基于abaqus的高频液压振动沉桩数值模拟

基于abaqus的高频液压振动沉桩数值模拟

桩振动、填充土和噪声对环境产生了不利影响。现在建筑密集，桩基丰富，桩基建设对环境的影响越来越大。因此，加强对周围环境的干扰尤为重要。目前振动打桩问题主要采用现场测试和数值模拟,比如评估打桩效率,研究可打入性以及承载力。Telford等、Attewell等以及DJongmans提出一些经验的公式用来预测打桩引起的地面振动。Telford等提出在半空间和远场中,单频波的衰减公式。Gattermann等描述了在德国汉堡某工地由于打桩而引起不同码头结构中既有桩的倾斜变形。Chen在台中市的火力发电厂做过一个打预制桩地面振动的测量。Chow说明了新打入桩会对邻近桩产生直接的影响。国内高彦斌等在工程实例中,进行了桩基工程施工的监测,利用实测的数据,分析了打桩过程引起的地面振动规律,并讨论了地面振动的计算方法。但对于一些复杂的情况经验法无法考虑到,龚晓南等指出在软粘土中的静力压桩过程是非线性问题,有限元分析是目前解决这类问题最有效的数值方法。Pan等研究打桩引起土体的位移。对于打桩引起的远场振动的影响,HRMasoumi等进行了研究。Henke等提出了评估打桩对邻近建筑影响的三维有限元分析方法,并比较了静压打入和振动打入对周围土体的影响。同时Henke研究了打桩对邻近结构的主要影响因素,包括打桩的方法、桩的横截面、土的密实度和桩与结构的距离。国内对振动打桩对周围环境和邻近桩基影响的研究较少,特别是高频振动打桩锤打桩问题。本文使用有限元软件Abaqus建立大变形三维模型,对高频打桩进行数值模拟,研究高频打桩对临近基桩的影响,这对工程实践具有指导意义。1隐式有限元法很多学者研究表明小变形不适用于模拟桩的完整贯入过程,有限元程序必须具有计算大变形的能力,才能模拟桩贯入过程。Henke等提出了一种特别的技术,实现了用三维有限元模型模拟打桩过程的影响,并通过实时更新网格来解决网格畸形问题,应用接触算法重划分接触网格,使基桩贯入全过程大变形分析成为可能。如图1所示使用Abaqus/Explicit建立1/4模型,在贯入轴线上建1个1mm的圆管,土和管为光滑硬接触。对于振动打桩,采用无限元模拟远场消除振动波反弹的影响。采用亚塑性模型分析颗粒材料的非线性和滞弹性性能,例如膨胀、收缩和加载以及卸载时的刚度,率相关的参数是当前应力状态和孔隙比,为考虑循环荷载下的累积效应和滞回的材料行为引入粒间应变。Grabe等使用同一技术模拟分析圆锥贯入过程,即采用Abaqus/Standard建立模型,锥顶施加一个恒定贯入速度,其它参数不变,研究表明半径0.5mm光滑圆管利于锥体的贯入。以上方法均可用于大直径开口桩贯入的模拟,主要区别在于前者模拟大变形问题,后者仅模拟直径36mm的锥体贯入试验。隐式有限元法在解决一般小变形问题时更有优势,而显式在大变形问题上可以很大程度上节约资源。本文即选用在桩轴线处建立半径为1mm的管的方法,并采用Abaqus/Explicit进行模拟,用于解决高度非线性、复杂接触、高速动荷载等问题,且在网格数目提高的情况下,显式方法具有相当大的优点,但显式动力分析步不存在孔压单元,本文只考虑打桩期间对邻近基桩的影响,不考虑工后孔消散与土体固结的影响,采用总应力法分析。2既有桩的振动参数模拟中打入桩采用离散刚体壳(discreterigid)模拟。打入桩取直径D=0.5m,长度L=10m。在桩顶定义参考点,且在参考点上施加边界、力和质量,桩的质量为m=4.71t。既有桩采用混凝土预制桩,使用线弹性模型模拟。设置桩周与土体的接触和桩底与土体的接触,采用库伦摩擦接触,摩擦系数取0.3。土体参数见表1,重度γsat=18kN/m3,静止土压力系数K0=1.0。土体周围采用无限元,约束土体底面3个方向的位移,定义土体初始应力场。施加在桩头的荷载包括2部分,一部分是静载力,即高频振动打桩机的配重(静载)Fo,另一部分是正弦变化的激振力Fv,最大激振力为Fc,总的打桩力为Fd,打桩圆频率为ω,则即采用ICE815C振动锤的参数。体粘性阻尼值线性体粘性取0.06,二次体粘性取1.2。2.1桩径2.0m模型网格划分如图2所示,模型大小为43m×40m×20m,既有桩与打入桩的距离为3倍的桩径1.5m。有限元模型为21.5m×20m×20m,周边无限元的延长长度取有限元中心到其边界的距离,既有桩采用三维实体8节点减缩积分单元C3D8R,打入桩采用刚体单元R3D4,土体采用三维实体8节点减缩积分单元C3D8R,边界采用三维实体8节点无限单元CIN3D8。2.2既有桩桩弯矩与变形既有桩与打入桩的连线设为X轴,定义为横向,与其垂直的Y轴同时定义为纵向,既有桩与打入桩的桩心距为1.5m。内力正方向规定如图3所示,这里的内力均指打桩引起的附加内力。通过对比,X方向的剪力远大于Y方向,则Y向剪力不做研究,同时还可知弯矩My远大于其他2个方向的弯矩,故只考虑弯矩My。图4表明:贯入1m时没有出现正应力。贯入3m或者更深时,挤土作用使得既有桩出现拉应力,且在桩尖处应力最大,最大拉压应力区域随贯入深度增大向下移动。贯入3m时,桩变形出现反弯点,有2个拉压应力段,且不同侧的拉压应力相反,数值显示贯入越深,最大拉压应力值越大,表明高频振动沉桩时产生振动波,既有桩受到附加荷载产生附加应力。由于桩尖和桩身形成振源,可知离振源越近受到的影响越大,贯入越深,体波的叠加越多,使得既有桩产生的附加轴力增大。图5为既有桩剪力变化,既有桩同样出现了明显的正负剪应力区域,桩尖下部为正剪应力,上部为负剪应力,整个区域随着打桩深度增加向下移,正负剪力分界面大概在桩尖处。贯入5m时最大剪力值大于贯入3m时最大剪力值,与贯入7m时的最大剪力相差不大。最大位移出现在桩尖深度处,贯入越深最大位移值越大,如图6和图7所示。2.3桩体振动的能量分析表明,桩贯入的过程中,振动锤对桩产生1个动力荷载,土进行循环剪切,降低了桩土界面的最大摩擦力,并在桩尖形成点振源,桩身形成线振源,能量沿桩向下传递,一部分能量会因为桩土摩擦而损失,而一部分由于桩尖的贯入压缩产生损失,剩下的能量会产生应力波在周围土中传播,沿着桩身产生剪切波(S-waves),在桩尖产生压缩波(P-waves),在远场产生面波(R-waves),如图8和图9所示。且近场主要为体波的叠加,由于瑞利波传播速度最小,远场主要是体波与面波的干涉。这些能量的振幅依赖于桩锤的类型、桩的类型和土的类型。打桩在周围土体产生的波会引起地面振动,相当于施加1个附加的动荷载,产生附加动应力和应变,使得周围土体的性状发生改变,可能导致临近桩基失稳,影响临近构筑物的安全。研究表明水平径向振动最大,竖向振动次之,水平切向振动最小。一般情况下,打桩所引起的地面振动,在近场处的衰减比远场处的衰减快,打桩引起的地面振动的传递是一个复杂的振动波运动的过程。2.4参数效应分析2.4.1高频振动打桩对既有桩弯矩、轴力的影响图10为不同打桩频率下,既有桩的合速度幅值对比图,可知打桩频率越高,既有桩的速度幅值越小,地表的速度幅值也越小,即对周围环境的影响越小。图11为不同贯入深度下附加弯矩对比,频率对既有桩弯矩的影响很小。图12为不同贯入深度下附加剪力对比,可知频率对既有桩剪力的影响很小。图13为不同贯入深度下附加轴力对比,综合对比可知,频率越小,既有桩产生的附加轴力越大。分析结果表明,打桩频率越小,振动打桩对周围环境的影响越大,高频振动打桩通过降低桩土界面最大摩擦力,降低了打桩过程中既有桩产生的附加内力和地面的振动,实现低振动,更适合市区施工。且可知打入桩贯入深度为既有桩长一半时,既有桩内力特征最为明显,故之后参数分析均选用贯入5m时对既有桩轴力、剪力和弯矩的影响。2.4.2振动影响既有桩内力取打入桩与既有桩的桩心距分别为1.5、3、6m。图14为打入桩贯入5m时,不同桩距既有桩产生的内力对比图,可知离打入桩越近,既有桩产生的内力越大,且在打入桩的桩尖处,由于应力集中,既有桩的内力最大。由于高频振动产生的振动小,既有桩内力随距离的增大有显著的衰减。图15为打入桩贯入5m时,不同桩距既有桩的水平位移对比图,同样发现打入桩桩尖处,既有桩的水平位移最大,且随着距离的增大有显著的衰减。图16为不同桩距既有桩合速度幅值,分析结果表明远场合速度幅值很小,随距离增大有显著衰减,且桩身3m以下速度幅值沿桩身变化很小,说明高频振动打桩对既有桩的影响范围很小。2.4.3桩体的静载力设定静载力为0.4Fo、0.6Fo和Fo,激振力为Fc、2Fc和4Fc,模拟结果如图17所示,静载力除了对既有桩的轴力有一定的影响外,对既有桩的弯矩和剪力都没有显著的影响,而激振力对既有桩的内力都无显著的影响,即打桩力对已有桩基的影响很小。3高频振动打桩对远场影响分析假定无承台,考虑2种工况,在单排桩桩前中心打桩,即纵向打桩;在4根桩旁边打桩,即横向打桩。工况一的4根既有桩分别命名为桩-11、桩-12、桩-13和桩-14;工况二的4根既有桩分别命名为桩-21、桩-22、桩-23和桩-24。桩土及打桩参数见前述,模型如图16所示,桩中心距为1.5m。对于工况一,内力和位移对比见图19,表明离打桩越近,既有桩内力和水平位移越大,3个内力图均在桩尖处出现反弯点,且既有桩的内力和位移随距离的增大有显著的衰减,即高频振动打桩对远场的影响很小。对于工况二,弯矩和位移对比见图20,可知离打桩越近,既有桩弯矩和水平位移越大,且3个内力图在桩尖处也都出现反弯点。将桩-22的内力和位移与桩距为3m的单桩相比,发现由于群桩效应,桩-22的内力和位移略小,同时随距离的增大既有桩的内力和位移有显著的衰减,即高频振动打桩对远场的影响很小。4既有桩计算结果图21为打入桩与承台的相对位置图。打入桩距承台中心距离为3m,承台高1m,承台下桩相距1.5m,且桩心到承台边缘的距离为0.6m。承台和桩的总深度为10m,承台的参数同桩的参数。承台与既有桩采用三维实体8节点减缩积分单元。有限元模型见图22。分析结果表明离打入桩越近承台沉降越大,反之沉降越小,且沉降随着离打入桩的距离呈条形变化。图23表明应力值最大的地方出现在承台与桩交界处,离打入桩近端的交界处应力集中更明显。有承台桩和无承台桩位移对比见图24和图25,由于承台的约束作用,1号桩和2号桩的桩顶位移相同。无承台桩时,桩顶的位移没有约束作用,位移有差别;亦可认为是由于承台的约束作用减小了承台1号桩的位移,增加了承台2号桩的位移。从内力对比图26可知,承台的约束作用使承台1号桩的内力最大,有承台和无承台2种情况下2号桩的内力都很小,表明高频振动打桩的影响范围很小。5高频打桩对既有桩的影响1)桩打入过程中,由于挤土作用,桩尖深度处,既有桩的应力和水平位移最大,并出现了明显的正负剪应力区域,桩尖下部为正的剪应力,上部为负的剪应力。2)桩的打入使既有桩发生弯曲,且出现拉力,拉力范围和最大值随着打入桩的桩尖往下移动;既有桩纵向的弯矩以及剪力,相对于横向的弯矩和剪力要小的多。3)打桩频率越小,地表