2. 湖南新天河工程设备有限公司, 湖南 湘潭 411200
2. Hunan New Timehope Construction Machinery Co., Ltd., Xiangtan 411200, China
桩基础是高层建筑、桥梁、港口和海洋工程中广泛采用的基础形式.在基础施工时,桩的种类及其施工方法依据上部建筑物或荷载情况不同而不同，呈现多种多样.因而,桩基础施工时,也需要使用不同种类的工程机械,最常见的基础施工机械是桩工机械.按照所构筑的基础类型划分,桩工机械主要有冲击沉桩机、静力压桩机、振动沉桩机及射水沉桩机[1, 2]等.冲击沉桩机因施工组织简单、占用场地小、施工效率高而在实际工程中得到广泛运用.然而,国内冲击沉桩机生产企业由于产品质量市场竞争力不强而面临来自国外的严重挑战.
近年来,国内外学者对桩工机械的动力学特性以及桩机在沉桩过程中的作用机理进行了大量研究.Út V.Lê[3]利用Galerkin方法建立了冲锤与桩之间的非线性数学模型.Mahesh等[4] 基于支持向量机和广义回归神经网络,进行了静力压桩能力的分析.王涛[5]以古典碰撞理论为基础,建立了液压桩锤冲击机构运动微分方程,并进行了冲击机构瞬态动力学特性分析.另外,在桩-土响应分析方面,也有学者作了相关的研究.刘勇健等[6] 运用一维应力波传播理论,分析了锤-桩-土系统相互作用机理.刘润等[7]考虑桩身自重和桩周土阻力,对沉桩分析的一维应力波动方程进行推导、改进.Fan等[8]使用载荷传递法分析桩与土间的相互作用.李小彭等[9]应用D-P准则,建立桩-土系统有限元模型,分析了激振力幅值、频率以及土的刚度和阻尼对沉桩速度和沉桩量的影响.
上述研究主要集中在单一的桩机或桩-土动态响应上,对桩机-桩-土全系统进行动力学特性分析不多.本文拟基于有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,考虑土体的大变形,建立新型冲击沉桩机-桩-土全系统有限元模型,结合实验测试结果,分析各零部件在沉桩过程中动态响应和不同土体下的桩底端面承载力,为液压沉桩机的结构创新和优化设计提供理论依据.
1 新型冲击沉桩机工作原理通常的冲击沉桩机是利用液压、蒸汽、柴油等能源动力驱动活塞和冲击锤,使其获得一定的速度而打击预制桩.沉桩机的自身高度将制约着冲击速度的提高.本文所讨论的新型冲击沉桩机不同于通常的冲击沉桩机.冲击体不是直接打击预制桩,而是打击在传力箱上,然后通过传力箱两端的拉杆将拉力传递到压板上,压板作用于预制桩,使其沉入岩土中.为了避免冲击体和传力箱因为冲击而损坏,在其间放置缓冲弹簧.这种结构因为拉杆与预制桩并列布置而受到高度制约较小,有着输出大冲击能量的优势.拉杆是新型冲击沉桩机不同于其他冲击沉桩机的特殊部件,它承受并传递冲击产生的拉力脉冲.图 1所示为新型冲击沉桩机工作原理图.
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| 1—冲击体;2—传力箱;3—拉杆;4—桩帽;5—桩垫;6—桩;7—土体. 图 1 新型冲击沉桩机工作原理 Fig. 1 The working principle of impact pile driver |
图 2为冲击沉桩机-桩-土全系统网格模型.本模型进行了如下简化处理：1)传力箱为焊接结构,其各压板、筋板的连接采用固连,不考虑焊接质量的影响.2)拉杆与传力箱、拉杆与桩帽的连接采用固连,不考虑连接方式的影响.3)各零件中的倒圆、倒角未作考虑.
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| 1—冲击体;2—传力箱;3—拉杆;4—桩帽;5—桩垫;6—桩;7—空物质层;8—土体. 图 2 冲击沉桩机-桩-土全系统网格模型 Fig. 2 The whole system finite element model of impact pile driver-pile-soil |
沉桩过程中,随着桩的下沉,土体发生流动.桩与土的接触是流体与结构相互作用的问题,在处理桩-土接触问题上,主要有3种方法,即Lagrange方法、Euler方法和ALE方法.其中ALE(任意拉格朗日-欧拉法)方法既不着眼于流体质点,也不着眼于空间点,而是在一个可任意运动的参考点(即网格点)上观察流体的运动.ALE方法能够有效追踪物质结构边界的运动,其内部网格单元独立于实体存在,网格可以根据定义的参数在求解过程中适当调整,从而预防出现严重畸变；在进行几何建模和网格划分时,结构与流体的几何模型以及网格可以重叠在一起[10],如图 3所示.本算例中桩与土的界面采用流固耦合接触，并采用罚函数算法模拟桩土间的接触.其中,土体为主物质,采用Euler结构单元；桩为从物质,采用拉格朗日结构单元.
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| 图 3 ALE耦合方法 Fig. 3 The ALE coupling method |
本模型计算时主要使用了3种材料模型：缓冲弹簧采用线弹性弹簧模型；土体采用非线性弹塑性材料模型；冲击体、传力箱、拉杆、桩帽、桩垫、预制桩采用弹塑性材料模型[11].本模型采用kg-mm-ms 单位制,part组数为8,单元数为80 268 个,节点数为154 662 个,材料属性如表 1所示.
| 名称 | 单元类型 | 材料 | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 密度/(kg/mm3) |
| 冲击体 | solid164 | 45号钢 | 207 | 0.28 | 7.83×10-6 |
| 传力箱 | solid164 | Q345 | 207 | 0.28 | 7.83×10-6 |
| 缓冲弹簧 | combi165 | 弹簧钢 | - | - | - |
| 拉杆 | solid164 | 45号钢 | 207 | 0.28 | 7.83×10-6 |
| 桩帽 | solid164 | 45号钢 | 207 | 0.28 | 7.83×10-6 |
| 桩垫 | solid164 | 胶木板 | 0.566 | 0.34 | 1.45×10-6 |
| 桩 | solid164 | C40混凝土 | 32.5 | 0.20 | 7.83×10-6 |
考虑到沉桩过程中,土体发生大变形,并且发生流动,本模型中土体采用ALE的12号算法.采用材料关键字*MAT_SOIL_AND_FOAM(MAT005)来定义土体材料,土体单元类型为solid164,土体密度为2.0×10-6 kg/mm3,剪切模量为1.6×10-3 GPa,体积模量为1.3×102 GPa.
2.4 边界条件和接触定义在实际沉桩过程中,土体为半无限体,在有限元建模过程中,为了减少应力波的反射,消除边界效应,依据前人经验,取土体长宽为桩径的10倍[12, 13].将土体建成一个长方体,给土体底面以及四周施加全约束,在沉桩过程中为了保证桩身不发生倾斜或翻转对桩身施加X和Z方向的平动约束和转动约束.
本模型的土体上方定义了一个空物质层,其目的是：在沉桩过程中,随着基桩下沉,允许土体物质隆起流入空物质层.为了实现力的传递,土体与空物质层必须共节点.为了防止桩土耦合过程中土体发生渗漏,在桩土发生耦合处的部分网格要足够密集.图 4所示为桩土网格模型.
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| 图 4 桩土网格 Fig. 4 The grid of pile and soil |
本模型中冲击体与传力箱之间、桩帽与桩垫之间、桩垫与桩之间均有相对较大面积的接触,依据接触类型定义,采用自动面面接触.由于冲击体在下落过程中对整个系统的动力学特性影响小，为了减少计算时间,将冲击体的行程减小到1 mm,并对冲击体施加6.12 m/s的初速度.
3 液压动力沉桩机冲击实验实验系统由液压动力沉桩机、电阻应变片、信号线、Synergy多通道高速波形记录仪等组成.本实验中液压动力沉桩机的冲击频率为20~30 Hz,对Synergy多通道高速波形记录仪作出如下设置：数据采集频率为2 MHz,电桥为1/4桥路,信号幅值范围为-2 000~+2 000微应变,信号触发值为150微应变,采用连续记录模式.
根据实验测试,获得测试点最大应力为275 MPa.依据有限元模型求解,提取与实验测试点对应位置单元最大应力为269 MPa.对比可知,最大应力值实验与仿真的结果基本一致,表明通过该有限元建模方法建立的仿真模型正确、可信.
4 数值仿真分析 4.1 数值仿真结果根据有限元模型计算,得到预制桩桩底端面最大应力单元的Y向承载应力曲线，如图 5.
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| 图 5 桩底承载应力曲线 Fig. 5 Bearing stress curve of the pile bottom |
本算例中预制桩外径为600 mm、壁厚为150 mm.由图 5可知,预制桩桩底端面最大应力为2.91×10-3 GPa,预制桩桩底最大承载力Fmax=σmaxA=6.15×105 N.
4.2 冲击体动态仿真分析图 6为冲击体在计算时间t=3.9,26.4,41.3,53.9 ms时的应力分布图.
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| 图 6 冲击体应力分布图 Fig. 6 Stress distribution graph of the impact hammer |
由图 6可知,冲击体的拉杆孔与液压动力输送管孔周围是产生应力集中的地方.这表明在结构设计中可以通过改变孔径来降低孔周围的应力值.
4.3 传力箱动态仿真分析图 7为传力箱在计算时间t=1.2,16.8,37.2,58.2 ms时的应力分布图.
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| 图 7 传力箱应力分布图 Fig. 7 Stress distribution graph of the transmission box |
由图 7可知,在冲击过程中,传力箱的外部侧板与内部筋板以及拉杆连接孔局部应力最大,其中最大应力出现底板拉杆孔周围.根据以上结果,在结构设计时可以采取增加侧板厚度、筋板数量、筋板厚度以及改变拉杆孔的大小等措施来减小局部应力.
4.4 拉杆动态仿真分析图 8为拉杆在计算时间t=1.8,2.1,31.7,55.2 ms时的应力分布图.
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| 图 8 拉杆应力分布图 Fig. 8 Stress distribution graph of the pull rod |
由图 8可知,拉杆应力集中主要出现在上端与桩帽连接部分以及下端与传力箱连接部分,其单元主应力最大值出现在拉杆与传力箱连接处.这表明,在拉杆结构设计中需要重点关注这2处的强度校核,以免拉杆出现断裂、弯曲等失效状态.从仿真结果来看,在沉桩机每一次冲击过程中,拉杆中的应力将在杆身中来回多次传递,这将对拉杆的疲劳寿命产生影响,在设计中应引起关注.
5 土体影响分析工程地质条件是建筑施工过程中十分重要的因素.土体的性质和分布不同,将直接影响沉桩机的沉桩过程以及预制桩的竖向承载力.
5.1 土体变形分析图 9为冲击沉桩机在1次冲击作用下的土体变形图.由图可知,沉桩过程中,随着预制桩的沉入,桩端底部和周围的土向外排挤,在一定程度上发生重塑,从而导致预制桩顶部四周的土体发生隆起.
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| 图 9 土体变形图 Fig. 9 Soil deformation figure |
图 10为桩底土体单元体积分数变化曲线.由图可知,沉桩前土体区域材料体积分数为1,随着时间增加,桩底部土体单元体积分数逐渐减小,在24 ms时,土体单元体积分数为零.这表明,随着预制桩沉入深度增加,土体被排挤开.依据桩底部土体单元体积分数的变化,可以判断桩机下沉的位置.
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| 图 10 桩底土体单元体积分数变化曲线 Fig. 10 The soil unit volume fraction curve |
对钢筋混凝土预制桩来说,其抗打击的能力是有限的,桩底承载力的大小决定其是否破坏.实际工程运用中,桩底承载力与土体的力学物理性能密切相关.土体力学物理性能参数类型有很多,起决定性作用的参数为体积模量[14].本文取土体体积模量分别为130，13，1.3，0.13 GPa进行沉桩分析,提取桩底最大应力值,依据公式Fmax=σmaxA得到不同土体体积模量下的桩底最大承载力，如图 11所示.图中,以最小土体体积模量0.13 GPa为基准,取各土体体积模量与其比值的对数log E/E0作为横坐标值,以桩底最大承载力为纵坐标.
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| 图 11 沉桩力曲线直方图 Fig. 11 Histogram of pile driving force curve |
由图 11可知,土体体积模量越大,相同冲击力作用下的桩底最大承载力越大.由此可知,工程实际运用中,可以依据桩底最大承载力对桩基础的适用地质条件和使用安全性进行合理判断.
6 结论1)本文基于ALE流固耦合算法,建立了冲击沉桩机-桩-土全系统有限元模型,进行了沉桩过程动力学分析.
2)依据应力波法,搭建实验测试平台,得到的测点应力波实验结果与仿真结果基本一致,为液压动力沉桩机冲击机械系统动态响应分析提供了基础.
3)依据冲击体、传力箱、拉杆等关键部件的应力变化云图,分析了各部件的动力学特性.针对不同的土体体积模量,进行了桩底最大承载力计算,为冲击沉桩机的结构设计与优化和桩机的适用工程地质条件选择提供理论基础和设计依据.
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