有孔管樁力學(xué)性能有限元數(shù)值分析

樂(lè)騰勝，雷金波，郭楊，高坤，陳小川，張駿

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063）

1 引言

隨著樁基工程技術(shù)的迅速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力管樁在工程上得到廣泛推廣應(yīng)用，但施工過(guò)程擠土效應(yīng)對(duì)場(chǎng)地環(huán)境帶來(lái)的惡劣影響與國(guó)家關(guān)于“綠色施工”政策條款要求的沖突尤為明顯[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，課題組于2010年率先研發(fā)了樁身開孔技術(shù)，申請(qǐng)了專利“一種用于深厚軟基處理的PTC型帶孔管樁ZL201020105398.2”[2]。

近年來(lái)，諸多專家學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題主要開展了管樁開孔技術(shù)的理論分析、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元分析，取得了系列的研究成果。趙黎明[3]對(duì)海上風(fēng)電工程大直徑管樁施工過(guò)程易發(fā)生長(zhǎng)距離溜樁現(xiàn)象，采用在樁身開孔的技術(shù)措施來(lái)排出樁內(nèi)氣體，推導(dǎo)出樁身開孔尺寸計(jì)算公式，經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證能夠有效地解決溜樁帶來(lái)的工程隱患，為軟弱地質(zhì)夾層的海上風(fēng)電項(xiàng)目施工提供參考。陳大江[4]通過(guò)采取在鋼管樁樁身開孔的技術(shù)措施來(lái)優(yōu)化海上風(fēng)電工程傳統(tǒng)單樁基礎(chǔ)外套籠方案連接海底電纜施工工藝，降低了施工造價(jià)成本，保護(hù)了纜線材料，簡(jiǎn)化了施工工藝，為今后海上風(fēng)電海底電纜施工保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。萬(wàn)夢(mèng)華[5-7]基于圓孔擴(kuò)張理論，通過(guò)理論分析和工程算例的對(duì)比分析，得出了有孔管樁沉樁時(shí)樁周超靜孔隙水壓力隨徑向距離、沉樁速率、深度、開孔孔徑及時(shí)間之間的消散規(guī)律，推導(dǎo)出了解析解，為工程推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。唐曉武[8]在假設(shè)開孔管樁孔洞內(nèi)液體流動(dòng)滿足Poiseuille方程且等應(yīng)變假設(shè)成立的前提下，推導(dǎo)出了時(shí)變荷載作用下地基的徑豎向組合空壓解析解。牛順[9]借助有限元對(duì)透水管樁沉樁后的樁周土體固結(jié)進(jìn)行計(jì)算，并與模型試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究擾動(dòng)效應(yīng)下不同開孔率、開孔半徑、開孔數(shù)量對(duì)樁周土超靜孔壓的影響規(guī)律。鄒永強(qiáng)[10]通過(guò)開展靜壓有孔管樁群樁效應(yīng)大尺度室外模型試驗(yàn)，分析沉樁過(guò)程超靜孔隙水壓力與樁周土體物理力學(xué)特性變化。

大量研究工作表明，樁身開孔能夠有效減小管樁沉樁擠土效應(yīng)給場(chǎng)地環(huán)境帶來(lái)的惡劣影響，但是同時(shí)也導(dǎo)致了樁身承載力的折減。對(duì)于如何設(shè)計(jì)樁身開孔，既能達(dá)到樁身承載力折減效果最小又能同時(shí)促進(jìn)沉樁時(shí)樁周土體超靜孔隙水壓力消散效果最佳，對(duì)于這方面研究工作的報(bào)道較少。本文以鋼管樁為研究對(duì)象，采用有限元數(shù)值分析的方法，探究豎向荷載作用下樁身開孔設(shè)計(jì)對(duì)樁身力學(xué)性能的影響，為促進(jìn)管樁開孔技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供參考價(jià)值。

2 數(shù)值計(jì)算模型

本文以常用的Q235鋼管樁為研究對(duì)象，彈性模量為 E=206×103MPa，泊松比為 v=0.3，密度為ρ=7.85g/cm3，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215N/mm2，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235N/mm2，材料屬性選擇理想彈塑性本構(gòu)模型；鋼管樁模型幾何參數(shù)為長(zhǎng)度為l=180mm，外徑為D0=45mm，內(nèi)徑為D1=35mm，壁厚h=5mm，在沿樁軸向方向90mm處按照?qǐng)A周間隔120°進(jìn)行開孔，共設(shè)計(jì)孔徑大小分別為D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm 三種型號(hào)，如圖1所示。

圖1 無(wú)孔和有孔設(shè)計(jì)鋼管樁結(jié)構(gòu)剖面示意圖

鋼管樁模型建立選擇C3D8R類型單元，無(wú)孔管樁模型72500個(gè)結(jié)點(diǎn)，57600個(gè)單元；D2=10mm有孔管樁模型70725個(gè)結(jié)點(diǎn)，56040個(gè)單元；D3=15mm有孔管樁模型67815個(gè)結(jié)點(diǎn)，53616個(gè)單元；D4=20mm有孔管樁模型69960個(gè)結(jié)點(diǎn)，55264個(gè)單元。采用位移逐級(jí)加載控制的有限元數(shù)值分析方法來(lái)模擬豎向荷載作用下鋼管樁力學(xué)性能，直至鋼管樁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞現(xiàn)象。四種不同規(guī)格鋼管樁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞應(yīng)力云圖如圖2所示，位移云圖如圖3所示。

圖2 樁身結(jié)構(gòu)屈服破壞時(shí)應(yīng)力云圖

圖3 樁身結(jié)構(gòu)屈服破壞時(shí)位移云圖

豎向荷載作用下四種不同規(guī)格鋼管樁結(jié)構(gòu)處于極限承載狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 樁身結(jié)構(gòu)極限承載時(shí)應(yīng)力云圖

圖5 樁身結(jié)構(gòu)極限承載時(shí)位移云圖

3 樁身力學(xué)性能分析

有限元模擬分析樁體在豎向荷載作用下變形過(guò)程，通過(guò)控制增量步來(lái)觀察鋼管樁樁身變形狀態(tài)，得出樁體變形由彈性逐漸發(fā)展到塑性，符合理想彈塑性本構(gòu)模型特征。以無(wú)孔管樁和D4=20mm有孔管樁為例，鋼管樁承載力大小隨著管樁軸向應(yīng)變的變化情況如圖6所示。

圖6 樁身承載力隨著軸向應(yīng)變的關(guān)系圖

由圖6可得，無(wú)孔和D4=20mm有孔兩種不同型號(hào)的鋼管樁樁身承載力隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律基本一致，且主要包括兩個(gè)發(fā)展階段。第一階段，主要是發(fā)生線彈性變形，隨著鋼管樁樁身軸向應(yīng)變的增大，樁身承載力不斷增大，直到樁身結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞，且斜率大小為鋼管樁彈性模量與管樁橫截面乘積。第二階段，隨著豎向荷載作用的增大，鋼管樁樁身軸向壓縮變形逐漸增大，樁身結(jié)構(gòu)由線彈性變形發(fā)展到塑性變形，管樁軸向承載力由屈服荷載逐漸增大至極限荷載；繼續(xù)施加豎向荷載，樁身承載力緩慢下降，此時(shí)鋼管樁樁身結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性破壞，如圖5所示。

由圖2可得，管樁樁身進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，豎向荷載作用下鋼管樁樁體孔間區(qū)域率先達(dá)到屈服破壞，且開孔孔徑越大屈服效果越明顯。由圖3可得，鋼管樁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞時(shí)，臨近樁頂位置壓縮變形較為顯著。由圖4可得，當(dāng)鋼管樁結(jié)構(gòu)受力處于極限承載狀態(tài)下，無(wú)孔管樁臨近兩端變形發(fā)生徑向鼓起變形，有孔管樁在沿樁軸向方向90mm處發(fā)生徑向鼓起變形。對(duì)比分析圖4和圖5得出，有孔管樁樁身結(jié)構(gòu)超過(guò)極限承載狀態(tài)時(shí)，樁身壓縮變形主要發(fā)生在樁頂至開孔樁端，開孔至樁底樁端未繼續(xù)出現(xiàn)明顯壓縮變形現(xiàn)象。提取四種規(guī)格鋼管樁模型豎向荷載作用下樁身屈服荷載、極限荷載及樁頂壓縮變形位移大小見表1。

豎向荷載作用下樁身力學(xué)性能指標(biāo)匯總 表1

由表1可得，鋼管樁樁身發(fā)生屈服破壞時(shí)，無(wú)孔管樁承受的屈服荷載最大，荷載大小為90599N；有孔管樁承受的屈服荷載隨著開孔孔徑的增大逐漸減小，且D4=20mm有孔管管樁承受的屈服荷載最小，荷載大小為73458N；相對(duì)于無(wú)孔管樁，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm的有孔管樁樁身屈服荷載大小折減情況分別為3.77%、9.33%、18.92%；鋼管樁樁身處于極限承載狀態(tài)時(shí)，無(wú)孔管樁承受的極限荷載最大，荷載大小為154354N；有孔管樁承受的極限荷載隨著開孔孔徑的增大逐漸減小，且D4=20mm有孔管管樁的屈服荷載最小，荷載大小為83780N；相對(duì)于無(wú)孔管樁，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm的有孔管樁樁身極限荷載折減情況分別為17.08%、31.41%、45.72%。因此，可以推測(cè)對(duì)鋼管樁樁身進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，一定程度上會(huì)使樁身承載性能發(fā)生折減現(xiàn)象，并且開孔孔徑越大，折減越明顯。

由表1可得，鋼管樁樁身承載力處于極限狀態(tài)時(shí)，無(wú)孔管樁樁頂壓縮變形最大，位移大小為10.48mm，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm 有孔管樁樁頂壓縮變形位移分別為4.78mm、3.14mm、1.65mm，無(wú)孔管樁樁頂壓縮變形位移明顯大于有孔管樁樁頂壓縮變形位移，D4=20mm有孔管樁樁頂壓縮變形位移最小，位移大小為1.65mm，說(shuō)明開孔設(shè)計(jì)明顯降低了鋼管樁結(jié)構(gòu)的抗壓變形能力，即削弱了鋼管樁的承載性能。

4 結(jié)論

①豎向荷載作用下，鋼管樁軸向變形主要包括線彈性變形和塑性變形兩階段，符合理想彈塑性本構(gòu)模型特征。

②鋼管樁樁身結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)，隨著開孔孔徑的增大，鋼管樁結(jié)構(gòu)的抗壓變形能力明顯下降，鋼管樁的極限承載力發(fā)生大幅度折減。

③鋼管樁處于極限承載狀態(tài)時(shí)，無(wú)孔管樁主要在樁身兩端發(fā)生徑向鼓起變形，有孔管樁主要在開孔處樁身截面發(fā)生徑向鼓起變形，且逐漸由樁身中間向兩端發(fā)展。

④鋼管樁達(dá)到極限承載狀態(tài)時(shí)，，有孔管樁樁身開孔段已發(fā)生塑性破壞，繼續(xù)施加豎向荷載，樁身壓縮變形主要發(fā)生在臨近樁頂?shù)奈恢?，臨近樁底部分變形不明顯。

⑤本文研究的鋼管樁數(shù)值模型近似短桿，主要考慮管樁結(jié)構(gòu)材料破壞，而工程實(shí)踐中使用的管樁更多的是類似長(zhǎng)桿，二者在豎向荷載作用下樁身承載性能存在一定區(qū)別，下一步需要進(jìn)行深入分析。