樁基傾斜度對(duì)低應(yīng)變反射波法割樁損傷的影響

李 瑜，陳燦明，黃衛(wèi)蘭，王曦鵬

(1. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098; 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

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樁基傾斜度對(duì)低應(yīng)變反射波法割樁損傷的影響

李 瑜1，陳燦明2，黃衛(wèi)蘭2，王曦鵬1

(1. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098; 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

低應(yīng)變反射波法用于已建高樁碼頭的樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)時(shí)，需要割樁設(shè)置傳感器和激振兩個(gè)平臺(tái)，因而對(duì)樁身產(chǎn)生一定損傷。運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)比了不同傾斜度樁基在完好狀態(tài)和檢測(cè)狀態(tài)下樁身應(yīng)力的變化，分析了有割樁損傷側(cè)樁身應(yīng)力集中程度。結(jié)果表明：割樁損傷會(huì)導(dǎo)致割樁處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其影響范圍主要在割樁處1.0 m之內(nèi)，樁身受力最不利截面從樁基與橫梁聯(lián)接處移至割樁平臺(tái)處。割樁處的應(yīng)力集中程度與樁基的傾斜度相關(guān)：正斜樁應(yīng)力集中程度最高，直樁次之，反斜樁應(yīng)力集中程度最低。因此，對(duì)于以船舶撞擊力為控制荷載的高樁碼頭，在低應(yīng)變檢測(cè)樁數(shù)目的前提下可增大抽檢樁中反斜樁的比例。低應(yīng)變檢測(cè)樁基后應(yīng)對(duì)割樁處1.0 m范圍內(nèi)進(jìn)行修補(bǔ)，以確保樁基水平承載性能。

高樁碼頭; 低應(yīng)變反射波法; 割樁損傷; 應(yīng)力集中; 傾斜度; ANSYS軟件

我國(guó)已建成1 400多個(gè)港口，生產(chǎn)性碼頭泊位3.4萬(wàn)余個(gè)。隨著碼頭的大量建設(shè)及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，每年都有很多碼頭需要進(jìn)行安全性檢測(cè)[1]。對(duì)于采用PHC管樁和鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力方樁的高樁碼頭，樁身完整性檢測(cè)是不可缺少的項(xiàng)目，可采用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁身結(jié)構(gòu)完整性[2]。低應(yīng)變反射波法用于已建高樁碼頭的樁基檢測(cè)時(shí)，需在樁基側(cè)面切割兩個(gè)平臺(tái)放置傳感器和激振。割樁后樁身局部面積減少，產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，影響樁基承載力[3-4]。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)規(guī)定，低應(yīng)變反射波法檢測(cè)樁基時(shí)檢測(cè)數(shù)目不少于總樁數(shù)的20%[5]。由于割樁數(shù)量多，損傷位置基本一致，樁基檢測(cè)一定程度上會(huì)降低碼頭整體水平承載性能。本文以長(zhǎng)江下游某5萬(wàn)t級(jí)高樁碼頭的樁基為例，建立單樁有限元模型，計(jì)算分析樁基傾斜度對(duì)割樁損傷的影響。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

依托長(zhǎng)江下游某5萬(wàn)t級(jí)碼頭，建立單樁模型，研究割樁損傷情況下不同傾斜度樁基的水平承載性能。該碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭平臺(tái)寬45 m，前平臺(tái)30 m，后平臺(tái)15 m，單個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)68 m。前平臺(tái)基礎(chǔ)為直徑800 mm的PHC管樁，每榀排架下設(shè)4根直樁和5根斜度5∶1的斜樁。樁基外徑0.8 m，壁厚為110 mm。樁頂高程H1=2.53 m，設(shè)計(jì)泥面高程H2=-13.7 m，樁底高程H3=-43.37 m。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。

以碼頭前平臺(tái)的直樁、叉樁為研究對(duì)象。根據(jù)m法[6]確定樁基假想嵌固點(diǎn)位置，計(jì)算樁基在水平荷載作用下的承載性能[7-8]。碼頭區(qū)土層主要為粉砂及粉土， 取m為10，樁的相對(duì)剛度系數(shù)為2.03，計(jì)算得到樁基假想嵌固點(diǎn)距泥面線3.65～4.47 m，最終直樁和斜樁的計(jì)算樁長(zhǎng)均取20 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，切割體一般為半圓錐體，選擇圓錐高度h=100 mm，底面半徑r=30 mm，激振點(diǎn)與傳感器平臺(tái)在同一平面內(nèi)且相互垂直。切割平面距離樁頂1.0 m。計(jì)算中的樁體材料處于彈性階段，模型中的樁體彈性模量E= 3.8×1010Pa，泊松比ν=0.2，材料密度ρ=2 500 kg/m3。

圖1 單樁示意Fig.1 A single pile

由于碼頭橫梁具有較大剛度，根據(jù)排架受力特點(diǎn)，模型中允許樁頂有水平位移，但不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)；樁底在假想嵌固點(diǎn)處取固定約束。建立碼頭整體空間坐標(biāo)系：z方向?yàn)樨Q向，向上為正，xy平面為水平面，x軸平行碼頭前沿線，以上游方向?yàn)檎较颍瑈軸正方向由碼頭前沿指向碼頭陸域。同時(shí)還作如下規(guī)定：樁身軸線與y軸正向夾角鈍角時(shí)為正斜樁，直角為直樁，銳角則為反斜樁(見(jiàn)圖1)。

圖2 單樁模型及割樁損傷形狀示意Fig.2 A single pile model and shape of pile cutting damage

網(wǎng)格劃分采用solid四面體實(shí)體單元[9-10]，自由網(wǎng)格劃分。劃分后，整體網(wǎng)格長(zhǎng)度不超過(guò)0.1 m，割樁處優(yōu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長(zhǎng)度不超過(guò)0.01 m，割樁缺口處至少包含100個(gè)網(wǎng)格單元。

該碼頭以船舶水平撞擊力為主要設(shè)計(jì)荷載。本次計(jì)算主要研究割樁后樁基水平承載性能變化，由于未考慮樁身預(yù)壓應(yīng)力，樁基尤其是正斜樁能承擔(dān)的最大陸域位移偏小很多。因此，為滿(mǎn)足樁基在未檢測(cè)狀態(tài)下樁體處于彈性階段的假定，通過(guò)前期試算取直樁和叉樁樁頂向碼頭陸域方向水平位移2 mm作為本次分析的控制條件。經(jīng)初步計(jì)算分析，模型計(jì)算時(shí)取最不利情況，割樁缺口選擇在a-a′側(cè)及d-d′側(cè)。單樁模型及割樁損傷形狀見(jiàn)圖2。

2 計(jì)算結(jié)果分析

為表達(dá)方便，將圖2中a-a′側(cè)、b-b′側(cè)分別設(shè)定為沿位移約束方向的前、后側(cè)，c-c′側(cè)、d-d′側(cè)分別設(shè)定為垂直位移約束方向左、右側(cè)。計(jì)算完好及檢測(cè)兩種狀態(tài)下不同傾斜度的樁基在割樁側(cè)及未割樁側(cè)從樁底到樁頂?shù)淖畲髴?yīng)力σ，σ以拉為正，壓為負(fù)。

2.1 未割樁側(cè)樁身應(yīng)力分布

不同傾斜度樁基在樁頂向碼頭陸域方向位移2 mm時(shí)，在完好狀態(tài)和檢測(cè)狀態(tài)下樁身b-b′側(cè)、c-c′側(cè)的樁身應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 未割樁側(cè)樁身應(yīng)力

由表1可知，不同傾斜度樁基在未割樁側(cè)樁身應(yīng)力分布高度吻合，說(shuō)明割樁損傷并不會(huì)對(duì)未割樁側(cè)樁身應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響。

2.2 割樁側(cè)樁身應(yīng)力分布

不同傾斜度樁基在樁頂位移2 mm時(shí)，a-a′,d-d′兩割樁側(cè)樁身應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列于表2。計(jì)算結(jié)果表明，割樁損傷對(duì)樁身應(yīng)力的影響主要集中在割樁損傷處一定范圍：在割樁處附近1.0 m范圍內(nèi)，樁身應(yīng)力出現(xiàn)不重合，在割樁平面處，不重合現(xiàn)象最嚴(yán)重；即低應(yīng)變檢測(cè)的割樁損傷對(duì)于樁基的影響是局部的，影響長(zhǎng)度約1.0 m。1.0 m范圍外切割樁和完好樁的應(yīng)力高度重合。

表2 割樁側(cè)樁身應(yīng)力

2.3 割樁處樁身應(yīng)力狀態(tài)

為進(jìn)一步了解傾斜度對(duì)樁基割樁損傷的影響，對(duì)直樁、正斜樁和反斜樁在割樁前后樁頂位移2 mm時(shí)割樁損傷處的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析比較。圖3為不同傾斜度樁在完好及檢測(cè)兩種狀態(tài)下a-a′側(cè),d-d′側(cè)割樁處應(yīng)力分布。表3為不同傾斜度樁a-a′側(cè)、d-d′割樁處樁身應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示：①割樁處1.0 m范圍內(nèi)樁身應(yīng)力逐漸開(kāi)始分離，5倍割樁損傷長(zhǎng)度范圍內(nèi)，檢測(cè)樁與完好樁應(yīng)力分離逐漸增大，并在割樁處達(dá)到最大。②樁身a-a′側(cè)正斜樁應(yīng)力分離程度最嚴(yán)重，最大變幅257.27%；直樁分離程度次之，最大變幅203.18%；反斜樁應(yīng)力分離程度相對(duì)較小，最大變幅113.76%。③樁身d-d′側(cè)反斜樁應(yīng)力分離程度最嚴(yán)重，最大變幅172.63%；正斜樁分離程度相對(duì)較小，最大變幅107.44%；直樁d-d,側(cè)整體應(yīng)力均很小。④不同傾斜度的樁基均在距樁底19 m的切割平臺(tái)處應(yīng)力分離達(dá)到最大。⑤不同傾斜度的樁身應(yīng)力分離有一定區(qū)別：正斜樁a-a′側(cè)樁身應(yīng)力分離比d-d′側(cè)樁身應(yīng)力分離要嚴(yán)重，而反斜樁d-d′側(cè)比a-a′側(cè)的樁身應(yīng)力分離要嚴(yán)重。

表3 a-a′及d-d′側(cè)割樁處樁身應(yīng)力變化

圖3 割樁損傷處附近樁身應(yīng)力Fig.3 Pile stresses near the pile cutting damage

2.4 應(yīng)力集中程度分析

應(yīng)力集中是指當(dāng)構(gòu)件的截面、幾何形狀發(fā)生變化后，局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力的現(xiàn)象，一般用理論應(yīng)力集中系數(shù)K來(lái)表征應(yīng)力集中對(duì)固體局部區(qū)域的影響程度，其值等于應(yīng)力集中處的最大局部應(yīng)力σmax與基準(zhǔn)應(yīng)力σn的比值[11-12]。本模型中以檢測(cè)樁中最大應(yīng)力值σmax對(duì)應(yīng)位置上完好樁的樁身應(yīng)力作為基準(zhǔn)應(yīng)力σn。

不同傾斜度樁基在a-a′側(cè),d-d′側(cè)割樁缺口處的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表4。由表4可知：正斜樁a-a′側(cè)割樁處應(yīng)力集中系數(shù)最大，為3.57；直樁a-a′側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)為3.03；反斜樁a-a′側(cè)和d-d′側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較小，分別為1.14和1.73。因此，正斜樁割樁處應(yīng)力集中程度最高，反斜樁應(yīng)力集中最小。

表4 割樁側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)

2.5 樁身承載性能分析

割樁前后樁身最大拉應(yīng)力位置及大小變化見(jiàn)表5。根據(jù)結(jié)果分析，不同傾斜度的樁基在割樁損傷前后承擔(dān)2 mm水平位移時(shí)，樁體最大拉應(yīng)力有明顯提高，提高幅度最大為2.573倍，割樁處的應(yīng)力集中使樁基受力最不利截面從樁頂與橫梁聯(lián)接處移到割樁平臺(tái)處。樁頂與橫梁聯(lián)接處一般設(shè)有樁芯混凝土，抗彎能力有所提高。割樁后，最不利截面下移至未設(shè)置樁芯混凝土的割樁損傷處，相比之下，抗彎能力略有下降。因此割樁損傷對(duì)樁身應(yīng)力的增加以及最不利截面下移會(huì)嚴(yán)重影響樁身承載性能。

表5 割樁前后樁身最大拉應(yīng)力變化

本次計(jì)算分析由于未考慮PHC樁的預(yù)應(yīng)力，因此對(duì)樁頂施加的水平位移值相對(duì)偏小[13]。當(dāng)碼頭承受設(shè)計(jì)船舶撞擊力，樁頂出現(xiàn)較大位移時(shí)，檢測(cè)的割樁損傷對(duì)樁基承載能力影響可能會(huì)更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于大型通用有限元軟件ANSYS，計(jì)算分析了已建高樁碼頭不同傾斜度樁基低應(yīng)變檢測(cè)中割樁對(duì)樁基受力性能的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)割樁損傷會(huì)引起樁身產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，其影響范圍主要在割樁處1.0 m內(nèi)，在割樁平臺(tái)處完好樁與檢測(cè)樁樁身應(yīng)力分離達(dá)到最大。

(2)樁基的傾斜度對(duì)割樁引起的應(yīng)力集中效應(yīng)影響較大：正斜樁應(yīng)力集中程度最高，直樁次之，反斜樁應(yīng)力集中程度相對(duì)較小。

(3)割樁會(huì)引起樁基最不利截面位置發(fā)生相應(yīng)改變：直樁和前叉樁在割樁后最不利截面移至右側(cè)割樁平面處，后叉樁中移至前側(cè)割樁平面處。

根據(jù)上述分析結(jié)果，建議對(duì)以船舶撞擊力為控制荷載的高樁碼頭，為減小低應(yīng)變反射波法的割樁損傷對(duì)樁基水平承載性能的影響，抽檢時(shí)可優(yōu)先選取反斜樁作為檢測(cè)對(duì)象；割樁損傷會(huì)導(dǎo)致樁身水平承載性能下降，因此碼頭樁基在運(yùn)用低應(yīng)變反射波法檢測(cè)后應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)，修補(bǔ)的有效長(zhǎng)度應(yīng)不小于1.0 m，以確保樁基水平承載性能。

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Effects of pile inclination on pile cutting damage by low strain reflected wave method

LI Yu1， CHEN Can-ming2， HUANG Wei-lan2， WANG Xi-peng1

(1.CollegeofHarbour，CoastalandOffshoreEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China； 2.NanjingHydraulicResearchInstitute，Nanjing210029，China)

When applying a low strain reflected wave method to the high-pile wharf in service life, two platforms are cut in the pile in order to set up the sensor and excitation, thus a certain damage to the pile can be created. Based on a finite element software ANSYS, this paper compares the stress change of piles with different inclination when piles are in good conditions and detecting conditions. It also makes analyses of the degree of stress concentration in the cut side. Analysis results show that the pile cutting damage can lead to the stress concentration at the cutoff, and the impact range of cutting is mainly close to the cutting of 1.0 m. The most disadvantaged section of the pile moves from the connection of the pile with the beam at the top of the pile to the cut platform. The stress concentration is related to the pile inclination. The highest stress concentration occurs in the battered pile, then the vertical pile, and finally the backslash pile. Therefore in the case of the high-pile wharf where the impact force given by ships is taken as a control load, the proportion of backslash piles to be detected can be increased under the conditions of the low strain detection. The range of 1.0 m to the cutting damage should be repaired in order to ensure the horizotal bearing capacity of the piles foundation. The research results can be taken as a reference for detection of the piles in high-pile wharfs.

high-pile wharf; low strain reflected wave method; cutting pile damage; stress concentration; inclination; ANSYS software

10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.06.008

李瑜， 陳燦明， 黃衛(wèi)蘭， 等. 樁基傾斜度對(duì)低應(yīng)變反射波法割樁損傷的影響[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015(6): 54-59. (LI Yu, CHEN Can-ming, HUANG Wei-lan, et al. Effects of pile inclination on pile cutting damage by low strain reflected wave method[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(6): 54-59.)

2015-02-26

南京水利科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(Y415003)

李 瑜(1992—)，女，江西上饒人，碩士研究生，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)研究工作。E-mail:719433360@qq.com

U656.1+13

A

1009-640X(2015)06-0054-06