局部沖刷對部分埋入單樁水平承載性狀的影響

蔣建平，陳文杰,2，楊 栓

(1. 上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306; 2. 廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東中山 528437)

局部沖刷對部分埋入單樁水平承載性狀的影響

蔣建平1，陳文杰1,2，楊 栓1

(1. 上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306; 2. 廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東中山 528437)

為分析局部沖刷對部分埋入樁水平承載性狀的影響，利用有限元軟件ABAQUS模擬水平荷載作用下部分埋入單樁的受力。根據(jù)實際工況建立了部分埋入水平受荷樁的三維有限元計算模型，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了所建模型的正確性。然后，通過算例分析了沖刷角度、深度、樁直徑、樁頂約束條件和樁自由段長度對部分埋入樁水平承載性狀的影響。分析結(jié)果表明：局部沖刷深度比沖刷角度對部分埋入樁的水平承載性狀影響更大，局部沖刷對直徑較大的樁體承載能力影響也更大，自由段長度的增大減小了樁體水平承載力，因此，在研究沖刷對樁基水平承載性狀的影響時，應(yīng)結(jié)合樁頂約束條件綜合考慮。

部分埋入樁； 水平承載性狀； 局部沖刷； 雙層地基； 約束條件

樁基礎(chǔ)作為深基礎(chǔ)形式之一，已廣泛應(yīng)用于港口、橋梁及近海工程中[1-2]。淺水區(qū)域的水動力環(huán)境復(fù)雜，部分埋入樁基常常承受風(fēng)、波浪及水流等復(fù)雜荷載的作用。樁基由于水流沖刷引起周圍土體流失形成局部沖刷坑，導(dǎo)致樁水平承載力下降甚至破壞。樁基沖刷問題已引起一些學(xué)者的關(guān)注，但主要集中在水流對樁基礎(chǔ)的侵蝕作用[3]、確定沖刷深度和范圍[4]等方面的研究。由于工程修建前不能對沖刷作用進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，實際工程中往往更加關(guān)心沖刷后樁基承載性狀的變化。亦有一些學(xué)者運(yùn)用有限元方法模擬沖刷作用前后樁基承載性狀的變化，Yasser等[5]基于Plaxis軟件和LPILE軟件分析黏土地基和砂土地基中單樁水平承載力的變化，并將兩種軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比分析；Lin等[6]在分析樁基承載性狀變化時考慮了土體應(yīng)力歷史的影響；馬殿濱等[7]則考慮了沖刷前后土體物理特性的變化；胡丹等[8]基于模型試驗進(jìn)行單樁數(shù)值模擬，分析沖刷作用。這一類文獻(xiàn)的研究大多基于單層地基展開，有的則沒有考慮樁頂?shù)募s束條件。然而，港口、橋梁及近海工程中，地基一般呈現(xiàn)成層性，層間土體特性差異明顯，且由于影響樁身水平承載性狀的主要是淺層土，故在水平受荷樁的研究中，地基大多可視為雙層地基[9-10]。另外，由于受到承臺或上部結(jié)構(gòu)的約束作用，樁頂并非完全處于自由狀態(tài)。

本文利用ABAQUS軟件對水平荷載作用下部分埋入單樁的受力進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證建模方法的有效性和準(zhǔn)確性。然后，設(shè)置工況分析局部沖刷角度、沖刷深度、樁直徑、樁頂約束條件和樁自由段長度對雙層地基中部分埋入單樁水平承載性狀的影響，為類似研究提供一定的參考。

1 水平荷載作用下部分埋入單樁三維有限元分析

1.1 模型參數(shù)選取

參照文獻(xiàn)[11]選取土體參數(shù)(表1)。該模型采用鋼管樁進(jìn)行模擬，其中樁徑1.016 m，樁長27.6 m，埋深26.6 m。樁體彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.2，采用線彈性模型模擬。海洋黏土1、海洋黏土2、淤泥、殘積土采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬，風(fēng)化巖石與軟巖石采用線彈性模型模擬。數(shù)值模型尺寸沿樁周徑向取24 m，樁底下土層厚度取30 m，即模型深度取56 m。

表1 土體參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh division of numerical model

1.2 模型處理

樁側(cè)面與樁周土體的接觸采用庫倫摩擦模型進(jìn)行模擬，切向接觸的摩擦系數(shù)采用0.8tanφ，其中φ是土層的內(nèi)摩擦角；法向接觸采用硬接觸，即接觸后允許分離。為保證樁土間相互作用力傳遞的合理性，樁底與樁底土體采用綁定約束(tie)。

考慮到水平受荷樁的變形主要發(fā)生于力作用的位置以及受力方向，為了充分利用計算機(jī)資源及提高計算效率，靠近樁體的區(qū)域網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)離樁體的區(qū)域逐漸變疏。模型共劃分32 960個實體單元，有限元模型網(wǎng)格劃分見圖1。土體外側(cè)邊界需約束兩個水平向位移(由于模型為圓柱形，故需約束兩個水平向位移)，模型底部只約束豎向位移。

圖2 樁身位移及彎矩驗證Fig.2 Comparison of pile displacement and bending moment

1.3 模型加載及驗證

有限元計算分析中，土體初始地應(yīng)力對計算結(jié)果影響很大，故模型建立后首先要進(jìn)行地應(yīng)力平衡計算。地應(yīng)力平衡后，往樁頂分別施加200 kN和600 kN的力進(jìn)行分析計算。建立的ABAQUS分析模型計算的樁身位移和彎矩與現(xiàn)場實測值的比較見圖2，計算值與實測值較吻合，這驗證了所建有限元模型分析部分埋入單樁的可行性。

2 算例分析

2.1 數(shù)值建模

圖3 部分埋入單樁局部沖刷Fig.3 Partially embedded single pile under local scour

建立雙層地基中部分埋入單樁的三維有限元模型，樁土參數(shù)見表2。樁體埋深20 m，樁頭露出地面L，采用樁體直徑D=0.6 m和D=0.8 m兩種樁直徑設(shè)置工況分析沖刷作用的影響。有限元分析中，ABAQUS提供生死單元分析功能，可通過將樁周一定范圍和深度內(nèi)的土體運(yùn)用生死單元分析方法移除來模擬局部沖刷的過程。圖3為部分埋入單樁的局部沖刷，其中Ds為沖刷深度，α為沖刷角度，D為樁體直徑?；贏BAQUS的有限元分析模型中，均以沖刷深度比N=Ds/D表示沖刷深度的變化量值。

表2 模型樁土參數(shù)

2.2 沖刷角度對部分埋入單樁水平承載性狀的影響

為探討沖刷角度對部分埋入樁水平承載性狀的影響，設(shè)置以下5種工況：其中沖刷角度α分別為15°，30°，45°，60°和75°；其余參數(shù)為N=2，D=0.8 m，樁頂自由，L=1 m。各工況分別施加200，400，600和800 kN的樁頂荷載。

如圖4所示，不同的沖刷角度對樁頂水平位移和樁身最大彎矩的影響不明顯，此規(guī)律與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論一致。實際工程中，為簡便計算，可設(shè)置45°沖刷角對沖刷影響進(jìn)行研究。

圖4 沖刷角度對樁頂位移和樁身最大彎矩的影響Fig.4 Effects of scour slope on pile head displacement and maximum moment of pile

2.3 沖刷深度對部分埋入單樁水平承載性狀的影響

為探討沖刷深度影響，設(shè)置以下5種工況進(jìn)行計算：其中沖刷深度比N分別為0，1，2，3，4(對應(yīng)工況6～10)；其余參數(shù)為α=45°，D=0.8 m，樁頂自由，L=1 m。每種工況分別施加200，400，600和800 kN四種大小的樁頂荷載。

如圖5所示，隨著沖刷深度的增大，樁頂位移和樁身彎矩迅速增大，這主要是因為沖刷導(dǎo)致地表樁周土體流失，減弱了樁抵抗側(cè)向變形的能力。另外，隨著樁頂荷載的增大，樁頂位移和樁身最大彎矩的增大幅度更加顯著。當(dāng)樁頂荷載達(dá)到800 kN時，隨著沖刷深度的逐級增大，樁頂位移分別增加11%，32%，57%，86%，樁身最大彎矩分別增加了11%，28%，47%和67%。

圖5 沖刷深度對樁頂位移和樁身最大彎矩的影響Fig.5 Effect of scour depth on pile head displacement and maximum moment of pile

2.4 樁直徑對部分埋入單樁水平承載性狀的影響

為探討樁直徑的影響，在工況6～10的基礎(chǔ)上，增加以下D=0.6 m共5種工況進(jìn)行計算，其余參數(shù)同工況6～10。同時，為計算出兩種樁直徑的水平承載力，每種工況施加600 kN的樁頂荷載外，分別施加荷載至泥面處樁身位移達(dá)到0.2D。Borms[12]提出了黏土地基水平極限承載力的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)土體地表處產(chǎn)生的樁體水平位移等于0.2D時對應(yīng)的荷載即可認(rèn)為是水平極限承載力。

如圖6所示，兩種沖刷條件下D=0.8 m的樁體均比D=0.6 m的樁體位移小，但承受著更大的彎矩，且N=4時最大彎矩比D=0.6 m的樁體增大了18%，最大彎矩發(fā)生的位置亦較D=0.6 m的樁體稍往下移。

圖6 不同樁直徑時樁身位移和彎矩對比Fig.6 Comparison of pile displacement and bending moment with different pile diameters

圖7 兩種樁直徑的極限承載力Fig.7 Ultimate bearing capacity of different diameter piles

另外，如圖7所示，在相同的沖刷條件下，D=0.8 m的樁體比D=0.6 m的樁體承載能力更大，同時，沖刷深度對于D=0.8 m的樁體水平承載能力影響更大。隨著沖刷深度增大，兩種樁徑(D=0.6 m和D=0.8 m)比不發(fā)生沖刷時的極限承載能力分別減少了6%，13%，24%，33%和7%，16%，27%，37%。實際工程中，應(yīng)當(dāng)更關(guān)注沖刷對直徑較大樁體的承載力影響。

2.5 樁頂約束條件對部分埋入單樁水平承載性狀的影響

為探討樁頂約束條件的影響，設(shè)置以下4種工況，每種工況均施加800 kN的樁頂荷載。樁頂彈性約束是指樁頂設(shè)置線彈性側(cè)移約束，彈性約束剛度為6 000 kN/m，樁頂固定是指完全約束樁頂?shù)霓D(zhuǎn)角。4種工況具體為：樁頂固定，N=2和4各1組；樁頂彈性約束，N=2和4各1組；其余參數(shù)為α=45°，D=0.8 m，L=1 m。

在相同沖刷深度下，沖刷作用對樁頂自由樁基的影響要遠(yuǎn)大于樁頂固定以及樁頂受彈性約束的樁基(見圖8)。當(dāng)N從2增至4時，樁頂自由時樁頂位移從0.078 m增至0.11 m ，增幅約41%；樁頂受彈性側(cè)移約束時，樁頂位移從0.047 m增至0.058 m，增幅約24%；而樁頂固定時樁頂位移從0.027 m增至0.034 m，增幅約27%，但樁頂位移為三者最小。同時，當(dāng)N從2增至4時，樁頂自由時最大彎矩從3 395 kN·m增大到4 417 kN·m，增幅超30%；側(cè)向彈性約束時最大彎矩從2 072 kN·m增大到2 382 kN·m，增幅為15%；而樁頂固定時，最大彎矩從3 805 kN·m增大到4 398 kN·m，增幅約為16%。表明局部沖刷作用對樁頂自由的樁基水平承載性狀影響效果更加顯著，而對彈性側(cè)移約束的影響最小，對樁頂固定的樁基影響效果居中。與樁頂自由以及樁頂彈性側(cè)移約束的情況相比，樁頂固定約束會對樁頂施加力矩以阻止樁頂旋轉(zhuǎn)，樁頂固定時最大彎矩發(fā)生在樁頂，而樁頂自由以及彈性側(cè)移約束時最大彎矩發(fā)生在泥面下某處樁身，且最大彎矩發(fā)生的深度隨沖刷深度的增大而變深。樁頂約束條件對樁基水平承載性狀的影響顯著，故在研究局部沖刷對樁基水平承載力的影響時必須考慮樁頂約束條件的影響。

圖8 樁頂不同約束條件下樁身位移和樁身彎矩對比Fig.8 Comparison of pile displacement and bending moment under different constraint conditions of pile head

2.6 樁自由段長度對部分埋入單樁水平承載性狀的影響

為探討部分埋入樁自由段長度的影響，設(shè)置以下5種工況：樁自由段長度L分別為2，4，6，8和10 cm；其余參數(shù)分別為N=2，α=45°，D=0.8 m，樁頂固定。每種工況施加樁頂荷載800 kN。計算結(jié)果見圖9。

圖9 樁頂位移、樁身彎矩和泥面以下彎矩幅值發(fā)生的位置隨自由段長度變化Fig.9 Changes of displacement at pile head, bending moment of pile and location of moment amplitudes of piles under ground with free length

從圖9可見，與自由段長度為2 m的樁體相比，隨著自由段長度的逐級增大，樁頂位移分別增加44%，106%，186%，290%，沖刷面處樁體位移分別增加18.5%，40.7%，59.6%，85.9%；同時，樁頂彎矩分別增加19.3%，38.7%，58.2%，77.9%，泥面以下樁身彎矩幅值亦發(fā)生變化，增幅分別為31.7%，76.4%，129.7%，186.6%；隨著樁自由段長度的增大，泥面以下彎矩幅值發(fā)生的位置深度逐漸變淺，部分埋入樁的水平承載力降低。

3 結(jié) 語

采用經(jīng)驗證的三維有限元計算模型模擬了局部沖刷作用下部分埋入水平受荷樁的受力，結(jié)果表明，局部沖刷角度對部分埋入單樁水平承載性狀影響不大。實際工程中，為簡便計算，可設(shè)置45°沖刷角對沖刷影響進(jìn)行研究。部分埋入樁的樁頂位移和樁身最大彎矩隨著沖刷深度的增大而迅速增大，且隨著荷載水平的增大，樁頂位移和樁身最大彎矩增大的幅度愈加明顯。直徑較大樁體的水平承載力更大，且沖刷作用對其水平承載力影響亦更大。樁頂約束條件對樁水平承載性狀的影響較大，故研究沖刷作用對樁基水平承載力的影響時應(yīng)結(jié)合樁頂?shù)募s束條件。隨著樁自由段長度的增大，部分埋入樁的水平承載力降低。

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Impacts of local scour on lateral bearing behavior of partially embedded single piles

JIANG Jianping1， CHEN Wenjie1, 2， YANG Shuan1

(1.CollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China; 2.GuangdongMingyangWindPowerIndustryGroupLimitedCompany,Zhongshan528437,China)

In order to study the impacts of the local scour on the lateral bearing behavior of the partially embedded single piles, the software ABAQUS is used to simulate the response of a laterally loaded single pile. According to the application to engineering practices, a 3D finite element analytical model for the partially embedded piles under the conditions of lateral loads is established in this study. The validity of the numerical model is demonstrated by comparing the numerical results with the field experimental results. After then, some numerical examples are selected to investigate the influences of the scour slope, scour depth combined with pile diameter, constraint conditions at the pile head and the free length of piles on the lateral bearing behavior of the partially embedded piles. The analysis results show that the local scour depth has more significant influence than scour slope on the lateral bearing behavior. In addition, the scour conditions also have greater impacts on the lateral bearing capacity of the larger diameter piles, the increase in the free length of piles will result in the decrease in their lateral bearing capacity, and the constraint conditions at the pile head should be considered in the analysis of the impacts of scouring on the lateral bearing behavior of the pile foundations.

partially embedded piles; lateral bearing behavior; local scour; double-layered foundation; constraint conditions

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.009

2016-05-08

國家自然科學(xué)基金面上項目(41372319)；上海市教委科研創(chuàng)新項目(14YZ101)；上海市研究生教育創(chuàng)新計劃實施項目(水利工程博士點培育)(20131129)；上海市教委一流學(xué)科建設(shè)項目

蔣建平(1966—)，男，湖南邵陽人，教授，主要從事港航工程、地基基礎(chǔ)學(xué)方面的教學(xué)和研究工作。 E-mail：jjpwx@163.com

TU473

A

1009-640X(2017)03-0064-07

蔣建平， 陳文杰， 楊栓. 局部沖刷對部分埋入單樁水平承載性狀的影響[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報, 2017(3): 64-70. (JIANG Jianping, CHEN Wenjie, YANG Shuan. Impacts of local scour on lateral bearing behavior of partially embedded single piles[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 64-70. (in Chinese))