防汛搶險螺旋樁沉樁過程土體受力仿真及試驗*

楊 芳，龐洪臣※，王玉興

（1.廣東海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，廣東湛江 524088；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

0 引言

農(nóng)田水利防護和洪澇災(zāi)害治理是世界各地廣泛面臨的重大問題，防汛搶險螺旋樁是根據(jù)消防要求專門設(shè)計的一種便攜式快速防汛搶險裝備，該裝備可解決傳統(tǒng)擊打沉樁耗時耗力和大型沉樁設(shè)備易產(chǎn)生次生災(zāi)害等問題。沉樁過程中樁土受力及土體大變形決定了單純運用理論分析求解極其復(fù)雜，同時土體特性也決定了利用試驗研究樁土作用也十分困難，因此仿真分析便成了研究沉樁過程中土體變化的重要手段。邵康等[1]對螺旋鋼樁進行了數(shù)值模擬分析，研究了在豎向載荷作用下對螺旋樁的擾動問題；Danda Shi 等[2]利用DEM 對螺旋樁的沉樁速比進行了研究；吳萍等[3]利用FLAC3D對螺旋樁的承載力進行了數(shù)值模擬；韋謝恩等[4]建立了防汛搶險螺旋樁的基本幾何參數(shù)，利用有網(wǎng)格的有限元法建立了樁體和土體模型，運用流固耦合算法對防汛搶險螺旋樁的沉樁過程進行了仿真；龐洪臣等[5]利用無網(wǎng)格法對沉樁扭矩進行了仿真對比分析，對樁體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，降低了沉樁扭矩。以上對防汛搶險螺旋樁的研究提供了寶貴經(jīng)驗。為進一步明確防汛搶險螺旋樁的沉樁機理，設(shè)計省時省力的樁體結(jié)構(gòu)，本文利用SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）粒子可模擬破裂、大變形的優(yōu)勢構(gòu)建了土體仿真模型[6-11]，著重對沉樁過程中的土體受力情況進行了仿真分析和研究，并利用高頻動態(tài)壓力傳感器對樁周的土體壓力進行了初步試驗研究。

1 樁土建模及主要參數(shù)設(shè)置

1.1 螺旋樁建模

螺旋樁主體結(jié)構(gòu)主要包括樁體和螺旋葉，實物如圖1 所示，整個樁體為空心結(jié)構(gòu)。螺旋葉則首先采用APDL（ANSYS Parametric Design Language）建立模型外徑和內(nèi)徑的關(guān)鍵點，再利用樣條曲線將關(guān)鍵點連接起來生成螺旋葉內(nèi)側(cè)和外側(cè)螺旋線，最后沿螺旋線掃描生成螺旋葉模型。整個模型采用Belytschko-Lin-Tsay 殼單元對樁體和螺旋葉網(wǎng)格進行劃分，有限元模型及各部分名稱如圖2所示，幾何參數(shù)如表1所示，并選用QT235作為設(shè)計材料。

圖1 螺旋樁實物

圖2 螺旋樁有限元模型

表1 螺旋樁幾何參數(shù) mm

1.2 土體建模

采用SPH 建立土體模型時，要求SPH 粒子排列應(yīng)盡可能規(guī)則和均勻，且粒子質(zhì)量差異不能太大。據(jù)此，將土體幾何模型設(shè)為圓柱，圓柱模型橫截面上采用如圖3所示的粒子排列方法，并對該圓柱模型的周邊粒子和底面粒子的所有自由度進行約束，如圖4所示。根據(jù)多次試探性運算，為節(jié)省運算時間并盡可能真實模擬沉樁過程中樁土之間的作用關(guān)系，選用了高度為1 000 mm、半徑為200 mm的圓柱SPH粒子組作為土體模型，總粒子數(shù)為76 895個。土體參數(shù)設(shè)置如表2所示，樁土接觸仿真模型如圖5所示。

圖3 SPH粒子排列

圖4 SPH粒子約束

表2 土體參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

利用前述建模和參數(shù)設(shè)置進行仿真計算，根據(jù)仿真結(jié)果分析如下。

2.1 樁土作用分析

圖5 樁土接觸仿真模型（SPH粒子）

圖6 仿真土體應(yīng)力分布

仿真后得出的土體變形圖如圖5 所示，土體應(yīng)力分布圖如圖6 所示，沉樁試驗現(xiàn)場如圖7所示，由圖中可以直觀看出，該仿真不僅模擬出了防汛搶險螺旋樁在沉樁過程中樁體對土體的擠壓效應(yīng)，螺旋葉對土體剪切使土體破裂及地表土體上移的效應(yīng)也有良好的仿真。樁周土體的應(yīng)力分布隨著沉樁深度的增加而逐漸增大，在樁體下端錐部周邊一定區(qū)域內(nèi)形成半球形塑性區(qū)。當樁體沉入到極限位置時下端螺旋葉處的土體應(yīng)力達到屈服強度，這與圖1 所示的下端螺旋葉和錐體處有明顯的光亮度相符，說明土體與螺旋樁的相互作用力主要集中在下端。

為了節(jié)省計算量，仿真所用的土體幾何模型尺寸比實際土體影響域小的多，并且如前所述對周邊土體和底面土體粒子的所有自由度進行了約束，這從圖6顯示的土體模型邊界處仍然有較大土體應(yīng)力可以得到驗證。

2.2 土體壓力和土體位移對比分析

在仿真模型中選取距地表300 mm處，即埋樁深度的中部位置且距樁體軸線分別為0 mm、50 mm、100 mm、150 mm的同一徑向處具有代表性的土體粒子壓力曲線和位移曲線，分別對應(yīng)如圖8、圖9 所示的A、B、C、D 曲線，進行對比分析如下。

圖7 沉樁試驗現(xiàn)場

圖8 土體粒子壓力曲線

圖9 土體粒子位移曲線

（1）從圖8和圖9中均可以看出，土體粒子壓力和位移的波動變化主要發(fā)生在300～500 mm 深度，而該段的長度恰好等于樁體前部錐體的高度，進一步說明沉樁過程中樁體對土的作用主要集中在螺旋樁的下端。

（2）圖8 中顯示當錐體部分經(jīng)過該位置時，距螺旋樁軸線最近的土體粒子即A 壓力曲線波動十分劇烈，在樁體下沉的動態(tài)過程中表現(xiàn)出了時壓時拉的狀態(tài)，但是當錐體部分全部通過該位置之后壓力曲線則變的比較穩(wěn)定，但其壓力值仍然比距離軸線較遠處的土體粒子（B、C、D 曲線）大一些。再對比圖6中A曲線的位移情況發(fā)現(xiàn)以下情況。

①在土體壓力劇烈波動的階段，土體位移則近似呈線性增加。也就是說，土體粒子位移的線性增大并沒有表現(xiàn)出壓力的線性升高，因此該處土體的變化特征不是彈性體，而更多表現(xiàn)出的是土體的塑性流動特征。

②該土體粒子位移達到最大值后又產(chǎn)生了較小的反向移動，即回松狀態(tài)，而后位移保持穩(wěn)定。

③該處位置的土體粒子位移遠遠大于其他各處的土體粒子。

（3）在圖8中，B壓力曲線相比A壓力曲線波動沒有那么明顯。但是在沉樁過程中表現(xiàn)出先呈近似線性增大，達到最大壓力值時表現(xiàn)出明顯的波動性，而后又呈近似線性下降最后再穩(wěn)定在一個定值附近，且下降的斜率要比上升的斜率大的多。這說明該處的土體壓力在螺旋樁前部錐體斜面的擠壓下線性增大，而當錐體部分通過后土體粒子出現(xiàn)了回松現(xiàn)象使得壓力急劇下降。再對比圖9中B位移曲線的位移情況發(fā)現(xiàn)：

①在深度為300～400 mm 之間的壓力上升階段土體粒子的位移卻基本保持不變，具有一定的滯后性；

②在深度為400 mm處的最大壓力階段土體粒子才開始產(chǎn)生近似線性的位移；

③在深度為450～500 mm 之間土體粒子的壓力和位移基本成同步線性下降且該處土體粒子反向移動的距離要比A 曲線大的多；

④距離樁體較遠的C 曲線和D 曲線的壓力變化較為緩慢，沒有A 曲線和B 曲線那么大的波動，且距離軸線較近粒子對應(yīng)的C 曲線在壓力增長的時間段內(nèi)斜率較D 曲線大，即壓力增長快些，而后兩者壓力值皆保持恒定，但查看他們對應(yīng)的位移曲線可知兩者所對應(yīng)的位移卻基本沒有變化，既沒有表現(xiàn)出類似A曲線和B曲線的大位移，也沒有表現(xiàn)出回松的特性。

（4）圖8 中顯示在錐體經(jīng)過該位置期間距樁體軸線較遠的B曲線比A曲線表現(xiàn)出更大的土體壓力。

3 土體壓力試驗

3.1 試驗器材

試驗器材包括：CYY9 高頻響動態(tài)土體壓力傳感器2 個；數(shù)字示波記錄儀（NEC RA2300 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）1 套；錘頭1件；自制擴孔鋼管等。

3.2 土體壓力傳感器主要參數(shù)

測量土體壓力采用CYY9 高頻響動態(tài)土體壓力傳感器，如圖10 所示，頻率響應(yīng)約500 kHz，壓力滿量程為50 MPa，傳感器的厚度為10 mm、直徑為20 mm，輸出電壓信號為0～5 V，可測試土體中的靜態(tài)和動態(tài)壓力變化。傳感器已由生產(chǎn)廠家在出廠前進行了標定，壓力值和輸出的電壓信號之間呈線性關(guān)系如公式（1）所示，通過采集傳感器電壓信號的變化可以獲知傳感器實際所測壓力的動態(tài)變化。

圖10 CYY9高頻動態(tài)土體壓力傳感器

式中：Pt為與傳感器輸出電壓對應(yīng)的動態(tài)壓力值；VF為傳感器滿量程輸出電壓值；V0為傳感器零位電壓值；Vt為傳感器動態(tài)輸出電壓值。

3.3 試驗過程

at為測量防汛搶險螺旋樁沉樁過程中的土體壓力變化，分別在深300 mm、距離樁體軸線150 mm 位置處埋入 2 個壓力傳感器且傳感器埋入點與軸線垂線成90h，如圖11所示。

根據(jù)傳感器尺寸，設(shè)計1 個圓柱形鐵管，將其前端加工成與傳感器厚度、寬度一致的扁平結(jié)構(gòu)。將此鐵管與樁體軸線平行的插入地下300 mm 深度、徑向距離樁體軸線150 mm的指定位置。拔出后將傳感器沿著鐵管擠壓土體形成的空腔放入最底部，再利用土體將空腔填滿壓實。然后，將螺旋樁沉入土體中，利用NEC RA2300數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄傳感器數(shù)輸出電壓隨時間的變化值，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)和標定函數(shù)公式（1），并對數(shù)據(jù)濾波后可以得到沉樁過程中2 個傳感器所測得的試驗土體壓力曲線如圖12所示。

圖11 傳感器埋入方式

圖12 試驗土體壓力曲線

3.4 試驗分析

（1）由于埋入傳感器時，一方面對鐵管的錘擊將導(dǎo)致空腔周邊土體產(chǎn)生很大硬化，另一方面雖然將埋入傳感器的空腔壓實但土體已非原狀土，所以測得的土體壓力值將與真實土體狀態(tài)壓力值具有很大的誤差。

（2）圖12 中2 個傳感器所測的最大土體壓力分別約為0.03 106Pa 和0.02 106Pa，而圖8中仿真土體壓力曲線D 中顯示的最大土體壓力約為0.1 106Pa，兩者相差約一個量級，但與仿真曲線D在變化趨勢上相比兩者仍然表出現(xiàn)出了較好的一致性。

（3）根據(jù)2 條試驗土體壓力曲線可知，雖然埋入深度相同，在與螺旋樁軸線徑向距離相同的圓周上的，不同角度位置的土體壓力仍然會不盡相同，即螺旋樁樁周同一半徑圓周上的土體壓力并非均勻分布。

（4）根據(jù)2條試驗土體壓力曲線并結(jié)合仿真圖8曲線D均可以看出，隨著沉樁逐漸深入，在所測位置處，土體壓力初始階段近似呈線性增加，在壓力值達到頂峰之后將會出現(xiàn)一個泄壓的過程，最后壓力值將基本保持恒定。

4 結(jié)束語

（1）利用SPH 構(gòu)建仿真土體對沉樁過程進行仿真計算，能較真實地仿真出沉樁過程中土體的擠壓及剪切破裂、土體的應(yīng)力分布和土體位移變化等工作情形。

（2）防汛搶險螺旋樁在沉樁過程中，樁尖錐體部位會形成半球形土體塑性區(qū)，土體與樁體的相互作用力主要集中在下端錐體部位。

（3）在沉樁過程中樁周土體的壓力變化和位移變化并不同步，樁周同一圓周處的壓力不均布。

（4）緊靠樁體軸線的土體粒子表現(xiàn)出時壓時拉的受力狀態(tài)，同時該處土體粒子的大位移表現(xiàn)出土體的塑性流動的特征。

（5）最大的土體壓力不一定發(fā)生在緊靠樁體軸線的位置，而是距樁體軸線一定的距離。

（6）試驗和仿真均難以獲得深層土體壓力的準確值，但通過兩者的相互印證仍可獲得沉樁過程中土體壓力較好的變化規(guī)律。

本文結(jié)合仿真和土體壓力試驗分析了沉樁過程中的樁土作用狀態(tài)及土體受力變化情況，在一定程度上進一步揭示了防汛搶險螺旋樁的沉樁機理，為設(shè)計減阻降耗的螺旋樁樁體結(jié)構(gòu)提供了一定借鑒。