土塞效應(yīng)對不同壁厚大直徑鋼管樁豎向承載力的影響

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(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

在海洋平臺建設(shè)中鋼管樁基礎(chǔ)得到廣泛應(yīng)用。因為鋼管樁單樁基礎(chǔ)與其他類型的基礎(chǔ)型式相比具有承載力大、樁長便于調(diào)整、質(zhì)量能夠得到保證、施工速度快以及擠土效應(yīng)弱對周邊影響少等優(yōu)點。由于鋼管樁底部開口，在鋼管樁貫入土層的過程中，大量土體會進入鋼管樁內(nèi)部，在鋼管樁內(nèi)形成土塞。而由于鋼管樁內(nèi)部存在大體積的土塞，使得大直徑鋼管樁承載特性變得較為復(fù)雜。所以需要在考慮土塞效應(yīng)的情況下，通過改變各項控制因素來探索其對鋼管樁基礎(chǔ)承載力的影響。文章通過ANSYS有限元軟件，分析鋼管樁不同壁厚對其承載力的影響。

1 理論分析

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)中鋼管樁單樁豎向極限承載力公式：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp[4](1)

(2)

(3)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qsk為單樁總極限側(cè)阻力；Qpk為單樁極限端阻力標準值；u為樁身周長；qsik為單樁第i層土極限側(cè)阻力標準值；qpk為單樁極限端阻力標準值；Ap為樁端面積；λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)，對于閉口鋼管樁λp=1，對于敞口鋼管樁按式(2)、(3)取值；li為單樁第i層土樁身長度；hb—樁端進入持力層深度；d為鋼管樁外徑；

從上述公式可以發(fā)現(xiàn)，沒有考慮鋼管樁壁厚對其單樁豎向極限承載力的影響。而改變鋼管樁壁厚會使樁體端部面積增大使得樁端承載力發(fā)生改變。同時減少了鋼管樁內(nèi)土體與鋼管樁的接觸面積和鋼管樁內(nèi)土體量等，從而對樁體的土塞效應(yīng)造成影響。而土塞效應(yīng)的改變也會使鋼管樁的單樁豎向極限承載力發(fā)生改變。

在工程實踐中，鋼管樁的豎向承載力計算一直是個難題，而承載力計算其中之一關(guān)鍵點是如何考慮土塞效應(yīng)。因此在分析鋼管樁的單樁豎向極限承載力前，首先要對其土塞效應(yīng)進行判斷。根據(jù)土塞效應(yīng)在鋼管樁樁體內(nèi)的受力特點，一般可分為完全閉塞和不完全閉塞。當鋼管樁完全閉塞時，鋼管樁此時的狀態(tài)會像閉口樁一樣將周圍土體排開因此改變壁厚時其樁底面積也不會改變，鋼管樁的豎向承載力也將不會發(fā)生改變。而不完全閉塞則是樁體貫入過程中土體繼續(xù)涌入，土塞高度不斷增加，相對于樁有一定的位移。對于大直徑鋼管樁幾乎不向樁周排土,擠土效應(yīng)非常弱,在樁體貫入的過程中土塞效應(yīng)完全閉塞的可能性非常小。但由于海洋平臺基礎(chǔ)建設(shè)所用到的鋼管樁的直徑和貫入度較大，所以即使土的閉塞效應(yīng)很小，但是大體積的土芯依然會對承載力造成影響。

對于土塞效應(yīng)的判斷，國內(nèi)外已有許多代表性的土塞效應(yīng)計算方法，如：小泉法、改進靜力平衡法等。其中小泉法比較直觀的反應(yīng)了壁厚對樁體土塞效應(yīng)的影響，因此下面對小泉法進行介紹。這種方法是在考慮了樁土閉塞效應(yīng)的基礎(chǔ)上將有效面積換成代表樁端封閉面積的辦法：

(4)

(5)

(6)

式(6)中α即為閉塞率

同時通過上式也可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)當鋼管樁壁厚增加時其開口樁的閉塞率與樁端有效面積增大。最終使得樁端極限承載力增大。

2 數(shù)值模型的選用及建立

2.1.1 樁體模型

運用ANSYS有限元分析軟件建立三維實體模型，采用SOLID65實體單元。樁體采用線彈性模型，彈性模量E為210GPa，泊松比為0.25，密度為8010kg/m3。樁體外徑為1m，壁厚選取0.05m-0.09m。樁長20m，入土深度15m。

2.1.2 土體模型

土體模型采用圓柱體，徑向范圍取 10倍樁徑[4]，為10m，鋼管樁內(nèi)土體高度為10m。土體單元為SOLID65，彈性模量E為0.25GPa，泊松比為0.4，密度為2000kg/m3，黏聚力為19，摩擦角取為32°，膨脹角為30°。對樁身與土體的作用進行接觸分析，接觸面上的剛體目標面為TARGE170，接觸面為CONTA173單元。設(shè)置鋼管樁管內(nèi)的摩擦系數(shù)MU為0.2。具體工況如表1所示。網(wǎng)格劃分時盡可能保證均勻，如圖1所示。

表1 模擬工況 m

2.2 加載方法及分析步驟

將豎向荷載定義為表面荷載均勻地施加在鋼管樁樁頂，此時鋼管樁在豎向力作用下產(chǎn)生相應(yīng)的沉降位移。施加豎向荷載為4 MPa，加載方式為逐級加載，共分8級，每級加載0.5MPa。重力加速度g設(shè)為9.8m/s2。以模型頂端沉降位移為觀察對象繪制Q-S曲線，從而研究荷載位移情況。

圖1 ANSYS有限元模型

2.3 模型分析

通過對5種不同壁厚鋼管樁進行逐級加載得到各尺寸各級Y方向樁頂沉降位移云圖，限于篇幅每種尺寸位移云圖只列出其關(guān)鍵點的位移云圖如圖2～6所示：

將過程中每級加載的面荷載換算為加載的壓力，再根據(jù)之前逐級加載得到的各尺寸鋼管樁的位移云圖繪制荷載—位移曲線如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)幾項Q-S曲線皆為典型的陡降曲線。根據(jù)(JGJ106-2014) 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范可知單樁豎向極限承載力可根據(jù)沉降隨荷載變化的特征確定：對于陡降型Q-S曲線，應(yīng)取其發(fā)生明顯陡降的起始點對應(yīng)的荷載值。

圖2 0.05m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖3 0.06m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖4 0.07m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

通過上述各圖變化曲線確定其最大豎向荷載并進行計算，得出結(jié)果如表2所示：

表2 各尺寸鋼管樁豎向承載力

從上表可以看出樁頂承載力隨管樁壁厚增加而增大，采用數(shù)值分析中的最小二乘法分別使用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和多項式等5種常用函數(shù)形式對其變化趨勢進行擬合[6]。各函數(shù)擬合曲線如圖8所示。圖中各函數(shù)為擬合函數(shù)，R2代表其相關(guān)系數(shù)。

圖5 0.08m厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖6 0.09m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖7 各尺寸壁厚鋼管樁Q-S曲線

圖8 各函數(shù)擬合曲線

根據(jù)上圖可以看出指數(shù)函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)較低只有0.921。剩余四種擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)都在0.94以上。對數(shù)函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)值最高為0.9486，但線性函數(shù)和多項式函數(shù)也高達0.9448和0.9478差距很小。通過對擬合函數(shù)的使用便捷性和相關(guān)性的綜合考慮，選擇線性函數(shù)為樁壁厚度和樁頂?shù)呢Q向承載力的關(guān)系式。

3 結(jié) 論

通過理論分析和建立的ANSYS有限元分析模型及其計算結(jié)果進行分析論述得出以下結(jié)論：

(1)通過小泉法判斷鋼管樁的土塞效應(yīng)。鋼管樁在不完全閉塞情況下，鋼管樁的豎向承載力隨著壁厚的增加而增大。但是壁厚增大會使樁體貫入難度增大以及經(jīng)濟成本增加。因此在工程中應(yīng)當合理選擇管樁的尺寸。

(2)通過分析了在地質(zhì)相同、土塞高度相同和樁端進入持力層深度相同情況下，樁體豎向承載力隨樁壁厚改變的變化趨勢。對變化趨勢采用各種常見函數(shù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)線性函數(shù)的相關(guān)系數(shù)較高且便于研究使用。判斷樁體豎向承載力與樁體壁厚為線性函數(shù)關(guān)系。而《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)中鋼管樁單樁豎向極限承載力計算公式并沒有考慮壁厚變化帶來的影響。因此當樁體壁厚變化時可根據(jù)樁端豎向承載力隨壁厚的變化趨勢加入比例系數(shù)，為今后考慮壁厚變化情況下的大直徑鋼管樁豎向承載力計算提供參考。