基于有限元對螺紋樁極限承載力影響因素的研究

邢昌柱,梁俊杰,陳國健,劉雯月,楊 雪

(1.中交路橋南方工程有限公司,北京 101101;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林 長春 130012)

1 螺紋樁承載特性分析

1.1 有限元模型建立

螺紋樁主要由兩部分組成,其內(nèi)部是等截面圓芯,外部由一定厚度與間距的旋轉(zhuǎn)螺紋組成,在CAD軟件中進(jìn)行螺紋樁三維模型的建立,參數(shù)見表1,通過布爾運(yùn)算得到與之相對應(yīng)的樁間土體模型,由于土體是半無限體,但是受樁影響的范圍相對是有限的,且因?yàn)橛邢拊治瞿Ｐ偷挠?jì)算域有邊界,因此為了降低其對于計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響,在前期預(yù)研后確定土體水平方向取20倍樁徑,樁端土體取2倍樁長;對螺紋樁與樁周土體進(jìn)行材料參數(shù)賦值,見表2;將得到的螺紋樁與樁周土體模型導(dǎo)入到Abaqus軟件當(dāng)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用C3D8R單元進(jìn)行劃分,使用四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格由近到遠(yuǎn),由密到疏逐漸過渡。接觸面的法向行為采用硬(hard)接觸,接觸之后接觸面可以分離,切向行為均采用庫倫摩擦模型,摩擦系數(shù)為0.7;對土體底部進(jìn)行固定端約束,對土體側(cè)面進(jìn)行側(cè)向約束;在地應(yīng)力平衡分析步中進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡,于荷載分析步在樁頂面圓心處施加豎向位移,監(jiān)測該點(diǎn)的反力變化,最終通過荷載-位移曲線來判斷螺紋樁極限承載力。

表1 螺紋樁結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 土層和樁體參數(shù)

1.2 荷載-位移曲線

荷載-位移曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折的樁即陡降樁,陡降樁的極限承載力取其位移量發(fā)生突變時所對應(yīng)荷載,通過螺紋樁的荷載-位移曲線可知,螺紋樁屬于陡降樁,其極限承載力和與之對應(yīng)的變形量見表3,螺紋樁的極限承載力為3 175 kN,此時沉降量為22 mm。荷載-位移曲線無明顯轉(zhuǎn)折為緩變樁,取其位移量達(dá)到40 mm時的荷載為極限承載力,等截面圓樁屬于緩變樁,其極限承載力和與之對應(yīng)的變形量見表3,直徑為400.0 mm、500.0 mm的等截面圓樁的極限承載力分別是1 089 kN和1 864 kN,在其他條件相同的情況下,螺紋樁的極限承載力是直徑400.0 mm、500.0 mm等截面圓樁的2.92倍、1.70倍,而極限破壞時變形量僅為二者的55%。從有限元模擬的角度驗(yàn)證了與相同直徑的等截面圓樁相比,螺紋樁具有更強(qiáng)的承載能力,且在達(dá)到極限承載力的時候所產(chǎn)生的變形量更小。

表3 不同樁的極限承載力與沉降量

2 螺紋樁結(jié)構(gòu)參數(shù)對極限承載力的影響

2.1 螺紋密度

螺紋密度是指單位樁長內(nèi)螺紋的周數(shù),與相鄰螺紋間的距離成反比。定義螺紋距離為400 mm的螺紋樁的螺紋密度為1,在螺紋樁其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上,通過改變螺紋間的距離以改變螺紋密度,具體螺紋樁單樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4,建立數(shù)值模型對不同螺紋密度的螺紋樁極限承載力進(jìn)行計(jì)算。

表4 不同螺紋密度下螺紋樁設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1是螺紋樁極限承載力與螺紋密度的關(guān)系曲線。隨著螺紋樁螺紋密度逐漸增大,螺紋樁的極限承載力也隨之增大,但是當(dāng)螺紋樁的螺紋密度增加到2時,即螺紋間距在200 mm的時候,繼續(xù)增加螺紋密度會使螺紋樁的極限承載力下降。這是因?yàn)槁菁y樁的承載力主要是依靠螺紋樁之間土體抵抗剪切的能力,當(dāng)螺紋過密時,螺紋之間土體在樁形成的過程中會發(fā)生剪切破壞,不再提供強(qiáng)度。觀察圖中曲線變化的波動可知,當(dāng)螺紋密度從1下降到2/3的時候,極限承載力變化幅度較小,僅為3.4%,當(dāng)從2/3下降到1/2的時候,極限承載力出現(xiàn)了較大幅度的波動,為10.1%,因此在實(shí)際施工的過程中參考模擬所得到的結(jié)果,當(dāng)設(shè)計(jì)類似參數(shù)的螺紋樁時,建議螺紋密度在2/3～1的范圍內(nèi)。

圖1 螺紋樁極限承載力與螺紋密度的關(guān)系曲線

2.2 螺紋寬度

螺紋寬度是指與樁軸線垂直方向上螺紋的尺寸,其取值也是在螺紋樁設(shè)計(jì)與施工過程中需要考慮的一個參數(shù)。同理,在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的同時,僅改變螺紋寬度,建立螺紋樁的數(shù)值模型并對其進(jìn)行極限承載力的分析計(jì)算,具體螺紋樁單樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。

表5 不同螺紋寬度下螺紋樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

為了能更加直觀的分析出螺紋樁極限承載力與螺紋寬度之間的關(guān)系,以20 mm為間隔對螺紋寬度在40～160 mm之間的螺紋樁的極限承載力進(jìn)行計(jì)算,并得到關(guān)系曲線,見圖2。隨著螺紋寬度的增加,螺紋樁極限承載力有所上升,當(dāng)螺紋寬度大于80 mm的時候,增長趨勢逐漸變緩,以螺紋寬度為40 mm的螺紋樁為對照組,螺紋寬度為80 mm的時候,其極限承載力增加了13.2%,而當(dāng)螺紋寬度增加至160 mm的時候,相比寬度為80 mm的極限承載力僅提升了4.8%,隨著螺紋寬度的持續(xù)增加,螺紋樁的極限承載力持續(xù)增長,但當(dāng)螺紋寬度超過80 mm時,其極限承載力增長速率緩慢,施工難度卻大幅度提升。因此綜合施工難度與成本來講,對于相似參數(shù)的螺紋樁,螺紋寬度為80 mm的時候較為合理。

圖2 螺紋樁極限承載力與螺紋寬度的關(guān)系曲線

2.3 螺紋外側(cè)厚度

螺紋樁上的螺紋內(nèi)側(cè)厚度大于外側(cè)厚度,這與成樁工藝相關(guān)。為探究螺紋樁螺紋外側(cè)厚度對其極限承載力的影響程度,保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,僅改變螺紋外側(cè)厚度,建立螺紋樁的數(shù)值模型并對其極限承載力進(jìn)行計(jì)算分析,具體螺紋樁單樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表6。

表6 不同螺紋外側(cè)厚度下螺紋樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

在螺紋樁其他參數(shù)固定不變的情況下,由圖3可知,隨著螺紋外側(cè)厚度的不斷增加,極限承載力不斷增大,但是螺紋樁螺紋外側(cè)厚度變化對極限承載力所帶來的影響微小,螺紋外側(cè)厚度從20 mm變化至120 mm的過程中,螺紋樁極限承載力僅增加5.7%。因此在實(shí)際施工過程中,可以根據(jù)施工設(shè)備、施工便宜性和施工成本等因素對螺紋樁的螺紋外側(cè)厚度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

圖3 螺紋樁極限承載力與螺紋外側(cè)厚度的關(guān)系

2.4 螺紋樁樁長

螺紋樁是一種典型的摩擦樁,隨著樁長的增加,螺紋樁的側(cè)摩阻力會增加,極限承載力也會增加。為了研究螺紋樁極限承載力與樁長L之間的關(guān)系,在保持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,僅改變樁長并建立數(shù)值模型對極限承載力進(jìn)行計(jì)算分析,具體螺紋樁的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置見表7。

表7 不同樁長下螺紋樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

繪制樁長與螺紋樁極限承載力之間的關(guān)系曲線。由樁長與螺紋樁極限承載力之間的關(guān)系曲線可知,極限承載力隨樁長的增加呈線性增長,隨著樁長從8 m增加到14 m,極限承載力從1 121 N增加到2 764 N,增大幅度為146.6%,由此可知隨著螺紋樁樁長的增加,螺紋樁極限承載力呈線性增長,且增長幅度較大。因而在實(shí)際工程應(yīng)用之中,可以在條件允許的范圍內(nèi)通過增加樁身長度來提高螺紋樁極限承載力以滿足承載需求。

3 結(jié) 論

通過Abaqus有限元軟件探究螺紋樁螺紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括螺紋密度、螺紋寬度、螺紋外側(cè)厚度以及螺紋樁樁長對螺紋樁極限承載力的影響程度,得到如下結(jié)論。

(1)對螺紋樁和與其內(nèi)、外徑相同尺寸等截面圓樁的極限承載力進(jìn)行對比研究,螺紋樁與內(nèi)、外徑相同尺寸等截面圓樁極限承載力比值分別為2.92和1.70,且當(dāng)螺紋樁發(fā)生破壞時所對應(yīng)的位移僅為等截面圓樁沉降量的55%,綜合極限承載力與破壞時產(chǎn)生的位移,從有限元模擬的角度證明了螺紋樁承載能力優(yōu)于等截面圓樁。

(2)螺紋密度和螺紋樁的樁長對螺紋樁極限承載力產(chǎn)生的影響較大,在內(nèi)、外徑分別為400束mm和500 mm的螺紋樁中,螺紋間距為400 mm的時候其承載能力好,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)縮小螺紋間距以增大螺紋密度對極限承載力提升所帶來的影響較小;隨著樁長的增加,極限承載力與樁長呈線性增長關(guān)系,因此可以在允許的范圍內(nèi)通過增加樁長增強(qiáng)極限承載力。

(3)隨著螺紋寬度和螺紋外側(cè)厚度的變化,螺紋樁的極限承載力變化幅度較小,通過改變這兩種結(jié)構(gòu)參數(shù)難以達(dá)到增加螺紋樁極限承載力的目的,在螺紋樁工程實(shí)踐過程中,可以依據(jù)施工需求與施工條件對兩種參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。