桩基承载性能自平衡测试法的仿真研究_王平.pdf

Vol. 41 No.5 Oct. 2013 煤田地质与勘探 α）ALGEOLOGY 2.武汉地震工程研究院， 湖北武汉430071;3.长安大学公路学院，陕西西安710064 摘要自平衡测试法在我国的应用刚起步，从技术、经济上都是一项很有前途的新技术，理论还 有待于完善．采用有限元法对自平衡法测试桩基承载性能进行了仿真研究．研究表明可通过建 立有限元模型，对“平衡点”位直进行假定分析求证，确定“平衡点”位直；运用自平衡测试法时， 其上、下段桩在荷载作用下，上段桩侧摩阻力和下段桩抵抗力同步发挥；桩底土模量与桩侧土的 模量比E1IE2大小影响桩的承载性能． 关键词自平衡测试法；有限元；平衡点；桩承载特性；弹性模量 中图分类号TU473.1文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.010 Simulation on the bearing capacity under the self-balancing test WANG Ping1.2, LI Gu叫i3,WANG Jiqing3 l. Institute of Seismology, CEA, Wuhan 430071, China; 2.阳，hanInstitute of Earthquake Engineering, Wuhan 430071, China; 3. College of Highw，句’，Chang’。nUnivers仰，Xi’an710064, China Abstract Self-balancing test has just been used in China, which is a promising new technology in the aspects of technology and economy. But its theory has to be perfected. Through the finite element , the pile bearing capacity under the self-balancing test can be studied. It is shown that based on the finite element model the “bal- ancing point”can be analyzed and demonstrated; the side企ictionof the upper segment and the resistance of the lower segment of pile can be simultaneously acted when using the self-balancing test; the size of modulus ratio E ii E2 of soil in side pile and the soil of the bottom pile can influence the bearing capacity of pile. Key words self-balancing test; the finite element; the balancing point; the bearing capacity; elasticity modulus 平衡点，探讨桩的承载性能，并结合汉口火车站自平 衡试桩工程作对比分析。 1 桩自平衡测试过程荷载作用机理如图1所示。本 文采用ABAQUS有限元软件对桩土相互作用机理进 ILVllvl审｜审llv p S「 图1桩自平衡测试过程荷载传递机理 Load transfer mechanism during self-balancing test S 。 单桩数值模型 目前，静荷载试验是公认的最成熟、最科学的检 测桩基承载性能的方法，由于使用此方法存在试验费 用昂贵、周期较长、对试验场地要求较高等弊端。为 了克服这些缺点，1989年，J.Osterberg[ll首先提出自 平衡检测法，从此日本、欧洲和美国做了大量与静荷 载试验的对比研究，自平衡检测法得到了广泛应用。 国内，东南大学首先对该法进行理论与技术研究［2-4; 2002年，龚维明等［SJ运用有限元法SAP93程序对桩 顶受压、桩顶受拔、桩底托桩3种受载方式下桩侧摩 阻力进行模拟探讨。 自平衡试桩法是接近于竖向抗压桩实际工作条件 的一种试验方法，是将一种特制的专利加载设备一一荷 载箱与钢筋笼相接，埋入桩的指定位置，并将高压油 管和位移棒一起引到地面，沿垂直方向加载，即可同 时测得荷载箱上、下部各自的承载力。由于对该理论 存在很多争议［句，本文基于ABAQUS软件对自平衡 测试法的桩土相互作用进行有限元分析，确定合适的 Fig. 1 工程师，从事工程地震及工程检测工作． 收稿日期2012-07-06 作者简介王平（1976一），男，湖北监利人， ChaoXing 46 煤田地质与勘探第41卷 行探讨。土体自重产生的变形在历史上已经完成，但 其对以后非线性分析起到了重大影响，所以模型中作 了地应力平衡设置；由于桩与土体之间存在滑移摩 擦，法向桩土接触摩擦类型为硬接触，切向接触面摩 擦类型采用罚刚度算法，允许弹性滑移变形。 1.1 本构关系 莫尔库伦模型简单，所需的参数在试验中容易得 到且数量少，在应力水平低的情况下和实测数据符合 较好。莫尔库伦的屈服面是空间六棱锥，是所有可能 屈服面的内极限屈服面，在工程应用中是偏于安全 的。因此分析中土体采用莫尔库伦模型，而桩身采用 线弹性模型。屈服面Mohr-Coulomb模型［7）的屈服函 数形式为 Fl\ncq-p阳ψ－c1 式中ψ（t，β为材料在子午面上的摩擦角，f为待定 变量，t为温度。ct-p1,t，β表示材料粘聚力按等向 硬化（软化）方式的变化过程，e-pt为等效塑性应变。 Rmc为莫尔库伦模型的偏应力系数，定义为 πl fπ1 l\ncB，的＝「宁一－sin（θ＋一）＋－cosIθ＋一itanq,2 、／3cosψ3 3飞3 式中θ是极偏角，定义为cos3的r是第三 偏应力不变量J3。 如采用相关联的流动法则（塑性势面函数和屈服 面函数相同）将会出现塑性流动方向不是唯一的现 象，导致数值计算的繁琐、收敛缓慢，模型中选择非 关联流动法则。 1.2 网格划分及边界条件 桩与土均采用平面四节点单元进行模拟，平面四 节点单元属于等参元，单元每个节点有两个自由度， 易收敛。由于桩土相互作用系统中的边界条件、几何 形式和作用荷载都是呈轴对称分布，因此建立轴对称 模型，取轴对称平面的一半进行分析，模型如图2 所示。 图2有限元模型 Fig. 2 The finite element model 2 平衡点的确定 东南大学对自平衡测试法提出了“平衡点”的概 念，即上段摩阻力加上重力等于下端摩阻力加上端阻 力的一点［8）。荷载箱应放在平衡点，才能科学的测试 出桩的承载性能。但是平衡点位置的确定是个困难的 问题，同桩的尺寸、桩－土刚度比、土层的性质和施工 方法等都有关系。本文通过有限元对其进行分析，找 出合理的平衡点，为平衡点的确定提供一个合理手段。 假设土层分为两层，桩底上部为一层，其弹性模 量E120MPa、泊松比10.35、粘聚力C140kPa、 摩擦角伊125；桩底下部为一层，其弹性模量E2100 MP a、泊松比20.3、粘聚力C230kPa、摩擦角 的＝40。桩长L20m，桩径D0.8m，其弹性模量 Ep20 GPa、泊松比p0.2。荷载箱作用原理和位置 如图1所示，假设平衡点的位置距桩底的距离M如 表1。表l中6组数据做相互对比。 表1平衡点的位置 Table 1 The position of the balancing point 组数 fl.Lim O 2 4 3 6 4 5 8 12 6 20 自平衡法中每一级加载，荷载箱产生的向上和向 下的加载力相等，但上下两段桩的位移是不相等的。 因此，产生了自平衡测试曲线向传统静荷载曲线桩转 换有两种方法，即精确转化法和简化转化法。本文利 用简化转化法对数据进行处理，即在向上、向下Q-S 曲线中，取上下位移相等时，荷载叠加，其可表示为 QKQu＋马（3 式中Q为试桩承载力，kPa;Qu为扣除上段桩自重 后向上的力，kPa;Qd为荷载箱对下段桩施加荷载， kPa; K为转换系数，取Kl，对于短桩（LID运1.5 取Kl.51匀。 其处理结果如图3、图4和图5，分别表示了M 为4m、6m、8m的荷载沉降曲线；从图6和图7 中看出，上段桩和下段桩竖向位移大小相差太多，导 致上、下桩不能同时达到极限状态，显然，M为Om、 20 m不是平衡点所在位置。 对比分析图3、图4和图5，可以清楚的知道， 用简化转化法对自平衡法荷载沉降曲线进行转化，在 初期自平衡法的荷载大于正常加载的荷载相对于同 一竖向位移，最后M6m.时两方法测出的荷载沉降 曲线趋于一致，而M为4m、8m时正常测出的荷 载沉降曲线明显比自平衡法测出的曲线滞后，作者认 为这是由于自平衡法测试桩时，上、下段桩在荷载作 用下，上段桩侧摩阻力和下段桩抵抗力同步发挥，而 正常加载测试时，桩侧摩阻力的发挥先于桩端抵抗力 ChaoXing 第5期王平等桩基承载性能自平衡测试法的仿真研究 47 发挥。通过以上分析，可以初步认为“平衡点”的位置 应选择在llL6m左右，图4中的上段桩和下段桩的 荷载沉降曲线几乎重合可以验证此结论的准确性。 皇10 i善8 草草6 Fig. 3 U、U2 4.99lxJ0-1 4.570 xJO-’ 4.149xJO-’ 3.728xJ0-1 3.308xl0-1 2.887x 10-1 2.466xO-’ 2.045xσl 2.624x0-1 l.204x lσl 7.82810- 3.620 x 10-2 -5.88310- 20 40 沉降Simm 60 圄7M-12 m时竖向位移云图 Fig. 7 Contours of vertical displacement when M,12 m 3 桩承载力发挥性状 模型中把土层分为两层土，即桩侧土层和桩端土 层，模型中的参数如表2。文章中遵循单因素分析方 法，分析土层弹性模量对平衡点位置影响。 表2桩土力学模型参数 Table 2 Mechanic model parameters of pile-soil 参数弹性模量EfMPa泊松比μC/kPa 伊／（。） 桩20103 0.20 桩侧土E120 0.35 40 25 桩端土E210010,120 0.30 30 40 注表中序号①和②表示单因素对比分析中所用数据。 桩端土的刚度对桩承载性能有显著的影响，对于 大刚度的桩端土持力层，发生较小的位移，就会产生 较大桩端抵抗力。在确定平衡点模型的基础之上，原 来的模型表现为端承－摩擦桩，在E1不变情况下，当 Ei/E20.16较小时，由图8可以清楚看出，在平衡点 处下段桩端处出现了明显的塑性区，单元格发生扭曲 变形，桩端处桩发生刺入破坏，桩端土由弹性状态进 人塑性状态，说明荷载箱上部桩侧摩阻力明显大于下 部桩的承载力，但总桩基承载力显然增大，通过图9 可知桩的总体承载力增大了1.2倍，荷载沉降曲线出 现了明显的拐点，直线段斜率明显增大，此时桩表现 为典型的摩擦桩特性，“平衡点”下移；当E1IE22较 大时，桩尖位移过大导致模型不收敛，桩侧摩阻力不 足于抵消下部荷载箱对其桩底的作用力，桩顶端出现 明显的塑性区，上部桩表现为典型的摩擦桩，在不考 虑桩侧土剪胀（缩）作用下，在桩土发生一定位移时， 摩阻力达到最大，位移继续增大，摩阻力保持不变。 从而，测出的桩的承载力远远小于实际的承载力，此 时整体桩为典型的端承桩，桩端抵抗力增大，“平衡 点”下移。 桩基承载力由桩侧摩阻力和桩端抵抗力共同承 担，由于桩侧摩阻力和桩端抵抗力相互影响、相互制 约。当桩端持力层为密实的砂、粉土和硬粘性土，其 图3M4m时荷载沉降曲线 Curves of load settlement when .il.4 m 18 16 帽14 国12 且10 哥哥8 定6 4 2 0 0 →一下端桩 『＋－上端桩 一←转换后幽线 ---t,.L＝去。m 10 20 30 40 沉降Simm 图4M6m时荷载沉降曲线 Fig. 4 Curves of load settlement when .il.6 m 12 10 。。 ZOA 斗 回去远得撑 一←上端桩 一←下端桩 一←转化后 －骨－M,20m 5 10 15 20 沉降Simm M8m时荷载沉降曲线 2 。 。 Fig. 5 Curves of load settlement when .il.8 m 图5 U、U2 2.293x 10-3 l.216x0-3 J.396x I Q-4 -9.373x lo-4 -2.01410- -3.09110- 斗.168x0-3 -5.24510- -6.322xl俨 -7.398x0-3 -8.47510- -9.552x l俨 -1.063l俨 图6MOm时竖向位移云图 Fig. 6 Contours of vertical displacement when .il.O m ChaoXing 第41卷煤田地质与勘探 范［9］进行自平衡测试。每根试桩采用1个荷载箱作 为加载设备，其加载值的率定曲线由计量部门标定； 高压油泵最大加压值为60MPa，加压精度为每小格 0.4 MPa，采用慢速维持荷载法加载。选用正弦式 JXG-1型钢筋计作为测力元件，共布置6个钢筋应力 测量截面，每个截面布置3个钢筋应力计，3个钢筋 应力计相对于桩身横截面直径方向对称均匀分布。 根据地质资料提供的各土层物理力学性质确定材 料的属性，确定桩侧土及桩端土的模型力学参数如表3o 48 表3地层物理力学参数 Physical and mechanic model parameters of pile-layers EIMPa Table 3 C/kPa rp/0）土层厚度Im 22 22 22 30 22 82778 ’机哼，。 y ’Lnυ 1111 4口 rozorOZo ll --- μ 0.35 0.45 0.35 0.45 0.45 03050 句44 飞句3 句3aa 地层名 人工填土层 淤泥质粉质教土层 细砂层 砂砾层 岩层 地层号 ①②③④⑤ 0.8 咀 呈 。0.6 福 题。4 Fig. 8 由有限元模拟确定的“平衡点”在距桩底M.12m 处，其模拟和实测模拟荷载沉降符合较好，实测桩 基极限承载力为9100 kN，模拟桩基极限承载力为 11 000 剧，实测模拟相差在10之内。如图10所示， 桩基荷载沉降曲线呈现“缓降型”，表现为明显的摩擦 端承桩性能，桩端持力层强度较大。可见，有限元方 法寻找“平衡点”位置和分析其桩基承载性能是切实 可行的一种手段（10-11］。 一←上端桩 －－－－一下端桩 一←转换后 10 20 沉降Simm 图9E1IE20.l6时荷载沉降曲线 Fig. 9 Curves of load settlement when Ei/E20.6 30 0.2 0 0 JO 15 i 20 25 30 40 图10模拟和实测模拟荷载沉降 The simulated and measured curve of load settlement 15 一←实测 →一筷拟 荷载QIMN 5 10 上覆层为软土层，即E1/E20.16较小时，且桩长不太 长时，桩端士一般呈现整体剪切破坏，而在本文中模 型，由于上覆压力较大，桩端出现局部剪切破坏；当 上覆土层为非软弱土层时，则一般呈现局部剪切破 坏；当存在软弱下卧层时，可能出现冲剪破坏。当桩 端土强度较大时，平均桩侧摩阻力相对于桩端土强度 较小时增大，桩端士对桩侧摩阻力有加强的效应。 可见，各层弹性模量比的大小对自平衡检测桩基 承载性能影响首先从“平衡点”开始，“平衡点”的确定 是自平衡检测法的关键，如果“平衡点”位置不准确， 自平衡法测出的桩基承载力是不可信的。 Fig. 10 结论 a.“平衡点”位置的确定是一个关键问题。在分析 地层性质的基础之上，建立有限元模型，对“平衡点” 位置进行假定分析求证，确定“平衡点”位置。 b.运用自平衡测试法时，其上、下段桩在荷载作 用下，上段桩侧摩阻力和下段桩抵抗力同步发挥，而正 常加载测试桩侧摩阻力的发挥先于桩端抵抗力发挥。 c.在“平衡点”一定时，桩底土模量与桩侧土的 模量比E1/E2较大时，桩表现为摩擦桩特性；E1IE2 较小时，桩表现为端承桩的特性。 （下转第55页） 塑性区 Avg15 3.253xJQ-2 2.98210-2 2.711 xJQ-2 2.440 xJ0-2 2.16θ10-2 l.898xJ0-2 l.626x I 0-2 l.35510-2 1.08410-2 8.13210斗 5.422xJQ-3 2.711 xJ0-3 o.000 图8Ei/E20.16时竖向位移云图 Contours of vertical displacement when E1/E20.6 1.2 5 工程实例 汉口火车站，自平衡试桩工程试验场地层依次 有人工填土层Q4ml，厚3.8m，褐黄色，主要成分 为粘土夹碎石及水泥块；淤泥质粉质蒙古土层Q/pl 厚17.2m，褐黄色、流塑，含有少量铁锤质结核及少 量有机质；细哇、层Q／＇咐，厚19.7m，褐灰色，中密， 饱和；砂砾层Q/lpl，厚8.7m，褐灰色、中密、饱 和，含砾量约35左右，粒径2～15mm；岩层K, 厚10.8m，灰绿色、全风化，岩心呈柱状且局部夹少 量砾石。桩长48m，桩径l.2m，桩端坐落在砂砾层 中，试桩依据JGJl06-2003建筑桩基检测技术规 4 ChaoXing 第5期裴文明等基于环境一号卫星影像的淮南潘集采煤塌陆积水区富营养化评价 55 本吻合，证明利用环境一号卫星遥感影像数据进行 采煤塌陷积水区富营养化评价在理论上和实践中都 是可行的，可以作为监测塌陷积水区水环境变化的 研究发展方向。同时，详尽的地面同步监测资料和 对应的高分辨率、多时相的遥感图像将有助于水质 参数遥感反演模型的优化与精度提高，为采煤塌陷 积水区水环境治理提供重要依据。 参考文献 [1］蔡庆华．湖泊富营养化综合评价方法［几湖泊科学，1997, 91 89-94. [2］王孝武，孙水裕．基于TM数据和ANN的河流水质参数检测 研究［月．环境工程学报，2009,38 1532甲1536. [3] DEKKER A G, PETERS S W M. The use of the thematic mapper for the analysis of en田pielakes a case study in the Nether- lands[J]. lntemational Journal of Remote Sensing, 1993, 145 799-821. [4] TASSAN S. Local algorithms using Sea WIFS data for the re- tri of phytoplan挝on,pigments, suspended sediment, and yellow substance in coastal waters[J]. Applied Optics, 1994, 3312 2369-2378. [5] STEVEN M, PATRICK L, LEIF G, et al. A procedure for re- gional lake water charity asse咀smentusing La且也atmultispectral 也.ta［巧.Remote Sensing of Environment, 2002, 82 38-47. [6] NUTCHANART S, KRITSANAT S, SANSARπH T.Influence 。fa恤osphericcorrection and number of sampling poi盹onac- C町acyof water clarity assessment using remote sensing applica- tion［巧.Journal of Hydrology, 2011, 401 203-220. [7］张海林，何报寅．遥感方法应用于湖泊富营养化评价的研 究［月．上海环境科学，2003, 2212 1030-1033. [8］邬国锋，刘耀林，纪伟涛．基于TM影像的水体透明度反演模 型一以都阳湖国家自然保护区为例［几湖泊科学，2007, 193 235-240. [9］雷坤，郑炳辉，王桥基于中巴地球资源1号卫星的太湖表层 水体水质遥感［巧．环境科学学报，2004,243 376-380. [10］马荣华，戴锦芳．综合LandsatETM与实测光谱估测太湖 叶绿素及悬浮物含量［巧．湖泊科学，2005,172 97-103. （上接第48页） 参考文献 [1] OSTERBERG J. New device for load testing driven piles and 由illedshaft Separates企ictionand end bearing[C]. Proceedings of International Conference on P出ngand De叩Foundations.Lon- don Balkema, 1989 421-427. [2］龚维明，郭正兴，蒋永生，等.Osterberg试桩法在我国的应用 ［月．建筑施工，1998,310 31-32. [3］吴鹏，龚维明，薛国亚．桩基承载力测试0-Cell法与自平衡法 对比研究［巧．建筑科学，2005,621 64-68. [4］周晨，龚维明，蒋永生用自平衡测试桩基承载力的探索［巧．特 种结构，1999,216 37-38. [5］龚维明，霍晋，薛国亚．桩承载力自平衡测试法的理论研究［巧． [11］王建平，程声通，贾海峰，等．用TM影像进行湖泊水色反演 研究的人工神经网络模型向环境科学，2003,242 73-76. [12］王桥，张兵，韦玉春，等．太湖水体环境遥感监测实验及其软 件实现（第一版）阳］．北京科学出版社，2008. [13］徐栋凡，李云梅，王桥，等．基于环境一号卫星多光谱影像数 据的三湖一库富营养化状态评价［巧．环境科学学报，2010, 311 81-93. [14］王明翠，刘雪芹，张建辉湖泊富营养化评价方法及分级标 准［月．中国环境监测，2002,185 47-49. [15］金相灿．中国湖泊环境［M].北京海洋出版社，1995. [16］杨一鹏，王桥，肖青太湖富营养化遥感评价研究［月地理与 地理信息科学，2007,233 33-37. [17］疏一舟，尹球，匡定波．内陆水体藻类叶绿素浓度与反射光谱 特征的关系问．遥感学报，2000,410“-45. [18］喻欢，林波遥感技术在湖泊水质监测中的应用［巧．环境科学 与管理，2007,327 152-155. [19] HANL, RUNDQUISTD, LIUL, eta. The spec田lresponses 。falgal chlorophyll in water with varying levels of suspended sediment[]]. International Journal of Remote Sensing, 1994, 1518 3707-3718. [20］杨嫂，李云梅，王桥，等．基于环境－号卫星高光谱遥感数据 的巢湖水体叶绿素a浓度反演［月．湖泊科学，2010,224 495-503. [21］张巍，王学军，江耀慈，等太湖水质指标相关性与富营养化 特征分析［耳环境污染与防治，2002,241 50-53. [22］秦伯强，罗激葱．太湖生态环境演化及其原因分析［几第四纪 研究，2004,245 561-568. [23] GITELSON A A, GARBUZOV G, SZILAGYI. Quantitative remote sensing s for real-time monitoring of inland wa- ter quality［巧.International Journal of Remote Sensing, 1993, 147 1269-1295. [24］李素菊．内陆水体水质参数光谱特征与定量遥感［几地理学 与国土研究，2002,182 26-29. [25］杨一鹏，王桥，肖青，等．基于TM数据的太湖叶绿素a浓度 定量遥感反演方法研究［巧地理与地理信息科学，2006, 222 5-8. [26］李云亮，张运林基于TM影像的太湖夏季悬浮物和叶绿索a 浓度反演［巧．遥感应用，2008,226 22-27. 工业建筑，2002,321 37-40. ［句徐凤云．桩承载力自平衡法的可靠性之质盹耳公路，2004η12-19. [7] TERZAGHI K. Theoretical soil mechanics[M]. New York John Wiley Sons Inc, 1943. [8］龚维明，戴国亮，蒋永生，等．桩承载力自平衡测试理论与实 践［月．建筑结构学报，2002,23 1 83-88. [9］中华人民共和国建设部．JGJI06-2003建筑桩基检测技术 规范［SJ.北京人民交通出版社，2003. [10］张俊，张生，李畅游，等．基于土柱淋滤实验的煤研石饱和状态 下溶质释放过程研究［巧煤田地质与勘探，2012，倒句56-59. [11］王效宾，杨平，胡俊．人工冻土融沉对地层位移场影响的三维 有限元分析［巧．煤田地质与勘探，2011,396 54-58. ChaoXing