新型高分子聚合物板樁結(jié)構(gòu)分析

韋源源，楊 過，龔俊杰，童任遠

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

板樁作為一種常用的擋土結(jié)構(gòu)，在水利、建筑等工程中有著廣泛的應(yīng)用，當前常用的板樁主要有鋼板樁、木樁、鋼筋混凝土預制樁等[1]。隨著高分子材料的發(fā)展，利用新型高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料應(yīng)用于板樁成為當前研究、應(yīng)用的熱點。新型高分子聚合物板樁相對傳統(tǒng)板樁具有質(zhì)量輕、方便施工、環(huán)保、耐腐蝕等優(yōu)點，在水利工程建設(shè)中將會有較多的應(yīng)用[2-3]。由于新型高分子聚合物板樁的設(shè)計、應(yīng)用尚未成熟，沒有設(shè)計標準可參考，因此對于其結(jié)構(gòu)性能研究具有重要意義[4-5]。

1 高分子聚合物板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計

高分子聚合物板樁是以PVC為主材料，配以多種功能型化學助劑經(jīng)原位聚合、擠出成型而制成的產(chǎn)品[6],其結(jié)構(gòu)形式主要分為“π”型板以及方樁兩種，如圖1所示。每塊板、樁設(shè)計有獨立的“C”型、“T”型接頭，板、樁通過接頭的任意拼裝組合使結(jié)構(gòu)獲得不同抗彎剛度，以滿足不同擋土高度的設(shè)計要求，板、樁組合形式如圖2所示。

圖1 高分子聚合物板樁模型

圖2 高分子聚合物板、樁組合形式

2 高分子聚合物板樁擋土性能分析

2.1 高分子聚合物板樁材料性能試驗

為了了解產(chǎn)品材料性能并為結(jié)構(gòu)分析提供參數(shù)，對生產(chǎn)的高分子聚合物板樁取樣進行力學性能試驗。根據(jù)國家標準GB/T1040.2—2006《塑料拉伸性能的測定第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》、GB/T9341—2008《塑料彎曲性能的測定》測定板樁材料的拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、彎曲彈性模量等參數(shù)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 高分子聚合物板樁材料性能參數(shù)試驗結(jié)果

2.2 高分子聚合物板樁結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)高分子聚合物板樁的運用特點、擋土高度、施工工藝及其設(shè)備條件、周邊相近條件支護工程的工程經(jīng)驗、施工周期等情況考慮該板樁主要采用懸臂式支護結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 板樁支護結(jié)構(gòu)

基于土力學理論，參照《鋼板樁支護技術(shù)規(guī)程》對高分子聚合物板樁進行受力分析，主要考慮板樁一側(cè)無水壓力作用、一側(cè)擋土的工況，該工況下板樁主要承受側(cè)向土壓力、下曳力以及自重[7]，側(cè)向土壓力、下曳力示意圖如圖4所示。

圖4 側(cè)向土壓力、下曳力示意圖

(1)對于地下水位以上板樁和地下水位以下板樁側(cè)向土壓力計算公式分別為：

Fep,k=KαγsZ

.

(1)

Fep,k′=Kα[γsZw+γs′(Z-Zw)]

.

(2)

其中：Fep,k為地下水位以上側(cè)向主動土壓力標準值，kN/m2；Kα為主動土壓力系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)情況取1/3；γs為地下水位以上回填土的有效重度,kN/m3；Z為地面到計算截面處的深度，m；Fep,k′為地下水位以下側(cè)向主動土壓力標準值，kN/m2；Zw為地面到地下水位的距離，m；γs′為地下水位以下回填土的有效重度，kN/m3。

(2)下曳力計算公式為：

TA=μ(Fep,K1+Fep,K2)/2.

(3)

其中：TA為板樁單位面積上的平均下曳力標準值，kPa；μ為板樁與回填土間的摩擦因數(shù)，根據(jù)土質(zhì)情況取0.26；Fep,K1為板樁頂部側(cè)壓力標準值，kPa；Fep,K2為板樁底部側(cè)壓力標準值，kPa。

3 高分子聚合物板樁結(jié)構(gòu)有限元分析

為了研究高分子聚合物板樁的擋土性能，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench模擬板樁在不同組合、不同擋土高度下的應(yīng)力、變形情況，考察高分子聚合物板樁的實際使用效果。有限元分析工況如表2所示。

表2 有限元分析工況

3.1 高分子聚合物板樁模型

建立高分子聚合物板樁三維模型，對模型進行網(wǎng)格劃分，純板組合形式下，擋土高為1 m時的高分子聚合物板樁有限元分析模型如圖5所示,共劃分為2 192 612個節(jié)點、1 299 751個單元。

圖5 高分子聚合物板樁有限元分析模型

3.2 有限元計算結(jié)果

對板樁施加側(cè)向土壓力及下曳力，得到純板組合形式下不同擋土高度的板樁變形和應(yīng)力云圖，如圖6和圖7所示。由有限元計算結(jié)果可知，在純板組合形式下，擋土高度為1 m時，板樁最大變形為4.674 mm，最大應(yīng)力為1.441 MPa；擋土高度為2 m時，板樁最大變形為52.177 mm，最大應(yīng)力為10.951 MPa。

圖6 純板組合形式下不同擋土高度時板樁變形云圖

圖7 純板組合形式下不同擋土高度時板樁應(yīng)力云圖

不同板樁組合形式下，不同擋土高度時板樁的最大變形和最大應(yīng)力值如表3所示。

表3 不同板樁組合形式下不同擋土高度時的有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

通過有限元分析可以發(fā)現(xiàn)新型高分子聚合物板樁在擋土過程中整體應(yīng)力較小，純板組合擋土2 m，應(yīng)力最大為10.951 MPa，遠小于材料的拉伸強度；變形最大為52.177 mm，與傳統(tǒng)鋼板樁、混凝土擋土墻等相比變形大，但能滿足工程需求。所以新型高分子板樁在擋土過程中滿足強度、剛度要求。