Введение
Забивные трубчатые сваи обычно используются в качестве фундаментных элементов для передачи нагрузок на морские сооружения через слабые, сжимаемые грунты в несущие толщи. При установке методом ударного забивания, пробки связного грунта срезаются и уплотняются внутри сваи, обеспечивая значительное дополнительное сопротивление вала. Классический анализ свай, такой как методы волнового уравнения, не может отразить сложное взаимодействие грунта и конструкции, определяющее образование пробки, и его влияние на поведение при движении.. Целью данного исследования является разработка конечно-элементной модели, имитирующей процесс возникновения большой деформации., пролить свет на переменные, контролирующие характеристики свечей и их влияние на конструкцию.
Литературный обзор
Прошлые эксперименты выявили три характерные зоны пробки, образующиеся во время вождения.: раздавленная зона на пальце ноги, плотно уплотненная центральная зона и зона сдвига у поверхности почвы (1). Исследования также связали размеры пробки со свойствами почвы., Энергия установки и свойства сваи (2,3). Однако, полномасштабное динамическое испытание свай остается сложной задачей. Существующие модели КЭ имитировали статическое осевое поведение., пренебрежение почвой, вызванной движением, имеет решающее значение для устойчивости невыпадающей пробки (4). Модели сопряжения интерфейса с расширением при сдвиге отражают увеличение осевой мощности, но не имеют динамического моделирования вождения. (5). Общий, точное моделирование процесса движения и развития взаимодействия грунта с пробкой требует проведения масштабного анализа деформаций..
Разработка модели FE
Совместная модель структуры грунта была разработана с использованием ABAQUS/Explicit.. Трубчатая свая длиной 2 метра имела толщину стенок 75 мм и диаметр ячеек 800 мм с 4-узловыми элементами оболочки.. Окружающий столб грунта длиной 15 м состоял из 8-узловых кирпичных элементов с мелкой сеткой вокруг сваи.. Использовалась модель пластичности почвы MIT-E3., откалибровано по результатам трехосных испытаний. Элементы сопряжения вдоль сваи имитировали фрикционно-когезионное поведение с критерием разрушения, учитывающим эффекты дилатансии при увеличении деформации сдвига. (6). Удары применялись посредством распределенных нагрузок на вершину сваи в соответствии с заданными историями, соответствующими энергиям дизельного молота..
Процедура анализа
Схема поэтапного динамического неявного решения устраняет крайнюю нелинейность при одновременном учете больших деформаций грунта.. Диссипация энергии на каждом временном шаге определяла развитие пластичности/уплотнения в окружающем грунте и внутри сваи при забивке.. Выходные параметры включали изменение длины установленной сваи., сопротивление забивке свай и переходные процессы, а также конечная геометрия и профиль плотности грунтовой пробки.
Результаты и обсуждение
Фигура 1 показана установка сваи на глубину 6 м после 200 удары, с последней почвенной пробкой, хорошо видимой внутри защитной зоны длиной 5 м.. Плотность почвы в этой зоне превышала 2000 кг/м3 по сравнению с 1900 кг/м3 на расстоянии 1 м., подтверждающие интенсивный механизм уплотнения. Кривые сопротивления забивке свай в зависимости от глубины соответствовали экспериментальным тенденциям., полезно для проверки прогнозов емкости. Параметрический анализ показал, что прочность глины и свойства интерфейса больше всего влияют на форму/протяженность пробки., тогда как энергия движения регулировала уровень уплотнения.
Фигура 1. Деформированная сетка КЭ после вождения показывает развитую почвенную пробку
В серии дополнительных симуляций исследовался переход от полной закупорки к остановке/выбросу пробки при повышении прочности грунта., влияние переформовки и эффектов скорости деформации, а также влияние на расчетную мощность. Особый интерес, Стабильность пробки влияет на механизмы передачи нагрузки вблизи поверхности почвы, тогда как мощность ослабления энергии движения увеличивается ниже глубины блокировки пробки.
Выводы
Подход к моделированию методом КЭ с большой деформацией успешно смоделировал сложное взаимодействие между связными грунтами и стальные сваи во время ударного вождения. Результаты позволили по-новому взглянуть на то, как свойства почвы, поведение границы раздела и подвод энергии определяют характеристики образования пробки с глубиной. Сравнение с экспериментальными данными подтвердило пригодность метода моделирования для дальнейшего анализа характеристик забивных свай и оптимизации конструкции.. Будущая работа включает распространение этой методологии на моносваи в морских фундаментах..
