鋼管-水泥土組合樁抗拔性能有限元分析

馮建光

（蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215137）

0 引言

作為一種傳統(tǒng)的抗拔措施， 等截面抗拔樁的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 在國(guó)外的抗拔樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，大量地采用了等截面抗拔樁。 抗拔樁主要依靠樁身與土層的摩擦力來(lái)提供抗拔力。

1 抗拔樁的破壞形態(tài)

破壞形態(tài)分為四大基本類型[1-2]

（1）沿樁-土側(cè)壁界面剪破；

（2）與樁長(zhǎng)等高的倒圓錐臺(tái)剪破；

（3）復(fù)合剪切面剪破；

（4）樁身被拉斷。

對(duì)傳統(tǒng)的等截面抗拔樁而言， 其破壞原因往往是由于樁周土未能提供足夠的摩擦力， 比較常見(jiàn)的破壞形態(tài)是沿樁—土側(cè)壁界面剪破。

鋼管-水泥土組合樁的荷載傳遞機(jī)理[3]和破壞模式分為5 種，見(jiàn)圖1。 圖1 中(a)、(c)兩種破壞出現(xiàn)的可能性較小， 其它各種破壞模式既可能單獨(dú)發(fā)生，也可能以某種組合的形式發(fā)生。 最為理想的破壞模式為以最經(jīng)濟(jì)的形式充分利用各種材料的強(qiáng)度， 水泥土-土和鋼管-水泥土界面的摩阻力得到充分發(fā)揮，形成整體承載力最佳組合。 這種組合形式充分發(fā)揮了水泥土樁的優(yōu)點(diǎn)， 且具備抗拔的能力。

2 單樁有限元模擬

2.1 計(jì)算模型建立

采用三維有限元軟件Ansys 進(jìn)行模擬[3-4]，水泥土的力學(xué)性能通過(guò)改變水泥摻入百分比的形式獲得，水泥的摻入量直接影響到水泥土的各種力學(xué)性能，如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等都有很大的影響。用以分析不同水泥摻入百分比對(duì)鋼管水泥土組合樁承載力的影響[5]，具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。 鋼管表面特征通過(guò)設(shè)置摩擦系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 模擬方案

通過(guò)ANSYS 模擬鋼管與水泥土的不同工況組合，研究各因素對(duì)組合樁承載能力和破壞模式的影響。 模擬方案中的絕對(duì)不變因素有土體的性質(zhì)，水泥土樁樁長(zhǎng)10 m、樁徑0.6 m、鋼管長(zhǎng)度6 m、鋼管厚度5 mm、水泥土摻入比15%、光圓鋼管。 可變因素為水泥土摻入比、鋼管表面特征。

表1 不同水泥摻量下水泥土的參數(shù)

（1） 水泥土摻入比：在其它相對(duì)不變因素一定的情況下， 水泥摻入百分比分別取10%、15%、20%、25%，4 種工況進(jìn)行比較。

（2） 鋼管表面特征：在其它相對(duì)不變因素一定的情況下， 鋼管分別取光圓鋼管和螺紋鋼管，2 種工況進(jìn)行比較。

3 水泥摻入百分比對(duì)組合樁抗拔承載性能的影響

3.1 荷載-位移曲線分析

不同水泥摻入量下組合樁的上拔荷載-上拔位移量曲線如圖2 所示。

圖2 不同水泥摻入量下組合樁的荷載-位移曲線

圖2 顯示每條曲線的變化趨勢(shì)相似，但在曲線斜率上有很大變化。 圖3 顯示，極限荷載也隨著水泥摻入量的增加而近似于等值增加， 但增量不大。這主要是由于水泥摻入量增加后，水泥土本身的彈性模量、粘聚力、粘結(jié)力都會(huì)增加，所能提供的摩阻力和抵抗變形的能力也隨之增強(qiáng)。 由以上分析可知，水泥的摻入量在組合樁承載力的發(fā)揮上影響不大，因而建議工程中水泥摻入量以能夠滿足承壓樁所需的配比即可。

圖3 極限荷載隨著水泥摻入比的變化

圖4 極限位移隨著水泥摻入比的變化

不同水泥摻入量的極限位移曲線見(jiàn)圖4。與圖3組合分析，在水泥摻入量增加、組合樁極限承載力增大的趨勢(shì)下，極限位移呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，雖整體變化幅度不大，但改變水泥摻入量仍為控制組合樁豎向變形的有效方法。

3.2 鋼管、水泥土工作狀態(tài)分析

3.2.1 組合樁樁表荷載-位移曲線關(guān)系

不同水泥摻入量時(shí)組合樁的樁表荷載位移曲線圖見(jiàn)圖5。 由4 組圖相比較可以看出水泥土摻入量增加時(shí)， 鋼管與內(nèi)樁的相對(duì)位移差改變很小，但鋼管與外樁的相對(duì)位移差不斷減小，鋼管與樁周土的相對(duì)位移差也不斷減小，這說(shuō)明水泥摻入量的改變提高了組合樁的極限承載力，且對(duì)外樁承載能力的提高較明顯。

3.2.2 組合樁的破壞模式分析

由圖5 中四條曲線的相互關(guān)系，便可以判斷出其臨界破壞型式。當(dāng)內(nèi)樁與鋼管的曲線斜率保持基本不變時(shí)，說(shuō)明內(nèi)樁已經(jīng)破壞，僅靠自重提供反力。外樁的豎向位移隨著上拔荷載的增加而增加，但在加載至破壞時(shí)，其豎向位移并未與鋼管位移保持基本不變，且樁周土的位移并未因組合樁破壞而豎向位移繼續(xù)增加，這說(shuō)明組合樁的破壞界面在鋼管與外樁的接觸面上，（a）、（b）、（c）、（d） 四組圖均為該種破壞形式。

圖5 組合樁荷載-位移曲線

水泥用量的增加對(duì)內(nèi)、外樁荷載分擔(dān)比例的影響不大，內(nèi)樁分擔(dān)比例有所提高（圖6）。 這主要是由于水泥土摻入百分比的改變并未影響內(nèi)、外樁的幾何尺寸，僅對(duì)水泥土的力學(xué)參數(shù)有所改變，如水泥土的彈性模量和粘結(jié)力，因而內(nèi)樁荷載分擔(dān)比例有小幅提高。

4 鋼管表面特征對(duì)組合樁抗拔承載性能的影響

圖6 極限承載時(shí)水泥摻入百分比對(duì)內(nèi)、外樁荷載分擔(dān)比例的影響

由前述分析可知， 鋼管與水泥土組合樁的抗拔極限承載力未能充分發(fā)揮的主要原因在于鋼管與外樁接觸界面的破壞， 提高接觸界面的摩阻力也是提高抗拔極限承載力的最主要的途徑。 本組數(shù)值模擬將分析螺紋鋼管對(duì)組合樁極限抗拔承載力的影響。

4.1 荷載-位移曲線分析

螺紋鋼管-水泥組合樁的極限上拔荷載為47.6 MPa， 光圓鋼管-水泥土組合樁的極限上拔荷載為38.0 MPa，前者較后者提高了9.6 MPa，見(jiàn)圖7。 在同一級(jí)荷載下，前者上拔位移量約為后者上拔位移量的1.5 倍。 由此可見(jiàn)，螺紋鋼管對(duì)與組合樁極限上拔荷載的提高和極限位移量的減小上都有較高的貢獻(xiàn)，因而建議工程中最好選用螺紋鋼管。

圖7 不同鋼管表面特征下組合樁的荷載-位移曲線

4.2 鋼管、水泥土工作狀態(tài)分析

4.2.1 組合樁樁表荷載-位移曲線關(guān)系

不同鋼管表面特征下組合樁的樁表荷載位移曲線見(jiàn)圖8。 由圖8 可以看出，兩組曲線的整體變化趨勢(shì)相同，但在加載后期，(b)中的曲線較平緩，而(a)中的拐點(diǎn)很明顯。 兩者中，外樁和樁周土的位移量改變不大，在達(dá)到極限荷載時(shí)，外樁位移量，后者大于前者1.0 mm； 樁周土位移量， 后者大前者0.75 mm。

4.2.2 組合樁的破壞模式分析

由圖8 中四條曲線的相互關(guān)系可以判斷，(b)中鋼管與內(nèi)樁的相對(duì)位移差較(a)更小，二者均為內(nèi)樁首先破壞。 當(dāng)加載至極限荷載時(shí)（表2），外樁位移并未隨鋼管位移的改變而改變，因而，(b)的破壞型式仍是鋼管與外樁接觸界面的破壞。

圖8 組合樁荷載-位移曲線

表2 不同鋼管表面特征下組合樁的極限荷載及位移量

5 結(jié)語(yǔ)

（1）組合樁的主要受力構(gòu)件為鋼管，且在各種破壞模式下鋼管均未達(dá)到屈服強(qiáng)度，其主要破壞模式為鋼管-水泥土、水泥土-土界面的破壞。

（2）水泥摻入百分比對(duì)組合樁的抗拔性能影響也較小。水泥摻入量對(duì)組合樁極限荷載增量的影響較為均勻，對(duì)極限位移的影響幅度也不大，但極限荷載和極限位移均向正效應(yīng)發(fā)展。

水泥摻入百分比的變化對(duì)組合樁的破壞模式基本沒(méi)有影響， 均為鋼管與外樁界面發(fā)生破壞，對(duì)內(nèi)樁的荷載分擔(dān)比例有小幅度提高。

（3）螺紋鋼管對(duì)提高組合樁的極限承載力和降低豎向位移量都有很大貢獻(xiàn)，極限荷載提高了0.26倍，豎向位移量降低了0.4 倍。

改變鋼管的表面特征不會(huì)使組合樁的破壞模式發(fā)生變化。

[1] 騰智明.混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995:10-11.

[2] 曾國(guó)熙,葉政青.樁基工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997:34-36.

[3] 羅太安,馮建光,安文東.鋼管-水泥土組合樁抗拔性能有限元分析 [J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010,20(5):350-352.

[4] 馮建光,何英萍.鋼管-水泥土組合樁抗拔性能有限元分析[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2014,24(3):306-311.

[5] 王珊珊，盧成原，孟凡麗.水泥土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(4)：456-459.