螺杆挤压灌注桩荷载位移有限元分析研究

来源：SCI期刊网 分类：建筑论文 时间：2022-03-24 09:44 热度：

摘 要：摘 要：螺杆桩是一种造价低、承载力高、环保性好的新型桩，其桩身上部为直杆，下部为螺丝型的组合式桩基，在工程中越来越受青睐，特别是对环保要求比较严格的地区。但是螺杆桩在承载

　　摘 要：螺杆桩是一种造价低、承载力高、环保性好的新型桩，其桩身上部为直杆，下部为螺丝型的组合式桩基，在工程中越来越受青睐，特别是对环保要求比较严格的地区。但是螺杆桩在承载力机理、沉降理论以及在地震作用下的研究仍处于初始状态，影响了实际工程的发展和应用。基于目前国内外对螺杆桩这种新型桩基的研究现状，通过有限元分析和与安阳市某工程资料进行比较，针对螺杆桩在某种土体环境中进行荷载沉降方面的研究，为以后的理论研究和工程设计奠定一定的基础。

　　关键词：螺杆桩;ANSYS有限元软件;荷载沉降曲线;桩型参数

　　0 引言

　　桩是一种主要的传力构件，它可将建筑物全部或部分荷载传递给地基土，具有一定的抗压刚度和弯曲能力，其横截面尺寸较其自身长度小得多。桩基础由多桩(群桩)埋在桩基中组成，具有承载力高的特点，对于一般的竖直、水平及其动力载荷均可承受[1] 。

　　早在几千年前，人类就在江河流域里使用木桩来搭承台。20世纪20年代，钢板桩最早出现于美国Black Rock Harbor 的建设，共使用了6 600吨直钢板。随着钢铁生产技术的不断提高，相关技术也得到了改善。钢桩的出现和使用早于混凝土桩，随着混凝土的性能不断发展和提升，混凝土桩在20世纪开始陆续出现于工程中。19世纪末期，在美国的芝加哥、底特律等大城市土地用房日益紧张、建筑物及其构筑物层数不断增加，人们为了使其能够满足上部荷载的作用，桩基础的截面较大，需要把钢桩打入设计要求的深度，发明出了人工挖孔桩。

　　1894 年 Hennebigue 发明了预制混凝土桩， 1906 年配螺旋筋的混凝土桩问世，桩的形状陆续也开始被设计成各种形状：三角形、正方形、六边形等。1949 年，预应力钢筋混凝土管桩在美国开始生产[2] 。而我国在20世纪50年代才开始生产钢筋混凝土管桩，随后着手研究预应力钢筋混凝土管桩，1970 年开始投入工程领域。后来又相继出现灌注桩，随着机械工业的不断发展，出现了钻孔预制桩。目前工程领域常用的灌注桩有：冲孔灌注桩、挖孔灌注桩、全螺旋灌注桩。

　　有些学者采用不同计算模型对桩体的位移进行了研究[3-7] ，本文试图用ANSYS有限元方法对螺杆挤压灌注桩的荷载位移进行分析研究。

　　1 土体参数

　　地基土的土工参数见表1。

　　2 ANSYS有限元模型

　　2.1 螺杆桩设计参数

　　桩型参数见表2，螺杆桩设计参数见表3。

　　2.2 有限元模型的建立

　　考虑到桩为对称结构，因此可以选取1/4桩土模型进行受力分析，选取1/4桩土模型必须对桩土的侧面和螺杆桩进行加以约束，以等效原来的约束，防止荷载作用在螺杆桩使其为偏心荷载。本文所建立的ANSYS土体模型在X、Y方向的长度均为桩径的10倍，Z方向深度选择桩长的3倍。桩与土体均采用四面体十节点 solid92 单元，桩周土体约束采用释放竖向约束。其中对桩编号为SZ1(19 m)、SZ2(20 m)、SZ3(21 m)，通过ANSYS导出基本模型如下：1/4螺杆桩桩土单元划分模型见图1，1/4 螺杆桩桩土模型见图2，螺杆桩添加约束位移云图见图3，其1/4螺杆桩模型见图4。

　　3 有限元模型分析

　　3.1 荷载-位移分布特性

　　依次计算出SZ1、SZ2、SZ3不同桩长的荷载沉降，根据数据绘出 S - lg p 曲线，见图5。

　　从上述三根不同桩长的荷载位移曲线中可以看出：SZ1 加载到 2 840 kN 时，桩顶的沉降量为 14.06 mm，没有超过20 mm，S - lg p 曲线为平缓型; SZ2 加载到 2944.2 kN 时，桩顶沉降量为 14.8 mm，末级荷载作用下 S - lg p 曲线未出现陡降;SZ3从荷载-沉降曲线可以看出，当加载至 3 038.4 KN 时， S - lg p 曲线为平缓型，桩顶沉降量 15.5 mm，加载终止。

　　本文来源于：《安阳工学院学报》(双月刊)创刊于2002年，是由河南省教育厅主管、安阳工学院主办的综合性学术期刊。主要报道自然科学和社会科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性和高水平的、有重要科学意义的新研究成果。本刊立足安阳，面向全国，探索创新，注重理论联系实际，择优登载机械、电子电气、信息与控制、建工、计算机、化工、生物工程、管理、数学、物理、工程力学及哲学、经济学、史学、社会学、语言文学等方面的文章。来稿必须为原创性或述评性论文，要具有创新性、学术性和科学性，务须论点明确，文字精练，数据和结果，并保障未投其他刊物。

　　其中 S - lg p 曲线可以看出不同桩长的极限承载力，从图 5 可以得出 SZ2 极限承载力为 2 944.2 kN，桩顶位移为 14.8 mm，与安阳市某工程极限承载力较为接近，该工程实测极限承载力值为2 859.0 kN，桩顶位移为15.1，其误差约为3%，说明ANSYS有限元模型能较准确地分析实际工程。

　　4 结论

　　应用有限元分析软件ANSYS，通过安阳市某工程所提供的相关资料，输入对应的参数分析导出结果，然后处理数据进行对比分析，论证有限元模型的准确性，为螺杆桩的工程设计和实际工程生产应用提供了一定的参考依据。主要结论如下：

　　(1)使用 ANSYS 有限元软件建立螺杆桩桩土 3D模型时，土体模型宽度及深度的选取既不可以过大也不可以过小，否则会影响计算精确度或者计算速度，本文采用桩心向外取10倍桩径，深度取 3倍桩长发现较为合适，其计算精度和计算的速度均可保证;

　　(2)从荷载位移曲线可以看出：S - lg p 曲线为平缓型，桩顶最大沉降量 15.5 mm。符合工程实际。对类似工程条件具有较大的参考价值。——论文作者：陈晓霞，郑先超，张娇磊，赵韩菲

　　参考文献：

　　[1] 邹新军.土力学与地基基础[M.]长沙：湖南大学出版社， 2016.

　　[2] COYLE H M , REESE L C. Load Transfer for Axially Load⁃ ed Piles in Clay.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,ASCE , 1966,92(SM2):122-126.

　　[3] 姚文娟，蔡晨雨.一种新的超长桩荷载传递模型[J].岩土力学，2016(S2)：783-787.

　　[4] 刘旭.单桩沉降计算理论综述[J]. 第十七届全国现代结构工程学术研讨会，2017：1537-1541.

　　[5] 刘金燕.剪切位移法在分层地基模型中的应用[J]. 甘肃科技，2010，26(6)：117-119.

　　[6] 刘旭.单桩沉降计算理论综述[J]. 第十七届全国现代结构工程学术研讨会，2017：1537-1541.

　　[7] 邹春华，王长丹，代仁平，等.一种改进的单桩计算弹性理论法[J].城市道路与防洪，2009(10)：117-121.

文章名称：螺杆挤压灌注桩荷载位移有限元分析研究

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