大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁水平承載特性有限元分析

溫 海 峰

(廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623)

大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁水平承載特性有限元分析

溫 海 峰

(廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623)

通過(guò)有限元法研究了大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁的水平承載特性，根據(jù)樁頂荷載—位移曲線、樁身水平位移曲線和樁身彎矩的計(jì)算結(jié)果，分析了鋼護(hù)筒對(duì)大直徑嵌巖樁水平承載力的影響，探討了嵌巖樁嵌巖深度、樁徑、鋼護(hù)筒嵌巖深度、鋼護(hù)筒壁厚以及地基巖體強(qiáng)度參數(shù)對(duì)嵌巖樁水平承載力的影響，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

鋼護(hù)筒嵌巖樁，嵌巖深度，水平承載力，有限元法

碼頭工程中的樁基礎(chǔ)除了承受豎向荷載外，同時(shí)還需承受系纜、船舶撞擊、水流、風(fēng)以及地震等引起的水平荷載。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于嵌巖樁的研究已不少，但關(guān)于水平荷載作用下大直徑嵌巖樁承載性狀的研究相對(duì)較少，尤其對(duì)于水上大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁工作性狀的研究更少。在水上施工嵌巖樁需要架設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒作為施工措施需嵌入巖層一定深度，施工完成后鋼護(hù)筒被保留下來(lái)與樁身混凝土共同承受荷載作用?，F(xiàn)有樁基規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算中一般不考慮鋼護(hù)筒參與受力，但是由于鋼護(hù)筒具有較大的抗彎剛度，其在水平荷載作用下必然會(huì)承受荷載[1]。

本文結(jié)合重慶果園碼頭樁基原型資料，通過(guò)有限元方法研究水平荷載作用下大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁的受力變形機(jī)理，分析了鋼護(hù)筒對(duì)大直徑嵌巖樁水平承載力的影響，討論了鋼護(hù)筒嵌巖樁水平承載力受嵌巖深度、樁徑、鋼護(hù)筒嵌巖深度、鋼護(hù)筒壁厚以及地基巖體強(qiáng)度參數(shù)的影響。

1 有限元分析方法

1.1 有限元模型

本文選取重慶果園港二期擴(kuò)建工程的嵌巖灌注樁為原型建立有限元模型。有限元軟件應(yīng)用ABAQUS建立鋼護(hù)筒嵌巖單樁的計(jì)算模型。由于模型具有對(duì)稱性，故取整個(gè)模型的一半建立了三維有限元模型，為了保證數(shù)值計(jì)算的精度，同時(shí)滿足邊界條件，模型的影響范圍水平方向取20倍樁徑，樁底以下取2倍樁長(zhǎng)。嵌巖樁樁基總長(zhǎng)21 m，樁徑2 200 mm，其中地面以上取10 m，嵌入中等風(fēng)化巖石11 m，樁身外套鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒長(zhǎng)12.75 m，地面以上10 m，其中鋼護(hù)筒嵌入中等風(fēng)化巖石2.75 m，鋼護(hù)筒壁厚16 mm，假定地基為各向同性均質(zhì)的中等風(fēng)化巖石，樁身混凝土、鋼護(hù)筒、地基巖體均采用C3D8R實(shí)體單元。建模時(shí)，鋼護(hù)筒頂面與混凝土樁身頂面齊平，在靠近嵌巖樁的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離嵌巖樁區(qū)域的網(wǎng)格逐漸變疏，有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。在對(duì)稱面xz上施加對(duì)稱邊界條件，地基底面約束x，y，z三個(gè)方向上的位移，地基側(cè)面約束x，y方向上的位移。

1.2 材料本構(gòu)模型

模型中的鋼護(hù)筒采用彈性—強(qiáng)化模型，即在鋼材應(yīng)力未達(dá)到屈服應(yīng)力fy之前應(yīng)力—應(yīng)變曲線的斜率為鋼材的彈性模量Es，屈服之后簡(jiǎn)化為斜率為0.01Es的直線。假定鋼護(hù)筒密度ρs=7 850 kg/m3，彈性模量Es=206 GPa，彈性階段的泊松比vs=0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235 MPa。

樁身混凝土采用塑性損傷模型，假定混凝土密度ρc=2 500 kg/m3，彈性模量Ec=30 GPa，彈性階段的泊松比vc=0.2，軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=20.1 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)y=2.01 MPa。

混凝土單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用以下公式[2]確定：

受壓：

σ=(1-dc)Ecεc

(1)

受拉：

σ=(1-dt)Ecεt

(2)

其中，εc，εt為與抗壓、抗拉強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變；dc，dt為單軸受壓、受拉損傷演化參數(shù)，具體取值見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

地基巖體采用摩爾—庫(kù)侖模型，參照重慶地區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]和工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]，地基巖體的基本參數(shù)取為：彈性模量Er=3 GPa，泊松比vr=0.3，粘聚力c=400 kPa，摩擦角φ=30°，密度ρr=2 500 kg/m3。

1.3 接觸面模型

建立有限元計(jì)算模型時(shí)，除了考慮樁周巖體、樁身混凝土和鋼護(hù)筒的材料非線性外，同時(shí)考慮了樁—巖相互作用以及鋼護(hù)筒與樁身混凝土間的相互作用。在ABAQUS[5]中通過(guò)接觸命令“contact pair”實(shí)現(xiàn)接觸的設(shè)置，接觸面上的本構(gòu)關(guān)系法向采用硬接觸，切向采用庫(kù)侖彈塑性摩擦模型，以罰函數(shù)法模擬。接觸面采用主—從算法，計(jì)算模型中涉及3種接觸面，其中鋼護(hù)筒與樁身混凝土的接觸對(duì)中，鋼護(hù)筒為主控面，混凝土為從屬面，摩擦系數(shù)取0.5[6]；鋼護(hù)筒與巖石的接觸對(duì)中，鋼護(hù)筒為主控面，巖石為從屬面，摩擦系數(shù)取0.4；混凝土與巖石的接觸對(duì)中，混凝土為主控面，巖石為從屬面，摩擦系數(shù)取0.35[7]。

2 大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁水平承載性狀

為了研究水平荷載作用下大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁的承載性狀，分別建立了有鋼護(hù)筒和無(wú)鋼護(hù)筒的模型，以便對(duì)比研究，樁頂自由，在樁頂施加水平荷載。

2.1 樁頂荷載—位移曲線

圖2給出了無(wú)鋼護(hù)筒和有鋼護(hù)筒的嵌巖樁樁頂荷載—位移曲線，有鋼護(hù)筒時(shí)水平力加載至2 000 kN，無(wú)鋼護(hù)筒時(shí)水平力加載到800 kN時(shí)樁基已發(fā)生破壞。當(dāng)有鋼護(hù)筒時(shí)，樁頂荷載—位移曲線在水平荷載2 000 kN內(nèi)為緩變型曲線，相比無(wú)鋼護(hù)筒時(shí)嵌巖樁的水平承載力得到了提高。以水平力加載至600 kN為例，無(wú)鋼護(hù)筒嵌巖樁的樁頂位移為18.26 mm，有鋼護(hù)筒嵌巖樁的樁頂位移僅為10.32 mm，考慮鋼護(hù)筒后水平位移減少了約43.5%。

2.2 樁身水平位移

由圖3和圖4可知，樁身的水平位移隨水平荷載的增大而增大，在各級(jí)荷載作用下樁頂處的位移最大，由樁頂自上而下水平位移逐漸減小，由于地面(深度為0 m)以上的自由段較長(zhǎng)，到達(dá)地面時(shí)水平位移已經(jīng)很小，嵌巖段的水平位移量值較小，說(shuō)明嵌巖樁的嵌固作用明顯?？紤]鋼護(hù)筒后，其能有效地約束地面以上樁身的水平位移。

3 水平承載性狀主要影響因素

3.1 樁徑的影響

分別取嵌巖樁樁徑為1 800 mm～2 600 mm的情況進(jìn)行了有限元計(jì)算。當(dāng)嵌巖樁樁徑為1 800 mm時(shí)，水平荷載加載到2 000 kN時(shí)對(duì)應(yīng)的樁頂水平位移已達(dá)1 674 mm，為了方便比較一律取水平荷載為1 800 kN時(shí)的情況進(jìn)行比較。圖5給出了不同樁徑下樁身的水平位移曲線。由圖5可以看出，樁徑對(duì)水平承載力的影響較大，隨樁徑的增大，嵌巖樁的水平承載力增大，可見(jiàn)樁徑對(duì)鋼護(hù)筒嵌巖樁水平承載力影響較大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要綜合考慮成本和承載力要求確定合理的樁徑。

3.2 鋼護(hù)筒嵌巖深度的影響

圖6給出了2 000 kN水平荷載下不同鋼護(hù)筒嵌巖深度下樁身的水平位移曲線，可以看出，樁頂水平位移隨鋼護(hù)筒嵌巖深度的增加而減小，鋼護(hù)筒嵌巖深度從2.75 m增大到5.5 m，樁頂水平位移減小了約30%，說(shuō)明鋼護(hù)筒嵌巖深度增加2.75 m有效地提高了樁基的水平承載力，而從5.5 m增大到8.25 m，樁頂水平位移僅減小了2%，可見(jiàn)繼續(xù)增加鋼護(hù)筒嵌巖深度對(duì)提高樁基承載力已不明顯。所以在實(shí)際施工過(guò)程中，要從經(jīng)濟(jì)效益和樁基最佳受力兩方面綜合考慮，確定合理的鋼護(hù)筒嵌巖深度，鋼護(hù)筒嵌巖深度的增大一方面增加了施工難度，一方面增大了投資成本，而且對(duì)承載力的提高在超過(guò)某一臨界嵌巖深度后已無(wú)明顯作用。

3.3 鋼護(hù)筒壁厚的影響

圖7給出2 000 kN水平荷載下不同鋼護(hù)筒壁厚下樁身的水平位移曲線，可以看出，鋼護(hù)筒對(duì)水平承載力的影響較大，隨鋼護(hù)筒壁厚的增大，樁頂?shù)乃轿灰茰p小，說(shuō)明鋼護(hù)筒的壁厚對(duì)樁身抵抗彎曲變形有作用，且鋼護(hù)筒壁厚越大，作用越大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程原型資料通過(guò)有限元非線性計(jì)算，研究了水平荷載作用下碼頭大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁的水平承載性狀，得到了以下結(jié)論：

1)水平荷載作用下大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁的荷載—位移曲線呈緩變型，相比無(wú)鋼護(hù)筒時(shí)嵌巖樁的水平承載力得到了提高，鋼護(hù)筒能有效地約束地面以上樁身的水平位移。2)鋼護(hù)筒嵌巖樁隨嵌巖深度的增大，樁頂?shù)乃轿灰茰p小，但是減小的幅值較小，鋼護(hù)筒嵌巖樁存在臨界嵌巖深度，超過(guò)該臨界嵌巖深度后，僅靠增加嵌巖深度對(duì)提高樁基的水平承載力無(wú)明顯貢獻(xiàn)。3)樁徑對(duì)鋼護(hù)筒嵌巖樁水平承載力影響較大，隨樁徑的增大，嵌巖樁的水平承載力增大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要綜合考慮成本和承載力要求確定合理的樁徑。4)鋼護(hù)筒嵌巖深度存在臨界嵌巖深度，超過(guò)該臨界深度后繼續(xù)增加鋼護(hù)筒嵌巖深度對(duì)提高樁基承載力已不明顯。5)鋼護(hù)筒對(duì)于樁身抵抗彎曲變形有作用，且鋼護(hù)筒壁厚越大，作用越大。

[1] 美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì).美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，1998.

[2] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 楊 凱，劉東升，易前應(yīng)，等.重慶市巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析及應(yīng)用[J].后勤工程學(xué)院院報(bào)，2008，24(2):18-24，36.

[4] GB 50218—94，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] ABAQUS Inc.Abaqus theory manual and user’s manual version 6.10[Z].Providence，R I：ABAQUS Inc.

[6] Baltay P，Gjelsvik A.Coefficient of friction for steel on concrete at high normal stress[J].Journal of Materials in Civil Engineering，1990，2(1):46-49.

[7] KHAN A.Numerical modeling of shear socketed piers[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2000，24(11)：853-867.

Finite element analysis on horizontal bearing capacity of large-diameter steel-casing rock-socketed pile

Wen Haifeng

(GuangdongHighway&BridgeConstructionDevelopmentCo.,Ltd,Guangzhou510623,China)

The thesis studies horizontal bearing features of large-diameter steel-casing rock-socketed pile through finite element method, analyzes the impact of steel-casing upon horizontal bearing capacity of large-diameter rock-socketed pile according to pile top displacement curve, horizontal pile displacement curve and pile bending moment, explores influence of rock-socketed pile depth, rock-socketed pile diameter, steel-casing rock-socketed depth, steel-casing rock-socketed wall thickness and foundation rock strength parameter upon horizontal bearing capacity of rock-socketed pile, and finally draws some valuable conclusions.

steel-casing rock-socketed pile, rock-socketed depth, horizontal bearing capacity, finite element method

2015-04-22

溫海峰(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)19-0050-03

TU473.11

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