高速公路改扩建管桩施工土塞效应及工艺优化.pdf
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1、95交通科技与管理工程技术0引言开口管桩凭借自身承载性能优越、工艺简单、施工便捷、减少工后沉降效果好等一系列优势,在高速公路改扩建中的地基处理工程中得到广泛应用1。但开口管桩在贯入地基时会产生土塞效应,部分桩端土进入管桩内形成土塞,会对管桩的承载力造成直接影响,不利于改扩建工程地基整体承载性能的发挥。基于此,该文主要针对高速公路改扩建管桩施工的土塞效应和施工工艺展开探究,对于管桩施工工艺的优化具有十分重要的参考价值。1工程概况以某高速公路改扩建工程项目为例,该工程所处区域为黄河冲积平原区,所选试验场地土层自上而下 10 m范围内分别为粉质黏土、粉土、淤泥质粉质黏土。结合试验场地的实际地质情况,
2、复合地基承载性能以及施工便捷程度,在实际施工过程中选择使用预应力混凝土薄壁管桩,并采用锤击法将管桩打入地基之中。预应力混凝土薄壁管桩桩径 40 cm,桩壁 6 cm,桩身混凝土强度为 C60,桩身长度依照上覆路基的荷载情况,确定选择9 m 和 10 m 两种桩身长度。2高速公路改扩建管桩施工数值模型选用 PFC 颗粒流程序构建高速公路改扩建管桩施工的数值模型,PFC 能够实现对颗粒体模型的分析,从微观角度对研究对象的力学行为和特性进行模拟。在长宽为 6 m5 m 的二维空间内,以 0.15 的初始孔隙率生成级配符合均匀分布、粒径为 1428 mm 的土体颗粒试样2。通过施加重力加速度,使土体颗
3、粒沉积,并在时步循环的作用下形成平衡状态的颗粒流模型。基于此,利用计算机编制控制指令,将竖向大于 5 m 的颗粒与顶面墙体进行删除,构建开口模型。之后,清零颗粒在横纵坐标上的速度与位移,避免后续施工压桩的影响。选用两段矩形墙体对管桩进行模拟,矩形宽度为管壁厚度,两段墙体的内距离则是管桩的内径3。为清晰观测颗粒的位移情况,采用 FISH 函数进行染色,最终得到的分层染色颗粒流模型如图 1 所示。图 1分层染色颗粒流模型为增强模型和现实情况之间的适配性,管桩和土体颗粒的力学参数如表 1 所示。表 1模型颗粒的力学参数名称摩擦系数颗粒半径/mm颗粒比重/(kg/m3)弹性模量/MPa密度/(kg/m
4、3)颗粒0.75.00e714282 6502 200墙体15.00e83基于土塞效应的管桩承载特性分析3.1土塞效应对管桩垂直承载性能的影响管桩施工过程中产生的土塞会影响管桩的垂直承载力和荷载的传递。管桩垂直承载力的组成由管桩内外壁收稿日期:2023-07-28作者简介:张新胜(1973),男,本科,高级工程师,研究方向:公路工程。高速公路改扩建管桩施工土塞效应及工艺优化张新胜,李辉,李吉元(阿拉善盟交通运输事业发展中心巴彦浩特公路养护工区,内蒙古 阿拉善 750306)摘要高速公路改扩建地基处治工程中,管桩施工作为应用最为广泛的一种施工技术,在管桩贯入地基时会产生土塞效应,而土塞效应会对管
5、桩承载力和打桩阻力造成影响,从而间接影响整个工程地基的承载性能。文章以实际高速公路改扩建工程为例,建立管桩土塞效应的数值模型,分析土塞效应对管桩承载特性的影响机理。在此基础上,对管桩施工工艺参数进行优化,并提出优化后管桩施工工艺的具体实施,以期为高速公路改扩建管桩设计与施工提供理论参考。关键词高速公路改扩建;开口管桩;土塞效应;施工工艺优化中图分类号U418.8文献标识码A文章编号2096-8949(2023)20-0095-032023 年第 4 卷第 20 期96交通科技与管理工程技术和土体之间的摩阻力与端阻力组成,而管桩荷载传递则包括管桩内外壁与其环形底面三个方面4。管桩垂直承载力 Q
6、的计算公式如下:Q=Qu=Qs+Qi+Qp(1)式中,Qu 管桩所能承受的极限承载力;Qs管桩外壁和土体之间的极限摩阻力;Qi 管桩内部和土体之间的侧摩阻力,也就是土塞效应的值;Qp 管桩的极限端阻力。考虑管桩施工过程中,土塞高度与密实程度、管桩与土体之间的侧摩阻力均处在动态变化之中,管桩垂直承载力计算的重难点就是对土塞效应值的计算。3.2土塞效应值的分析管桩内侧摩阻力变化如图2所示。管桩施工过程中,管桩内侧摩阻力随桩土相对位移的增加而先减小,再迅速增大到最大值,最后减小到某一固定值。图 2管桩内侧摩阻力变化状态分析管桩内侧摩阻力变化现象的原因,当管桩贯入地基的深度较小时,内侧摩阻力相对较小,
7、土塞效应值不会发生明显变化。但随着贯入深度的持续加深,管桩底部出现大量土体颗粒,致使土塞增高,管桩内壁的土体之间的摩擦接触面积变大,土塞密实度增强,从而导致管桩内侧摩阻力快速增长,并在达到最大之后逐渐缩减至某一定值。也就是说土塞效应值会在经历最大值后出现一个明显的衰减阶段,此阶段中管桩内侧摩阻力递减,这一现象正是“侧阻退化”现象5。3.3不同参数对土塞效应的影响在不考虑管桩贯入深度的情况下,探究不同参数对管桩施工中土塞效应的影响,分析不同参数与土塞效应之间的关系。(1)桩壁摩擦系数。桩壁摩擦系数较大的管桩,其土塞效应值都要比桩壁摩擦系数小的管桩大。保持贯入深度不变,桩壁摩擦系数较小的管桩,其土
8、塞高度要大于桩壁摩擦系数大的管桩,但侧摩阻力并非仅受桩内壁和土体颗粒接触面积的影响,土塞密实度和桩 土交界面的粗糙程度同样有所影响。桩壁摩擦系数大的管桩,桩 土交界面的粗糙程度和土塞密实度同样较高,所以桩壁摩擦系数较大管桩的土塞效应值也更大。同时,随着桩壁摩擦系数的增加,土塞效应值的增幅逐渐减小。分析原因,虽然桩 土交界面的粗糙程度和土塞密实度有所增加,但土塞高度相继也发生明显变化,桩内壁和土体之间的接触面积有所减少。由此,管桩施工中可采用增大桩壁粗糙程度的方式,增大土塞效应值,进而提高管桩的垂直承载性能,实现更好的加固。(2)沉桩速率。沉桩速率较大的管桩,其土塞效应值均要大于沉桩速率小的管桩
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