力空間并不恒定,會受土體減脹性影響發生改變。。其基本思想可概括為豎向應變ε和偏應力q的計算公式:


      上層15m為黏土層,使用Mohr Coulomb Model(摩爾--- 庫倫模型)來模擬,不排水屬性,使用界面強度折減系數來模擬沿樁身減小的摩阻力。下層15m為砂土層,砂土層使用Hardening -Soil Model(強化土模型)來模擬.振動施加沖擊荷載過程可以視為快速加載過程,砂土層同樣是不排水屬性,界面強度縮減系數設置為剛性。為研究樁體與土體之間的作用情況,在樁體周圍設置界面單元并延伸人樁下端土層0.5m。樁體為混凝土實心樁.樁長15m,樁體直徑0.6m,并用考慮非多孔介質的線彈性模型來模擬。材料參數見表1。


      2網格劃分及初始條件

      模型采用三角形單元離散,劃分標準有限元單元網格并手動在樁體附近加密。使用標準邊界生成邊界條件,底部約束X.Y兩個方向位移,左右邊界約束X方向位移,移除樁頂部默認施加的水平約束。在動力計算條件下,為避免邊界條件的直接影響,設定模型的邊界足夠遠,在底部和右側設置標準吸收邊界避免出現雜波反射,使其得到準確的計算結果。在樁頂位置指定均布荷載并設置為動力荷載。樁土有限元模型如圖1所示、有限元網格劃分如圖2所示。

      由于需要考慮地下水存在條件下的土體動力響應,采用水力條件模式生成初始水壓,得到處于激活狀態下的初始有效孔隙水壓p的分布情況如圖3所示。





      3樁土動力響應分析

      通過分步施工的方法設置四道計算工序,工序一:由于樁體已經埋置于土體中,故將樁體材料賦予模型即生成樁體并進行塑性計算;工序二:激活半周期的簡諧波即施加動力荷載,采用標準迭代步并重置位移為0,設置時間間隔為0.01秒以及動力子步數為1,設置動力簡諧荷載進行動力計算;工序三凍結荷載,設置時間間隔為0.19秒,手動設置動力子步數為19保持時間步相同,設置簡諧荷載參數為0,分析樁土的動力響應。工序四施加上拔力拔出樁體。

      錘擊類似脈沖加荷即產生瞬態沖擊荷載,并且隨著樁體入土深度的增加而逐漸衰減[10]。選用激振力.為5000kN的振動錘,由于施加的動力荷載屬于簡諧荷載故振動錘施加的振動力為:


      取初始相位角為0,最大振幅5000kN,頻率為50Hz。

      振動錘施加激振力后變形網格如圖4所示。


      由變形網格可見,樁體在振動錘振動力作用下會下沉一段距離,這是由于施加的激振力采用上下振動的方式,故樁體在振動錘的作用下相對于土體向下位移。振動波的向下傳遞以及樁體的向下位移致使樁側土體擾動產生液化現象,樁側摩阻力被大幅度削減,樁體較易拔出。振動過程中有效應力云圖如圖5所示。

      通過有效應力的應力云圖可以看出樁體上部和底部的樁側有效應力較大,由此可判斷樁側的上部以及底部需要克服的樁側摩阻力較大。分別選取樁頂部、樁中部以及樁底部為觀測,對比其位移時程曲線如圖6所示。


      由位移時程曲線可以看出,隨著激振力振動時間的增加,樁體在0, 05秒左右時產生較大位移,即主要位移產生于第三步,壓縮波沿樁體向下傳播。而后隨著時間增加位移增加不大,在0.05秒左右產生小幅度的位移減少,即隨著振動的施加一-開始產生的較大位移會有部分回彈。由于土體的塑性和振動波能量在模型邊界上被吸收,樁體的振動逐漸減弱。由此看出振動錘稍作振動即可移開振動錘再施加靜力拔除。

      輸出第二道工序結束后的界面單元樁側剪切應變以及總應力如圖7.8所示.沿樁長所有部分已達到最大剪應力,土體已經開始沿樁體滑移,樁體在施加振動后與樁側土體產生一定的分離。


      樁頂應力點和樁底應力點加速度時程曲線如圖9.10所示,可以看到樁頂與樁底加速度并不同步。樁頂的振動加速度隨動力時間的增加而逐漸趨于平緩并逐漸衰弱.初始時有較大波動。樁底振動加速度隨樁身深人土體的距離相比于樁頂有較大的減小,且初始時振動加速度較小,0.05秒后振動加速度波動增大,因此在樁頂施加的沖擊荷載傳播到樁底有較大程度的衰減。





      振動錘施加瞬態沖擊荷載后擾動土體.土體產生液化現象并產生超孔隙水壓力,比較樁頂、樁底超孔隙水壓力時程曲線如圖11.12所示。土體液化加速樁體與土體的分離,超孔隙水壓的增大導致有效應力減小,樁體更易于拔出。


      由于施工操作空間有限,振動- -定時間后需移開振動錘,施加靜力上拔力便于拔出有效長度更長的樁體。砂性土在受到外加動力荷載擾動后產生的變形很快會趨于穩定,而粘性土由于具有較低的透水性,其變形會延滯- -段時間,因此對于樁側土為粘性土的拔樁過程中應注意在振動完成后需要盡快施加靜力拔除,否則會發生土體顆粒固結重組不易拔除。本文案例通過振動消除較大部分樁側摩阻力后在1小時之內土體尚未發生明顯的固結重組現象,施加靜力拔除只需要克服樁體自重及部分樁側摩阻力,樁體較易拔出。

      4結論

      有限空間內拔樁受場地、施工方法的局限,一直是工程實際中的一大難點。本文通過有限元軟件PLAXIS對有限空間振動靜力拔樁全過程進行模擬,深人探討施工過程中樁土動力響應。通過分析得到以下結論:

      (1)振動錘振動拔樁過程中對樁側土產生擾動使樁體相對于土體發生一定的偏移,樁側土體顆粒重組,樁體位移主要發生在振動開始階段并隨振動時間.的增加而逐漸趨于平緩且有--定量的回彈;

      (2)振動波從樁頂傳播至樁底..樁頂的振動加速度較大,而樁底的振動加速度較小且波動不大;

      (3)振動錘振動過程中樁側會產生較大的剪切應力,使得樁體脫離土體產生滑移現象方便拔除;


      (4)振動過程中樁頂附近產生的超孔隙水壓力對比樁底附近產生的超孔隙水壓力更大,由此導致的有效應力的減小使得樁體更易于拔除。

      (5)先振動后靜力分段拔樁的方法可以較為有效的在有限空間內拔除盡可能長的樁體。

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