大直徑鋼護筒嵌巖樁水平承載特性有限元分析

溫 海 峰

(廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 廣州 510623)

大直徑鋼護筒嵌巖樁水平承載特性有限元分析

溫 海 峰

(廣東省路橋建設發展有限公司，廣東 廣州 510623)

通過有限元法研究了大直徑鋼護筒嵌巖樁的水平承載特性，根據樁頂荷載—位移曲線、樁身水平位移曲線和樁身彎矩的計算結果，分析了鋼護筒對大直徑嵌巖樁水平承載力的影響，探討了嵌巖樁嵌巖深度、樁徑、鋼護筒嵌巖深度、鋼護筒壁厚以及地基巖體強度參數對嵌巖樁水平承載力的影響，得出了一些有價值的結論。

鋼護筒嵌巖樁，嵌巖深度，水平承載力，有限元法

碼頭工程中的樁基礎除了承受豎向荷載外，同時還需承受系纜、船舶撞擊、水流、風以及地震等引起的水平荷載。目前，國內外學者對于嵌巖樁的研究已不少，但關于水平荷載作用下大直徑嵌巖樁承載性狀的研究相對較少，尤其對于水上大直徑鋼護筒嵌巖樁工作性狀的研究更少。在水上施工嵌巖樁需要架設鋼護筒，鋼護筒作為施工措施需嵌入巖層一定深度，施工完成后鋼護筒被保留下來與樁身混凝土共同承受荷載作用。現有樁基規范的設計計算中一般不考慮鋼護筒參與受力，但是由于鋼護筒具有較大的抗彎剛度，其在水平荷載作用下必然會承受荷載[1]。

本文結合重慶果園碼頭樁基原型資料，通過有限元方法研究水平荷載作用下大直徑鋼護筒嵌巖樁的受力變形機理，分析了鋼護筒對大直徑嵌巖樁水平承載力的影響，討論了鋼護筒嵌巖樁水平承載力受嵌巖深度、樁徑、鋼護筒嵌巖深度、鋼護筒壁厚以及地基巖體強度參數的影響。

1 有限元分析方法

1.1 有限元模型

本文選取重慶果園港二期擴建工程的嵌巖灌注樁為原型建立有限元模型。有限元軟件應用ABAQUS建立鋼護筒嵌巖單樁的計算模型。由于模型具有對稱性，故取整個模型的一半建立了三維有限元模型，為了保證數值計算的精度，同時滿足邊界條件，模型的影響范圍水平方向取20倍樁徑，樁底以下取2倍樁長。嵌巖樁樁基總長21 m，樁徑2 200 mm，其中地面以上取10 m，嵌入中等風化巖石11 m，樁身外套鋼護筒，鋼護筒長12.75 m，地面以上10 m，其中鋼護筒嵌入中等風化巖石2.75 m，鋼護筒壁厚16 mm，假定地基為各向同性均質的中等風化巖石，樁身混凝土、鋼護筒、地基巖體均采用C3D8R實體單元。建模時，鋼護筒頂面與混凝土樁身頂面齊平，在靠近嵌巖樁的區域細化網格，遠離嵌巖樁區域的網格逐漸變疏，有限元計算模型及網格劃分見圖1。在對稱面xz上施加對稱邊界條件，地基底面約束x，y，z三個方向上的位移，地基側面約束x，y方向上的位移。

1.2 材料本構模型

模型中的鋼護筒采用彈性—強化模型，即在鋼材應力未達到屈服應力fy之前應力—應變曲線的斜率為鋼材的彈性模量Es，屈服之后簡化為斜率為0.01Es的直線。假定鋼護筒密度ρs=7 850 kg/m3，彈性模量Es=206 GPa，彈性階段的泊松比vs=0.3，屈服強度fy=235 MPa。

樁身混凝土采用塑性損傷模型，假定混凝土密度ρc=2 500 kg/m3，彈性模量Ec=30 GPa，彈性階段的泊松比vc=0.2，軸心抗壓強度fc=20.1 MPa，軸心抗拉強度fy=2.01 MPa。

混凝土單軸應力—應變關系采用以下公式[2]確定：

受壓：

σ=(1-dc)Ecεc

(1)

受拉：

σ=(1-dt)Ecεt

(2)

其中，εc，εt為與抗壓、抗拉強度相對應的峰值應變；dc，dt為單軸受壓、受拉損傷演化參數，具體取值見文獻[2]。

地基巖體采用摩爾—庫侖模型，參照重慶地區試驗數據[3]和工程巖體分級標準[4]，地基巖體的基本參數取為：彈性模量Er=3 GPa，泊松比vr=0.3，粘聚力c=400 kPa，摩擦角φ=30°，密度ρr=2 500 kg/m3。

1.3 接觸面模型

建立有限元計算模型時，除了考慮樁周巖體、樁身混凝土和鋼護筒的材料非線性外，同時考慮了樁—巖相互作用以及鋼護筒與樁身混凝土間的相互作用。在ABAQUS[5]中通過接觸命令“contact pair”實現接觸的設置，接觸面上的本構關系法向采用硬接觸，切向采用庫侖彈塑性摩擦模型，以罰函數法模擬。接觸面采用主—從算法，計算模型中涉及3種接觸面，其中鋼護筒與樁身混凝土的接觸對中，鋼護筒為主控面，混凝土為從屬面，摩擦系數取0.5[6]；鋼護筒與巖石的接觸對中，鋼護筒為主控面，巖石為從屬面，摩擦系數取0.4；混凝土與巖石的接觸對中，混凝土為主控面，巖石為從屬面，摩擦系數取0.35[7]。

2 大直徑鋼護筒嵌巖樁水平承載性狀

為了研究水平荷載作用下大直徑鋼護筒嵌巖樁的承載性狀，分別建立了有鋼護筒和無鋼護筒的模型，以便對比研究，樁頂自由，在樁頂施加水平荷載。

2.1 樁頂荷載—位移曲線

圖2給出了無鋼護筒和有鋼護筒的嵌巖樁樁頂荷載—位移曲線，有鋼護筒時水平力加載至2 000 kN，無鋼護筒時水平力加載到800 kN時樁基已發生破壞。當有鋼護筒時，樁頂荷載—位移曲線在水平荷載2 000 kN內為緩變型曲線，相比無鋼護筒時嵌巖樁的水平承載力得到了提高。以水平力加載至600 kN為例，無鋼護筒嵌巖樁的樁頂位移為18.26 mm，有鋼護筒嵌巖樁的樁頂位移僅為10.32 mm，考慮鋼護筒后水平位移減少了約43.5%。

2.2 樁身水平位移

由圖3和圖4可知，樁身的水平位移隨水平荷載的增大而增大，在各級荷載作用下樁頂處的位移最大，由樁頂自上而下水平位移逐漸減小，由于地面(深度為0 m)以上的自由段較長，到達地面時水平位移已經很小，嵌巖段的水平位移量值較小，說明嵌巖樁的嵌固作用明顯。考慮鋼護筒后，其能有效地約束地面以上樁身的水平位移。

3 水平承載性狀主要影響因素

3.1 樁徑的影響

分別取嵌巖樁樁徑為1 800 mm～2 600 mm的情況進行了有限元計算。當嵌巖樁樁徑為1 800 mm時，水平荷載加載到2 000 kN時對應的樁頂水平位移已達1 674 mm，為了方便比較一律取水平荷載為1 800 kN時的情況進行比較。圖5給出了不同樁徑下樁身的水平位移曲線。由圖5可以看出，樁徑對水平承載力的影響較大，隨樁徑的增大，嵌巖樁的水平承載力增大，可見樁徑對鋼護筒嵌巖樁水平承載力影響較大，在實際設計中要綜合考慮成本和承載力要求確定合理的樁徑。

3.2 鋼護筒嵌巖深度的影響

圖6給出了2 000 kN水平荷載下不同鋼護筒嵌巖深度下樁身的水平位移曲線，可以看出，樁頂水平位移隨鋼護筒嵌巖深度的增加而減小，鋼護筒嵌巖深度從2.75 m增大到5.5 m，樁頂水平位移減小了約30%，說明鋼護筒嵌巖深度增加2.75 m有效地提高了樁基的水平承載力，而從5.5 m增大到8.25 m，樁頂水平位移僅減小了2%，可見繼續增加鋼護筒嵌巖深度對提高樁基承載力已不明顯。所以在實際施工過程中，要從經濟效益和樁基最佳受力兩方面綜合考慮，確定合理的鋼護筒嵌巖深度，鋼護筒嵌巖深度的增大一方面增加了施工難度，一方面增大了投資成本，而且對承載力的提高在超過某一臨界嵌巖深度后已無明顯作用。

3.3 鋼護筒壁厚的影響

圖7給出2 000 kN水平荷載下不同鋼護筒壁厚下樁身的水平位移曲線，可以看出，鋼護筒對水平承載力的影響較大，隨鋼護筒壁厚的增大，樁頂的水平位移減小，說明鋼護筒的壁厚對樁身抵抗彎曲變形有作用，且鋼護筒壁厚越大，作用越大。

4 結語

本文結合實際工程原型資料通過有限元非線性計算，研究了水平荷載作用下碼頭大直徑鋼護筒嵌巖樁的水平承載性狀，得到了以下結論：

1)水平荷載作用下大直徑鋼護筒嵌巖樁的荷載—位移曲線呈緩變型，相比無鋼護筒時嵌巖樁的水平承載力得到了提高，鋼護筒能有效地約束地面以上樁身的水平位移。2)鋼護筒嵌巖樁隨嵌巖深度的增大，樁頂的水平位移減小，但是減小的幅值較小，鋼護筒嵌巖樁存在臨界嵌巖深度，超過該臨界嵌巖深度后，僅靠增加嵌巖深度對提高樁基的水平承載力無明顯貢獻。3)樁徑對鋼護筒嵌巖樁水平承載力影響較大，隨樁徑的增大，嵌巖樁的水平承載力增大，在實際設計中要綜合考慮成本和承載力要求確定合理的樁徑。4)鋼護筒嵌巖深度存在臨界嵌巖深度，超過該臨界深度后繼續增加鋼護筒嵌巖深度對提高樁基承載力已不明顯。5)鋼護筒對于樁身抵抗彎曲變形有作用，且鋼護筒壁厚越大，作用越大。

[1] 美國各州公路和運輸工作者協會.美國公路橋梁設計規范[M].北京：人民交通出版社，1998.

[2] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[3] 楊 凱，劉東升，易前應，等.重慶市巖石抗剪強度參數統計分析及應用[J].后勤工程學院院報，2008，24(2):18-24，36.

[4] GB 50218—94，工程巖體分級標準[S].

[5] ABAQUS Inc.Abaqus theory manual and user’s manual version 6.10[Z].Providence，R I：ABAQUS Inc.

[6] Baltay P，Gjelsvik A.Coefficient of friction for steel on concrete at high normal stress[J].Journal of Materials in Civil Engineering，1990，2(1):46-49.

[7] KHAN A.Numerical modeling of shear socketed piers[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2000，24(11)：853-867.

Finite element analysis on horizontal bearing capacity of large-diameter steel-casing rock-socketed pile

Wen Haifeng

(GuangdongHighway&BridgeConstructionDevelopmentCo.,Ltd,Guangzhou510623,China)

The thesis studies horizontal bearing features of large-diameter steel-casing rock-socketed pile through finite element method, analyzes the impact of steel-casing upon horizontal bearing capacity of large-diameter rock-socketed pile according to pile top displacement curve, horizontal pile displacement curve and pile bending moment, explores influence of rock-socketed pile depth, rock-socketed pile diameter, steel-casing rock-socketed depth, steel-casing rock-socketed wall thickness and foundation rock strength parameter upon horizontal bearing capacity of rock-socketed pile, and finally draws some valuable conclusions.

steel-casing rock-socketed pile, rock-socketed depth, horizontal bearing capacity, finite element method

2015-04-22

溫海峰(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)19-0050-03

TU473.11

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