填芯與非填芯管樁縱向振動特性數(shù)值模擬對比

郝屹峰，張毅磊，唐小雨，范一丁

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

在工程中，填芯管樁在非填芯管樁的基礎(chǔ)上利用樁芯中空的特點，采用填芯工藝對管樁進行處理，使原有管樁力學(xué)性能滿足實際應(yīng)用需求。與單純的管樁相比填芯處理增大樁體剛度、提高管樁性能，與實體樁比較則更加經(jīng)濟，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在樁基縱向振動數(shù)值研究方面，早在20世紀(jì)70年代，Blaney[1]、Banerjee等[2]就分別開始利用軸對稱有限元法和邊界元法對樁基的縱向振動問題進行分析；Angelides等[3]采用非線性的有限元程序開展了樁土振動特性的研究；Sen等[4]基于邊界元法，考慮非均質(zhì)土在縱向動力荷載條件下對單樁、群樁動力特性進行研究；Y K Chow 等[5]通過有限元程序編寫建立樁-土數(shù)值模型，來分析樁土間動力響應(yīng)問題。隨著計算機技術(shù)的成熟，涌現(xiàn)許多實用的數(shù)值軟件。季勇志[6]采用ANSYS軟件對碼頭樁基進行模擬并與實測曲線對比，進一步驗證軟件在樁基檢測方面的可靠性。

在填芯管樁研究方面，李悅等[7]對不同填芯材料的PHC管樁參數(shù)進行靜力試驗，并分析了抗震性能的影響；吳聲揚[8]利用管腔中空對大直徑隨鉆跟管樁進行填芯處理增大樁體剛度，對不同工況填芯的長度、強度進行了試驗和數(shù)值分析?？傊钚竟軜兜墓こ虘?yīng)用逐漸增多相關(guān)靜力學(xué)研究給實際工程提供了不少理論支撐，但在動力學(xué)方面特別是縱向振動問題上，填芯管樁與非填芯管樁的動力特性對比研究較少。因此，本文結(jié)合ANSYS數(shù)值模型對不同參數(shù)的填芯管樁和非填芯管樁的樁頂速度時域響應(yīng)曲線進行對比分析。

1 (非)填芯管樁數(shù)值模型建立及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

1.1 數(shù)值模型建立

基于ANSYS17.0建立(非)填芯管樁-非均質(zhì)土模型，考慮到樁周土體徑向非均勻和縱向成層性，建立樁土圓柱體模型因圓柱體模型的對稱性，同時也為了減少模擬時的計算量，采用LS-DYNA程序建立1/4(非)填芯管樁-土結(jié)構(gòu)體模型，針對該模型系統(tǒng)選用SOLID185，即三維8結(jié)點結(jié)構(gòu)實體(在節(jié)的X，Y，Z方向可以模擬可塑、超彈性、應(yīng)力加勁、蠕變以及彈塑性體等相關(guān)材料)，圖1為模型及網(wǎng)格劃分。

圖1 1/4非填芯管樁-土模型

由于樁頂激振力Q(t)較小，將樁體本身、樁側(cè)土體以及樁端土體均看作線彈性變化，作低應(yīng)變問題處理。(非)填芯管樁-土系統(tǒng)在耦合振動時將對應(yīng)的樁側(cè)土體和樁身視為位移連續(xù)，在模型中采用VGLUE將整個系統(tǒng)各個接觸面粘結(jié)成一個整體，以保證網(wǎng)格化后，各部分幾何體相關(guān)接觸面上的節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變變化一致。在精度方面采用h-method，通過減小單元尺寸加密網(wǎng)格劃分來提高精度，使有限元模擬在后續(xù)求解計算時結(jié)果更為精確。

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

本模型將(非)填芯管樁置于樁周土體幾何中心，在施加脈沖前對模型初始條件及約束條件進行定義，考慮土體徑向非均質(zhì)內(nèi)部圈層區(qū)域(近樁)設(shè)為5層每層0.1 m，外部區(qū)域(遠樁)半徑為20 m。因(非)填芯管樁在土體中僅發(fā)生縱向位移(徑向位移忽略)，需對樁底土進行約束，樁端(含虛土樁)土體以及樁側(cè)土體外表面定義為無反射邊界條件。樁頂則采用均布荷載形式，考慮低應(yīng)變問題，故在樁頂面的節(jié)點組元上施加半正弦脈沖，如圖2所示。

圖2 半正弦脈沖圖

2 填芯管樁與非填芯管樁頂動力響應(yīng)數(shù)值計算

2.1 非填芯管樁與不同填芯剪切波速的填芯管樁樁頂動力響應(yīng)對比

建立土體非均質(zhì)數(shù)值模型，管樁內(nèi)徑0.2 m，外徑0.3 m，樁長為12 m，填芯高度取5 m，土塞高度取2 m，其他參數(shù)如表1所示。

表1 (非)填芯管樁土相關(guān)參數(shù)(填芯縱向剪切波速)

將非填芯管樁與不同填芯剪切波速的填芯管樁分別進行對比見圖3。

(a)填芯Vt=3800 m/s

(b)填芯Vt=4000 m/s

(c)填芯Vt=4200 m/s圖3 (非)填芯管樁樁頂速度時域響應(yīng)數(shù)值解對比(填芯剪切波速)

由圖3可知，當(dāng)填芯剪切波速不同各段曲線區(qū)別較小，總體來說非填芯管樁與填芯管樁之間在結(jié)構(gòu)上的差異性在樁頂時域響應(yīng)曲線可以反映出來，由于填芯的存在使曲線在同向反射后會產(chǎn)生一個較明顯的反射后面圍繞穩(wěn)定值上下浮動振幅呈減小趨勢，說明填芯使管樁的整體力學(xué)性質(zhì)變好，使樁頂時域響應(yīng)曲線反射明顯，且相對非填芯管樁而言信號明顯提前，能量消散較快。

2.2 非填芯管樁與不同填芯高度的填芯管樁與樁頂動力響應(yīng)對比

除了填芯剪切波速之外，填芯高度對管樁本身也會產(chǎn)生影響，本文結(jié)合數(shù)值模型進行非填芯管樁與填芯管樁與樁頂速度時域響應(yīng)對比分析。建立內(nèi)徑0.1 m，外徑0.3 m，樁長12 m的數(shù)值模型，樁端土厚度取5 m，不考慮土塞效應(yīng)，其他相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 (非)填芯管樁土相關(guān)參數(shù)(填芯高度)

圖4為非填芯管樁分別與不同填芯高度填芯管樁數(shù)值解對比，當(dāng)填芯為12 m時，管樁腔體內(nèi)均被填滿可近似為實心樁，通過二者之間樁頂速度時域響應(yīng)數(shù)值解對比可知，隨著填芯高度的變化曲線產(chǎn)生不同程度的變化，總體來說與非填芯管樁的樁頂時域曲線呈現(xiàn)較明顯區(qū)別，具體表現(xiàn)為填芯之后同向峰值明顯增大，反向峰值略微減小，信號減小所消耗時間短等特點。

(a)填芯3 m

(b)填芯6 m

(c)填芯9 m

(d)填芯12 m圖4 (非)填芯管樁樁頂速度時域響應(yīng)數(shù)值解對比(填芯高度)

3 結(jié) 論

1)非填芯管樁與不同填芯剪切波速的填芯管樁進行對比，當(dāng)填芯剪切波速不同各段曲線區(qū)別較小，非填芯管樁與填芯管樁之間在結(jié)構(gòu)上存在差異，但填芯的存在使曲線在同向反射后會產(chǎn)生一個較明顯的反射，相對非填芯管樁而言信號明顯提前，說明填芯使管樁的整體力學(xué)性質(zhì)變好。

2)非填芯管樁與不同填芯高度的填芯管樁對比，隨著填芯高度的變化曲線產(chǎn)生不同程度的變化，總體來說與非填芯管樁的樁頂時域曲線呈現(xiàn)較明顯區(qū)別，具體表現(xiàn)為填芯之后同向峰值明顯增大，反向峰值略微減小，信號減小所消耗時間段等特點。

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