鎖口鋼管樁抗彎剛度折減行為及其影響因素分析

王碩，楊彥軍，岳祖潤

(1. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201804；2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊，050043)

鎖口鋼管樁由焊接在大直徑鋼管上的連接對(duì)進(jìn)行相互連接，常見的鎖口鋼管樁連接形式有“P-P型”、“P-T型”、“L-T型”3種[1-2]。1964年，鎖口鋼管樁在日本首次使用，最初鎖口鋼管樁多作為承臺(tái)基礎(chǔ)使用，近年來開始作為擋土結(jié)構(gòu)使用，特別是在沿?；靥罟こ讨腥〉昧藦V泛應(yīng)用[3-13]。但是目前對(duì)鎖口鋼管樁的變形機(jī)理與應(yīng)力在各單元間的傳遞機(jī)理依然不明確。僅有部分學(xué)者的研究表明通過在鎖口鋼管樁的連接對(duì)中注入漿液可提高整體結(jié)構(gòu)的抗彎剛度[10]，但是并未對(duì)其機(jī)理做進(jìn)一步分析，各因素對(duì)抗彎剛度影響程度也不夠清晰。借鑒歐洲鋼板樁設(shè)計(jì)規(guī)范[14]中對(duì)鋼板樁設(shè)計(jì)所采用的折減行為(RMA)方法，分析連接處摩擦因數(shù)與冠梁對(duì)鎖口鋼管樁的抗彎剛度的影響，并分析鋼管壁厚、直徑以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)置入深度對(duì)抗彎剛度的影響。

1 抗彎剛度折減行為

當(dāng)樁體抵抗彎矩時(shí)，端部的豎向位移可顯著降低樁體抗彎剛度，該現(xiàn)象稱為抗彎剛度折減行為[14]。Lohmeyer[15]對(duì)彎曲剛度折減行為進(jìn)行研究，該研究中提出了一個(gè)力學(xué)模型用來分析由于樁間相對(duì)豎向位移引起剪應(yīng)力傳導(dǎo)損失，從而導(dǎo)致彎曲剛度變化。Lohmeyer的模型將 U型板樁簡化為完全彈性梁進(jìn)行分析，對(duì)相鄰兩樁完全剪應(yīng)力傳導(dǎo)與零剪應(yīng)力傳導(dǎo) 2種情況建立了理論分析模型，如圖2(a)和(b)所示；而支護(hù)樁在實(shí)際工作中是部分剪應(yīng)力傳導(dǎo)的，其工作狀況如圖 2(c)所示。Lohmeyer的研究成果被 Schillings等[16]，von Wolffersdorf[17]與 Hartmann-Linden 等[18]通過對(duì)現(xiàn)場鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果證實(shí)。英國規(guī)范BS8002[19]建議采用“彎曲連接對(duì)”來降低 RMA 的影響，但是后來的研究中發(fā)現(xiàn)采用“彎曲連接對(duì)”會(huì)引起樁體斜彎，從而使彎曲剛度降低24%，因此在實(shí)際工程中“彎曲連接對(duì)”并沒有廣泛采用。

Byfield等[20]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了U型鋼板樁1/8縮尺模型，并通過如圖3所示的加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行三角形荷載加載。實(shí)驗(yàn)分為5組：(1) 連接對(duì)中注入黃油；(2) 普通連接對(duì)；(3) 連接對(duì)中填充粗砂；(4) 連接對(duì)中填充粗砂并將梁頂用螺栓固定(模擬冠梁)；(5) 將樁兩端用螺栓固定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明5組實(shí)驗(yàn)對(duì)象的抗彎剛度依次增大，可見提高樁間摩擦力與約束端部縱向位移可有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，所以其抗彎剛度折減系數(shù)依次降低。

圖1 鎖口鋼管樁連接形式[2]Fig. 1 Types of joints in steel pipe sheet piles[2]

圖2 樁間剪應(yīng)力傳導(dǎo)模型[20]Fig. 2 Cases of shear transfer in pile sections[20]

圖3 三角形荷載加載結(jié)構(gòu)[20]Fig. 3 Loading arrangement used during experimental testing[20]

Byfield和Mawer[20]的研究存在以下問題：

(1) 試件小于實(shí)際構(gòu)件，其位移-應(yīng)力關(guān)系不能準(zhǔn)確模擬鋼板樁實(shí)際的工作情況；試件兩端的約束形式與鋼板樁實(shí)際工作中端部約束不同。

(2) 加載形式只是近似三角形，與樁體在土中承受的土壓力有所差異；只分析了主動(dòng)土壓力的影響，加載系統(tǒng)中沒有被動(dòng)土壓力。

(3) 摩擦力對(duì)折減行為影響分析中僅做了定性分析，沒有定量分析。

2 數(shù)值分析模型

本分析模型采用P-T連接，如圖4所示。在小鋼管開口與工字鋼腹板接觸處(實(shí)際中小鋼管是不與工字鋼腹板接觸的，二者是通過填充在其中的土體進(jìn)行剪應(yīng)力傳導(dǎo)的)設(shè)置接觸對(duì)，來模擬摩擦力對(duì)折減行為的影響。在鋼管樁兩側(cè)分別作用主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力，均呈三角形分布，主動(dòng)土壓力作用范圍為整個(gè)樁長，被動(dòng)土壓力作用范圍為樁頂下11 m至樁腳處；假定土層均勻分布，密度ρ=1 800 kg/m3，側(cè)向土壓力系數(shù)K=0.5。最大位移出現(xiàn)在樁頂下10 m左右(圖5)，與實(shí)際中的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)接近。

圖4 分析模型Fig. 4 Analysis model

圖5 鋼管樁水平位移結(jié)果模型Fig. 5 Result model of horizontal displacement

分析分為4組，分別研究：(1) 摩擦因數(shù)、冠梁、第一道支撐；(2) 鋼管壁厚；(3) 直徑；(4) 置入深度4個(gè)方面影響。

(1) 摩擦因數(shù)與約束：樁頂無約束、樁頂設(shè)置冠梁、樁頂設(shè)置支撐、樁頂設(shè)置支撐+冠梁情況下摩擦因數(shù)分別為 0，1，5，10，因?yàn)楣ぷ咒撆c小鋼管接觸面積小，故大幅提高了其摩擦因數(shù)以分析其對(duì)折減行為影響；

(2) 鋼管壁：厚10，15，20和25 mm。

(3) 直徑：0.6，0.9，1，1.2和1.4 m。

(4) 置入深度：11，12，13，14和15 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 摩擦因數(shù)與約束

圖6所示為不同摩擦因數(shù)與約束條件下的樁體最大位移。從圖6可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)端部約束條件相同時(shí)，無論連接對(duì)間摩擦因數(shù)如何改變，其最大樁體位移不發(fā)生變化?？梢娔Σ烈驍?shù)不是鎖口鋼管樁抗彎剛度折減的影響因素。該現(xiàn)象與U型鋼板樁截然不同，這是因?yàn)殒i口鋼管樁截面形式不同于U型鋼板樁。U型鋼板樁的截面關(guān)于中性面是非對(duì)稱的(圖2)，當(dāng)樁間剪應(yīng)力傳導(dǎo)損失時(shí)截面形心軸偏移，導(dǎo)致截面整體慣性矩降低，從而抗彎剛度降低。而鎖口鋼管樁的截面是對(duì)稱的，即使剪應(yīng)力傳導(dǎo)出現(xiàn)損失，整體截面慣性矩也不會(huì)降低，所以抗彎剛度也不會(huì)降低。在連接對(duì)中填充碎石或者注漿是通過降低連接對(duì)之間的相對(duì)水平位移以及提高結(jié)構(gòu)整體模量來提高其抗彎剛度，這與U型板樁在連接對(duì)中填充粗砂以提高其摩擦因數(shù)來控制抗彎剛度折減的理論基礎(chǔ)完全不同，所以 Katayama等[21]提出的在連接對(duì)的小鋼管與工字鋼腹板上進(jìn)行刻畫來減少結(jié)構(gòu)抗彎剛度折減的做法并不合理。

圖6 不同摩擦因數(shù)與約束條件下樁體最大位移Fig. 6 Maximum displacement of piles when friction coefficient and boundary constrain are different

當(dāng)樁頂設(shè)置冠梁與橫撐時(shí)最大樁體位移顯著降低，只設(shè)置冠梁時(shí)最大位移降低 70.1%，只設(shè)置橫撐時(shí)降低 93.3%，同時(shí)設(shè)置冠梁與橫撐時(shí)降低 96.4%?？梢姌俄斣O(shè)置冠梁是降低抗彎剛度折減的有效方法。因此在采用鎖口鋼管樁做基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)設(shè)置冠梁并第一時(shí)間安裝樁頂位置的支撐。

3.2 鋼管壁厚

若不考慮抗彎剛度折減行為，就單根鋼管樁而言在相同外徑下抗彎剛度隨著壁厚的增加而增大，但是當(dāng)壁厚增加時(shí)冠梁對(duì)抗彎剛度折減影響程度尚無研究。圖7所示為鋼管外徑1 m時(shí)不同壁厚條件下的最大樁體位移與設(shè)置冠梁后最大位移減少百分比隨鋼管壁厚變化情況。從圖7可以發(fā)現(xiàn)：冠梁對(duì)抗彎剛度折減的削弱隨壁厚的增加而減弱，其變化趨勢逐漸減緩，呈雙曲函數(shù)發(fā)展。

圖7 最大位移和位移減少百分比與壁厚關(guān)系Fig. 7 Relationship between thickness and maximum displacement and decrease of displacement

3.3 鋼管直徑

圖8所示為鋼管壁厚為15 mm時(shí)不同直徑條件下的最大樁體位移與設(shè)置冠梁后最大位移減少百分比隨鋼管直徑的變化。與厚度改變時(shí)情況類似，冠梁對(duì)抗彎剛度折減的削弱隨著直徑的增加而減弱，其變化趨勢逐漸減緩，同樣呈雙曲函數(shù)發(fā)展。

3.4 鋼管置入深度

圍護(hù)結(jié)構(gòu)置入深度是基坑工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，置入深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆能力與結(jié)構(gòu)變形都有一定影響。圖9所示為假定基坑開挖深度均為11 m時(shí)樁體最大位移與安裝冠梁后位移減少百分比與鋼管總長的關(guān)系。對(duì)無支撐鎖口鋼管樁支護(hù)基坑的現(xiàn)場監(jiān)測已表明對(duì)于相同開挖深度的基坑，樁體最大水平位移隨置入深度的增大而增大[22]，這與前述計(jì)算結(jié)果一致。冠梁對(duì)鎖口鋼管樁抗彎剛度折減的削弱隨置入深度的增加而加強(qiáng)，并且呈近似指數(shù)發(fā)展。

圖8 最大位移和位移減少百分比與直徑關(guān)系Fig. 8 Relationship between diameter and the maximum displacement and decrease of displacement

圖9 最大位移和位移減少百分比與鎖口鋼管樁長度關(guān)系Fig. 9 Relationship between length and maximum displacement and decrease of displacement

4 結(jié)論

(1) 鎖口鋼管樁與U型鋼板樁不同，鎖口處摩擦系數(shù)大小并不影響其抗彎剛度折減，但冠梁(端部約束)可顯著減少鎖口鋼管樁的抗彎剛度折減。

(2) 采用鎖口鋼管樁做基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)設(shè)置冠梁并第一時(shí)間安裝樁頂位置的支撐。

(3) 隨著鋼管壁厚與直徑的增加，鎖口鋼管樁結(jié)構(gòu)抗彎剛度顯著提高，但冠梁對(duì)抗彎剛度折減的削弱隨壁厚與直徑的增加而減弱，其變化趨勢逐漸減緩，呈雙曲函數(shù)發(fā)展。

(4) 冠梁對(duì)鎖口鋼管樁抗彎剛度折減的削弱隨置入深度的增加而加強(qiáng)，并且呈近似指數(shù)發(fā)展。

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