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有限空间振动拔桩过程中桩土动力响应研究

作者:来源:日期:2019-12-31 10:30:43人气:439
      0引 言

      桥梁施工过程中会修建施工栈桥或辅助桩以配.合主体桥梁的施工,在主体桥梁施工结束后,施工栈桥或辅助桩需进行拆除。对于桩基础的拆除,常用的方法可分为套管静压拔桩.振动拔桩.射流破土拔桩.机械钻进拔桩等[1],但上述方法均需要足够的操作空间。当待拔桩位于主体桥梁下方时,操作空间仅为梁底至桩顶之间的距离,在有限空间内拔桩大型机械不能进人[2],故一般采用先振动锤振动后静力拔桩的方法。具体方法为先使用夹持装置将振动锤和桩身连.接.通过振动锤施加激振力将桩侧土体扰动,施加一段时间的锤击后移开振动锤在一定间隔时间内采用静力拔桩方法将桩体拔出。


      目前国内外对于打桩沉桩的施工方法以及该施工过程中桩土作用研究较多印,而对拔桩方法、以及拔桩过程中桩土间相互作用情况、桩侧摩阻力及桩土动力响应分析较少,且国内外对于拔桩过程的计算分析没有形成完整的研究理论

      上述有限空间内拔桩方法的工作原理为先通过振动锤施加激振力使桩的强迫振动频率与土壤颗粒的振动频率相同,土壤颗粒产生共振从而发生大幅度振动11,其振动速度和加速度将迅速破坏桩和土壤之间的粘合力,桩侧摩阻力急剧降低,此时于桩顶作用上拔力即可顺利拔出桩体。为研究该过程桩土间动力作用机理.探索更为有效的拔桩方式,本文以湖北石首某工地在建桥梁为工程背景,基于非线性土体本构模型,通过有限元软件PLAXIS对振动过程中桩体与土体间的相互作用展开深入分析。1非线性有 限元模型建立

      为研究拔桩过程中桩体与土体之间的相互作用,使用PLAXIS有限元软件建立非线性动力学模型来模拟。

      湖北石首某工地在修建主体桥梁时,修建施工栈桥便于施工,在主体桥梁完工后需拆除施工栈桥以及拔除桩体。桩体为混凝土实心桩,地下土层为粘土层和砂土层。

      为研究该工程拔桩过程中桩体与土体之间的相互作用,使用PLAXIS有限元软件建立非线性动力学模型,土体采用土单元进行模拟,桩体与土体之间的相互作用通过界面单元进行模拟。土体范围设置为长度30m,高度25m。取桩体中轴线向右,采用轴对称15节点模型。

      为更好的模拟实际工程情况并且分析多种土体与桩体之间的作用情况,地下两层土体黏土层与砂土层,分别采用Mohr Coulomb模型与Hardening -soil模型来模拟。

      Mohr- Coulomb本构模型其本质是一种具备固定屈服面的理想塑性本构模型,为了判断塑性在一个计算中是否发生,通过构建一个应力应变关系作为屈服函数,在主应力空间内,该函数可理解为一个面,在该面上的所有点其表现为线弹性且变形可逆。其基本原理是采用将应变和应变率分解成弹性部分和塑性部分:e=ε+ε° ,并使用Hooke定律求解得到[8]。

      Hardening-soil本构模型则可对应于不同土体,包括软硬土模型,在主偏量作用下,土体产生塑性变形,刚度下降。与理想的弹塑性模型变现不同,其屈服面在主应力空间并不恒定,会受土体减胀性影响发生改变。。其基本思想可概括为竖向应变ε和偏应力q的计算公式:


      上层15m为黏土层,使用Mohr Coulomb Model(摩尔--- 库伦模型)来模拟,不排水属性,使用界面强度折减系数来模拟沿桩身减小的摩阻力。下层15m为砂土层,砂土层使用Hardening -Soil Model(强化土模型)来模拟.振动施加冲击荷载过程可以视为快速加载过程,砂土层同样是不排水属性,界面强度缩减系数设置为刚性。为研究桩体与土体之间的作用情况,在桩体周围设置界面单元并延伸人桩下端土层0.5m。桩体为混凝土实心桩.桩长15m,桩体直径0.6m,并用考虑非多孔介质的线弹性模型来模拟。材料参数见表1。


      2网格划分及初始条件

      模型采用三角形单元离散,划分标准有限元单元网格并手动在桩体附近加密。使用标准边界生成边界条件,底部约束X.Y两个方向位移,左右边界约束X方向位移,移除桩顶部默认施加的水平约束。在动力计算条件下,为避免边界条件的直接影响,设定模型的边界足够远,在底部和右侧设置标准吸收边界避免出现杂波反射,使其得到准确的计算结果。在桩顶位置指定均布荷载并设置为动力荷载。桩土有限元模型如图1所示、有限元网格划分如图2所示。

      由于需要考虑地下水存在条件下的土体动力响应,采用水力条件模式生成初始水压,得到处于激活状态下的初始有效孔隙水压p的分布情况如图3所示。





      3桩土动力响应分析

      通过分步施工的方法设置四道计算工序,工序一:由于桩体已经埋置于土体中,故将桩体材料赋予模型即生成桩体并进行塑性计算;工序二:激活半周期的简谐波即施加动力荷载,采用标准迭代步并重置位移为0,设置时间间隔为0.01秒以及动力子步数为1,设置动力简谐荷载进行动力计算;工序三冻结荷载,设置时间间隔为0.19秒,手动设置动力子步数为19保持时间步相同,设置简谐荷载参数为0,分析桩土的动力响应。工序四施加上拔力拔出桩体。

      锤击类似脉冲加荷即产生瞬态冲击荷载,并且随着桩体入土深度的增加而逐渐衰减[10]。选用激振力.为5000kN的振动锤,由于施加的动力荷载属于简谐荷载故振动锤施加的振动力为:


      取初始相位角为0,最大振幅5000kN,频率为50Hz。

      振动锤施加激振力后变形网格如图4所示。


      由变形网格可见,桩体在振动锤振动力作用下会下沉一段距离,这是由于施加的激振力采用上下振动的方式,故桩体在振动锤的作用下相对于土体向下位移。振动波的向下传递以及桩体的向下位移致使桩侧土体扰动产生液化现象,桩侧摩阻力被大幅度削减,桩体较易拔出。振动过程中有效应力云图如图5所示。

      通过有效应力的应力云图可以看出桩体上部和底部的桩侧有效应力较大,由此可判断桩侧的上部以及底部需要克服的桩侧摩阻力较大。分别选取桩顶部、桩中部以及桩底部为观测,对比其位移时程曲线如图6所示。


      由位移时程曲线可以看出,随着激振力振动时间的增加,桩体在0, 05秒左右时产生较大位移,即主要位移产生于第三步,压缩波沿桩体向下传播。而后随着时间增加位移增加不大,在0.05秒左右产生小幅度的位移减少,即随着振动的施加一-开始产生的较大位移会有部分回弹。由于土体的塑性和振动波能量在模型边界上被吸收,桩体的振动逐渐减弱。由此看出振动锤稍作振动即可移开振动锤再施加静力拔除。

      输出第二道工序结束后的界面单元桩侧剪切应变以及总应力如图7.8所示.沿桩长所有部分已达到最大剪应力,土体已经开始沿桩体滑移,桩体在施加振动后与桩侧土体产生一定的分离。


      桩顶应力点和桩底应力点加速度时程曲线如图9.10所示,可以看到桩顶与桩底加速度并不同步。桩顶的振动加速度随动力时间的增加而逐渐趋于平缓并逐渐衰弱.初始时有较大波动。桩底振动加速度随桩身深人土体的距离相比于桩顶有较大的减小,且初始时振动加速度较小,0.05秒后振动加速度波动增大,因此在桩顶施加的冲击荷载传播到桩底有较大程度的衰减。





      振动锤施加瞬态冲击荷载后扰动土体.土体产生液化现象并产生超孔隙水压力,比较桩顶、桩底超孔隙水压力时程曲线如图11.12所示。土体液化加速桩体与土体的分离,超孔隙水压的增大导致有效应力减小,桩体更易于拔出。


      由于施工操作空间有限,振动- -定时间后需移开振动锤,施加静力上拔力便于拔出有效长度更长的桩体。砂性土在受到外加动力荷载扰动后产生的变形很快会趋于稳定,而粘性土由于具有较低的透水性,其变形会延滞- -段时间,因此对于桩侧土为粘性土的拔桩过程中应注意在振动完成后需要尽快施加静力拔除,否则会发生土体颗粒固结重组不易拔除。本文案例通过振动消除较大部分桩侧摩阻力后在1小时之内土体尚未发生明显的固结重组现象,施加静力拔除只需要克服桩体自重及部分桩侧摩阻力,桩体较易拔出。

      4结论

      有限空间内拔桩受场地、施工方法的局限,一直是工程实际中的一大难点。本文通过有限元软件PLAXIS对有限空间振动静力拔桩全过程进行模拟,深人探讨施工过程中桩土动力响应。通过分析得到以下结论:

      (1)振动锤振动拔桩过程中对桩侧土产生扰动使桩体相对于土体发生一定的偏移,桩侧土体颗粒重组,桩体位移主要发生在振动开始阶段并随振动时间.的增加而逐渐趋于平缓且有--定量的回弹;

      (2)振动波从桩顶传播至桩底..桩顶的振动加速度较大,而桩底的振动加速度较小且波动不大;

      (3)振动锤振动过程中桩侧会产生较大的剪切应力,使得桩体脱离土体产生滑移现象方便拔除;


      (4)振动过程中桩顶附近产生的超孔隙水压力对比桩底附近产生的超孔隙水压力更大,由此导致的有效应力的减小使得桩体更易于拔除。

      (5)先振动后静力分段拔桩的方法可以较为有效的在有限空间内拔除尽可能长的桩体。

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