水平荷載作用下彎曲型和傾覆型混凝土鉆擴(kuò)樁破壞狀態(tài)對比分析

李祖杰，徐麗娜，牛 雷，錢永梅

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

1 概述

近年來,樁基礎(chǔ)工程應(yīng)用越來越多,樁基基礎(chǔ)的形式也在發(fā)生變化.混凝土鉆擴(kuò)樁就是一種新式的樁基礎(chǔ),混凝土鉆擴(kuò)樁就是在直孔灌注樁樁身的特定位置設(shè)置承力盤,以此來提高鉆擴(kuò)樁樁基礎(chǔ)的承載性能.自從混凝土鉆擴(kuò)樁出現(xiàn)以來,因承力盤的存在,使其具有更高的承載性能,所以在實際工程中被廣泛應(yīng)用[1].樁基礎(chǔ)不僅要承受建筑物自重等所產(chǎn)生的豎向荷載作用,而且還要承受風(fēng)荷載等所產(chǎn)生的水平荷載作用[2].現(xiàn)階段,國內(nèi)外對水平荷載作用下混凝土鉆擴(kuò)樁的研究內(nèi)容相對匱乏,課題組前期研究中對傾覆型鉆擴(kuò)樁的抗傾覆承載力進(jìn)行了研究[3].但是,由于混凝土鉆擴(kuò)樁的主樁徑變化范圍較大,樁身剛度有所不同,當(dāng)主樁徑偏小時,剛度較小,在水平荷載作用下會發(fā)生樁身的彎曲,因此不能完全用傾覆型鉆擴(kuò)樁的傾覆計算理論進(jìn)行計算.一般情況下,當(dāng)鉆擴(kuò)樁樁徑較大,樁長較短,且樁周土體性質(zhì)較差時,就認(rèn)為混凝土鉆擴(kuò)樁為傾覆型鉆擴(kuò)樁,反之,為彎曲型鉆擴(kuò)樁[4].本文采用課題組獨創(chuàng)的半面樁模型有限元分析和原狀土模型試驗方案進(jìn)行研究,該試驗方案解決了原有試驗對樁基礎(chǔ)破壞不可視化的問題,通過特定的取土裝置可實時觀測樁土之間隨荷載的變化而變化.通過對模型試驗和模擬分析結(jié)果的對比分析,研究不同強(qiáng)度的混凝土鉆擴(kuò)樁樁身及樁周土體破壞狀態(tài),進(jìn)而提出承載力計算模式的不同.

混凝土鉆擴(kuò)樁因其結(jié)構(gòu)的特殊性,所以對混凝土鉆擴(kuò)樁承載力的影響因素較多,諸如盤坡角、盤形式和盤位置等,本文研究中所選取的鉆擴(kuò)樁盤坡角及盤形式均為最優(yōu)狀態(tài)下數(shù)據(jù).試驗分為兩組進(jìn)行,總共選擇4個試件進(jìn)行對比分析,其中兩組模型試件的盤位置設(shè)置不同高度,即Q3,W3和Q4,W4.在每組中包含兩種試件,一種為傾覆型試件Q3,Q4,另一種為彎曲型試件W3,W4,實際的模型樁如圖1所示.有限元模擬分析采用ANSYS軟件進(jìn)行分析,有限元模型分別為QM1,WM1和QM3,WM3,在有限元模擬中,所采取的樁土材料屬性均與實際試驗數(shù)據(jù)大致吻合,規(guī)格與試驗?zāi)Ｐ拖嗤琜5].

圖1 傾覆型樁和彎曲型樁模型

2 彎曲型樁與傾覆型樁破壞狀態(tài)對比分析

2.1 彎曲型樁試驗與有限元對比分析

通過試驗研究和有限元模擬分析中得到的土體破壞狀態(tài)[6]如圖2所示.模型試驗選取彎曲型樁W3與模擬中的WM1模型進(jìn)行對比,通過圖像觀察可知,對傾覆型樁來說,當(dāng)在樁頂部施加水平荷載時,混凝土鉆擴(kuò)樁會因自身剛度較大的原因出現(xiàn)整體傾覆現(xiàn)象,鉆擴(kuò)樁的樁身圍繞一點產(chǎn)生剛體轉(zhuǎn)動,樁頂與樁底位移均發(fā)生變化,根據(jù)試驗圖像可知,樁底位移略小于樁頂位移,而彎曲型樁由于樁身強(qiáng)度原因,會在水平荷載作用下,樁身上半部出現(xiàn)明顯的樁身彎曲變形,樁頂位移要明顯大于樁底位移,當(dāng)承力盤距樁頂較近時,承力盤端隨樁身發(fā)生偏移.

圖2 試驗和有限元分析的樁土破壞模式

通過有限元模擬結(jié)果可以看出,混凝土鉆擴(kuò)樁在樁頂發(fā)生較大位移,其中盤端和樁側(cè)也有應(yīng)力分布,因此證明在混凝土鉆擴(kuò)樁承受水平荷載時,主要由盤端、樁身、樁側(cè)3個部分承擔(dān),而且試驗結(jié)果也充分印證了該結(jié)論,即在盤下位置及樁側(cè)因受力原因而出現(xiàn)“水印”.與傳統(tǒng)的混凝土直孔灌注樁相比,直孔灌注樁主要靠樁側(cè)和樁身承受外部水平荷載,進(jìn)一步驗證了混凝土鉆擴(kuò)樁承載能力要高于普通直孔灌注樁.本文試驗與模擬對比分析的主要研究內(nèi)容為不同強(qiáng)度的混凝土鉆擴(kuò)樁在承受水平荷載時樁周土體的破壞形態(tài),在有限元模擬分析中,對土體材料性能分配時的參數(shù)均為理想狀態(tài)下結(jié)果,而實際試驗中所取土壤存在不均勻性的問題,致使有限元模擬結(jié)果與實際試驗結(jié)果存在一點差異,但樁土發(fā)生位移后圖形的變化規(guī)律和實驗室模型試驗所得樁土破壞形式是一致的,由此說明,有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果之間可以得到相互驗證.

2.2 傾覆型樁與彎曲型樁在承受水平荷載時樁周土體破壞狀態(tài)對比分析

分別選取兩組彎曲型樁和傾覆型樁與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,對比分析圖片如圖3所示.

(Q3) (QM1) (W3) (WM1)

(1)根據(jù)圖3中實驗室模型試驗及有限元模擬結(jié)果可知,此時樁頂水平荷載為定值,對比傾覆型樁Q3與模擬圖QM1、彎曲型樁W3與模擬圖WM1,實驗室模型樁試驗結(jié)果與有限元模擬的結(jié)果基本相似,樁周土體破壞形式也大都相同,有限元軟件模擬與實驗室模型試驗結(jié)果也有不同之處:① 根據(jù)實驗室模型試驗結(jié)果得,傾覆型模型樁本身圍繞樁身剛體轉(zhuǎn)動,樁身整體沿承力盤下某一點進(jìn)行轉(zhuǎn)動,由于樁體剛度足夠大,所以樁體本身發(fā)生的彎曲變形較小,承力盤右側(cè)下部土體受壓,說明承力盤在加載過程中參與受力;而QM1在模擬分析時樁身采用混凝土單元,其剛度要小于試驗時所選用的樁體材料剛度,所以在樁頂水平力作用下,樁身會出現(xiàn)部分形變,同時承力盤右側(cè)下部也是受壓狀態(tài).② 通過對彎曲型樁W3的樁土破壞狀態(tài)觀察可知,彎曲型樁的樁身上部因剛度較小,導(dǎo)致樁身上部產(chǎn)生局部彎曲,而承力盤下樁體變形程度較小,所以承力盤下端樁周土體并沒出現(xiàn)明顯形變;此種狀態(tài)下,有限元模擬分析結(jié)果與實際試驗所產(chǎn)生的鉆擴(kuò)樁樁周土體的作用情況基本相同.

(2)對于兩個傾覆型樁Q3與Q4來講,兩個模型樁在水平荷載作用下均發(fā)生了明顯的剛體轉(zhuǎn)動,但在水平荷載作用下樁頂產(chǎn)生的位移不同.傾覆型樁Q3樁周土體在水平荷載作用下所產(chǎn)生的的裂縫要明顯大于傾覆型樁Q4所產(chǎn)生的裂縫,對于傾覆型混凝土鉆擴(kuò)樁來說,承力盤所在位置的不同,對鉆擴(kuò)樁的水平極限承載能力會產(chǎn)生很大的影響,當(dāng)承力盤位置偏上且接近樁頂時,混凝土鉆擴(kuò)樁的極限承載能力很高,同時承力盤的布置也不宜太接近樁頂,當(dāng)承力盤位置過高時,則會在水平荷載的作用下,盤上土體會發(fā)生破壞,進(jìn)而失去承載能力,所以承力盤的設(shè)置要在合理的范圍內(nèi)取接近樁頂位置處.同時,根據(jù)有限元模擬分析結(jié)果容易得出:傾覆型樁QM1與QM3由于承力盤所處位置不同,兩個樁產(chǎn)生的位移云圖效果也有很大的差別,傾覆型樁QM3的承力盤下部土體并沒有出現(xiàn)明顯移動,承力盤在此過程中只是承擔(dān)了少部分的彎矩作用,承力盤在混凝土鉆擴(kuò)樁上的效果和優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮.

(3)通過觀察彎曲型樁W3與W4可知,彎曲型樁均出現(xiàn)了樁身彎曲現(xiàn)象,其中彎曲型樁W3繞承力盤下某一點發(fā)生轉(zhuǎn)動,而彎曲型樁W4的承力盤位置偏下,所以承力盤盤端未發(fā)生轉(zhuǎn)動,在水平荷載作用下,因彎曲型樁W4承力盤設(shè)置位置偏低,所以并不處于水平荷載的影響范圍內(nèi),承力盤只承擔(dān)了小部分彎矩作用;在有限元模擬中彎曲型樁WM1與WM3的樁土作用效果和實驗室模型試驗的樁周土體破壞效果基本相同.

2.3 對比分析試驗與模擬中樁頂?shù)奈灰?荷載曲線

對以上模擬分析中所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,兩組模擬曲線的對比情況如圖4所示.

圖4 有限元模擬位移-荷載曲線對比

根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn):

(1)兩組模擬試驗得到的位移-荷載曲線在整體趨勢上基本相同,鉆擴(kuò)樁樁頂?shù)乃轿灰贫际请S施加水平荷載的增大而增大,但增長趨勢由快到慢.通過分析原因可以得出,當(dāng)混凝土鉆擴(kuò)樁承受水平荷載時,鉆擴(kuò)樁樁周土體先是處于彈性壓縮階段,此時承力盤還未參與受力,隨著水平荷載增大,樁周土體逐漸被壓縮,承載能力達(dá)到極限值,盤上土體處于塑性變形狀態(tài).對于傾覆型鉆擴(kuò)樁而言,當(dāng)混凝土鉆擴(kuò)樁承受水平荷載時,若鉆擴(kuò)樁本身剛度較大,那么鉆擴(kuò)樁樁頂產(chǎn)生的位移就會比較小,所以對于傾覆型的混凝土鉆擴(kuò)樁,其承受水平荷載能力更大.

(2)無論是彎曲型樁還是傾覆型樁,在合理的樁身范圍內(nèi),盤位置靠上比盤位置靠下的承載力高.分析原因可知,承力盤位置越高,在承受荷載時,承力盤越早發(fā)揮作用,主樁樁身的彎曲變形和傾覆越小,因此承載力越高,而當(dāng)承力盤位置靠近樁底,承受到水平荷載作用時,盤上部樁身會先發(fā)生變形破壞,承力盤在加載過程中未參與受力或只是承擔(dān)了小部分彎矩,所以在承受水平荷載時,混凝土鉆擴(kuò)樁的承力盤的設(shè)置不宜過低.

3 傾覆型和彎曲型鉆擴(kuò)樁單樁水平極限承載力計算模式

根據(jù)上述破壞狀態(tài)分析,基于滑移線破壞理論,通過數(shù)值分析,確定了傾覆型和彎曲型樁的承載力計算公式[3]:

F=F盤端+F樁側(cè)且F≤F樁身

(1)

(2)

(3)

(4)

但是,由于傾覆型和彎曲型樁的破壞狀態(tài)不同,彎曲型樁在傾覆之前,會發(fā)生樁身的彎曲,因此,F樁身和F樁側(cè)的計算公式中參數(shù)有所不同,在設(shè)計中應(yīng)分別根據(jù)實際破壞樁進(jìn)行選取.

4 結(jié)論

本文主要針對傾覆型和彎曲型混凝土鉆擴(kuò)樁進(jìn)行分析,通過原創(chuàng)的小比例半面樁原狀土模型試驗與ANSYS有限元模擬,對不同強(qiáng)度的混凝土鉆擴(kuò)樁在水平荷載作用下鉆擴(kuò)樁樁周土體的破壞狀態(tài)以及鉆擴(kuò)樁的承載機(jī)理進(jìn)行研究,得出如下結(jié)論:

(1)將實驗室小比例半截面模型試驗與ANSYS有限元模擬分析進(jìn)行對比可得,模擬與實際試驗所得樁周土體的破壞狀態(tài)基本一致;將試驗中鉆擴(kuò)樁所得受力情況與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比,二者所得曲線基本保持一致.

(2)對于承力盤位置設(shè)置高度相同時,傾覆型樁因其本身剛度大的原因,所以傾覆型樁在水平荷載作用下所產(chǎn)生的水平位移較小,其水平荷載作用下承載能力也就越強(qiáng).

(3)對于不同強(qiáng)度的混凝土鉆擴(kuò)樁,當(dāng)承力盤設(shè)置位置偏上時,承力盤才得以發(fā)揮更好的承載性能.但需將盤位置與樁頂?shù)木嚯x控制在合理范圍之內(nèi),否則盤上土體會發(fā)生剪切破壞,失去承載能力,無法起到抵抗彎矩的作用.

(4)通過對水平力作用下傾覆型和彎曲型混凝土鉆擴(kuò)樁的破壞狀態(tài)分析,提出不同強(qiáng)度混凝土鉆擴(kuò)樁的承載力計算模式及計算模式的不同之處.