基于數(shù)值模擬的異形截面薄壁鋼樁水平向承載特性研究

基于數(shù)值模擬的異形截面薄壁鋼樁水平向承載特性研究

為了充分利用材料的力學(xué)特性，在實(shí)際工程中，為了擴(kuò)大樁側(cè)表面和水平截面寬度的形狀截面樁的應(yīng)用，越來越多地使用方罐注射。當(dāng)前研究主要針對現(xiàn)澆混凝土異形截面樁的豎向承載力特性，如張敏霞等眾多學(xué)者研究了混凝土樁的異形效應(yīng)，但對鋼樁異形效應(yīng)的研究很少，尤其是水平受荷鋼樁．然而相比混凝土樁，鋼樁具有整體性能好、水平承載能力強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)勢，在港口碼頭、跨海大橋、土體滑坡治理、近海風(fēng)力發(fā)電塔等工程中得到了廣泛應(yīng)用因此，本文選取鋼材作為樁身材料，針對空芯圓樁、空芯方樁及X形樁，以樁身材料用量守恒為基本原則，即在長度相同的條件下，不同截面樁身用鋼量相等，通過對比水平承載力和樁身最大彎矩等，初步探討不同截面樁的水平受荷反應(yīng)特征之間的差異與聯(lián)系，從而為實(shí)際工程在樁基選型方面提供參考．1土體彈塑性本構(gòu)采用有限元軟件ABAQUS模擬密實(shí)砂土中水平受荷樁的反應(yīng)性狀．在有限元模型中，土體采用服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模擬2樁身截面尺寸樁身材料守恒原則即在材料用量相等的前提下，通過改變樁身橫截面型式，得到不同幾何形狀的樁基．設(shè)計(jì)了3種不同薄壁樁型，分別是：空芯圓樁、空芯方樁和X形樁，以下簡稱圓樁、方樁和X樁．基于材料守恒原則，保持不同樁身截面面積相等，且在加載方向樁基的外徑D或外寬度B相等，見圖2，圖中朝上箭頭表示加載方向．對于截面尺寸，對實(shí)際工程中常用鋼管樁的徑厚比（外徑與壁厚之比）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并參考美國石油協(xié)會推薦的API規(guī)范為研究樁長的影響特征，針對每一樁型設(shè)計(jì)了2種不同嵌固深度L式中：E文中地基土的楊氏模量雖然沿深度變化，但在樁埋深范圍內(nèi)，E國內(nèi)依據(jù)樁的水平變形系數(shù)α判斷剛?cè)嵝詷?分析與討論3.1傳統(tǒng)樁型與基準(zhǔn)間的差異3種樁型在泥面處的荷載-位移（分別記作F為了量化其中的水平承載力差異，以傳統(tǒng)的圓樁為基準(zhǔn)，衡量其余樁型與基準(zhǔn)之間的差異，據(jù)此定義承載力偏差系數(shù)λ式中：F3.2半剛性樁的特性從兩個角度來分析樁身變形曲線．第一個是控制樁頂荷載F對于水平受荷樁而言，水平承載力主要由兩方面提供：土體水平抗力及樁身抗彎剛度．當(dāng)水平土抗力、樁身抗彎剛度越大時，水平承載力越高，換言之，當(dāng)水平土抗力、樁身抗彎剛度越大時，其水平方向抗變形能力越強(qiáng)，樁身變形會越?。畬?shí)際工程中，剛性樁的水平承載力一般由前者控制，而柔性樁的水平承載力一般由后者控制．c1、r1、x1雖是半剛性樁，但表現(xiàn)出的樁身變形特性與剛性樁接近，即繞著土體某深度處一點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動，見圖5a或圖5c.圖5a為半剛性樁，當(dāng)樁頂荷載相同時，樁身變形大小有差異，而且樁身變形的排序與截面慣性矩的排序不一致，這可能是因?yàn)樗艿降耐馏w抗力不一樣．方樁和X樁的樁身變形比圓樁更小，表明在任意深度處，由單位水平變形引起的土體抗力前兩者要大于第三者．這就說明，對于半剛性樁，其抗變形能力主要取決于截面形狀，而與截面慣性矩的大小無必然聯(lián)系；采用X樁或方樁等異形截面，其抗變形能力大于圓樁，因此樁基水平承載力得到提高．反觀柔性樁，見圖5b，其樁身變形曲線排序與截面慣性矩排序一致．這可能是由于在變形零點(diǎn)處以下樁身變形很小，相當(dāng)于嵌固作用，因此抗變形控制性因素轉(zhuǎn)變?yōu)榭箯潉偠龋馁|(zhì)均為鋼材，則抗彎剛度僅取決于截面慣性矩．如果截面慣性矩比圓樁小，則抗變形能力和樁基承載力也會相應(yīng)比圓樁低．這一點(diǎn)與圖4表現(xiàn)出的規(guī)律一致．從圖5c、圖5d可知，在泥面處位移相同的前提下，3種樁型的樁身變形基本一致．此處得到的重要結(jié)論是，在X樁或方樁等異形截面樁缺乏樁身變形計(jì)算公式的情況下，可以通過圓樁的樁身變形估算．3.3最大彎矩深度圖6為3種樁型樁身彎矩對比，分別選取歸一化泥面處位移y由圖6可見，對于L式中：M根據(jù)這一公式，可得λ可見對于L最大彎矩的深度見表4．可見對于半剛性樁，最大彎矩深度穩(wěn)定在z=2.5D；對于柔性樁，圓樁和方樁的最大彎矩深度由淺（z=2.5D）到深（z=3.0D）發(fā)展，而X樁仍保持在z=2.5D.4樁身變形剛度通過數(shù)值模擬，研究在相同材料及用量的情況下，3種不同樁型（空芯圓樁、空芯方樁及X形樁）的水平受荷反應(yīng)特性．通過對比分析，得到各樁型的樁基承載力、樁身變形與內(nèi)力隨變形的變化規(guī)律，及異同，從而為實(shí)際工程中樁型選擇提供重要的參考依據(jù)．主要結(jié)論如下．1）從水平承載力特性來看，對于半剛性樁，X樁或方樁等異形截面樁基水平承載力均優(yōu)于傳統(tǒng)圓樁，其中方樁的承載力比圓樁高9%，而X樁與圓樁承載力的差異隨著變形在增大，最大可達(dá)11%．對于柔性樁，方樁承載力比圓樁高15%，而X樁最小；對柔性樁而言，X樁并不能提高樁基水平承載力．2）半剛性樁的抗變形能力主要取決于截面形狀所引起的土體抗力，而柔性樁的抗變形能力主要取決于樁身抗彎剛度．如果抗彎剛度小于圓樁，則采用異形截面無法達(dá)到提高承載力的效果．在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可通過圓樁樁身變形估算X樁或方樁等異形截面樁的樁身變形．3）泥面處變形相同時，樁身最大彎矩從大到小依次是：方樁、圓樁、X樁．對于半剛性樁，隨著樁身變形增大，3者之間的差距在減小；當(dāng)泥面處變形大于15%倍樁寬時，可認(rèn)為3種樁型的最大彎矩基本一致；對于柔性樁，方樁最大彎矩比圓樁高15%,X樁最大彎矩比圓樁低20%，且兩者