基于數值模擬的抗拔樁力學性能研究*

劉曉丹,陶思源,劉 蘇,王玉祥,朱學敏,馬 露

(1.安徽水利開發有限公司,安徽 蚌埠 233000;2.安徽科技學院 建筑學院,安徽 蚌埠 233000)

1 概述

隨著建筑工程技術的不斷發展,以及城市經濟發展需要,越來越多的地下工程投入建設,而地下工程常見問題有樁體的抗浮,解決樁體抗浮最經濟高效的方法是采用抗拔樁[1-5]。普通抗拔樁承受荷載時樁體受拉容易開裂,而托底抗拔樁是采用無粘接性鋼絞線與樁底或基礎相連,荷載通過鋼絞線由樁底傳至樁端,樁體本身承受壓力,可有效避免樁體產生裂縫。

抗拔樁在實際工程中有一定應用,但目前對于托底抗拔樁樁土接觸面承載能力和樁土位移的研究較少,托底抗拔樁的作用荷載范圍有待進一步探究。周鵬等[6]應用FLAC3D有限元軟件模擬托底抗拔樁和普通抗拔樁的受力狀態,著重分析兩者荷載-位移規律和摩阻力分布情況發現托底抗拔樁承載力強于普通抗拔樁,兩者的側摩阻力分布類似,兩者側摩阻力關系與施加的荷載水平有關;聶永江等[7]建立樁-土多段線性荷載傳遞函數以研究砂土地基中托底抗拔樁的極限承載特性,研究表明,托底抗拔樁在達到極限破壞時,不同深度處樁-土剪切應力不同,軟化系數會顯著影響托底抗拔樁極限承載力;邵光輝等[8]通過室內模型試驗,研究了普通抗拔樁和托底抗拔樁在極限承載力和樁側摩阻力等方面的差異,并給出了托底抗拔樁極限承載力理論計算公式,但未揭示樁頂位移與極限承載力、樁側摩阻力的內在聯系;戴國亮等[9]基于荷載傳遞函數概念,建立了托底抗拔,研究表明,樁身軸力、位移沿樁身呈上彎分布,但缺少理論計算對抗拔樁力學位移特性進行歸納研究;朱克文等[10]建立抗拔樁上限分析機構,研究了長徑比、樁壁粗糙程度、土體強度非均勻性和土塞高度對抗拔承載力的影響,擬合出了閉口樁的抗拔凈承載力預測公式,研究發現閉口樁、開口樁和管樁承載力系數的影響因素各異,但只是針對普通抗拔樁的研究分析,關于托底抗拔樁的探討還有待探討;高笑娟等[11]研究了普通抗拔樁、擴大頭抗拔樁的受力機理和承載能力,結果表明,壓力性抗拔樁極限抗拔承載力和單位面積摩阻力比拉力型有顯著提高。

相比原型試驗的復雜工況和苛刻的試驗條件,數值模擬條件相對簡單且對于工況的模擬較為容易,并且獲得的數據較為準確,模擬實際工程的樁土尺度更加節約成本,不同類型的樁土模型都可以較好完成。本文基于現有研究,分析普通抗拔樁和托底抗拔樁的荷載位移規律和樁側摩阻力對樁頂位移的影響規律,從樁土接觸面的內在特點揭示兩種抗拔樁的差異。

2 數值模擬建模

2.1 模型分析

模型圖如圖1所示,此模型基于實際工程的尺寸而建立,土體厚度15 m,樁長10 m,樁入土深度為10 m,樁直徑為1 m,整體模型長寬分別為10和5 m。模型的約束條件為:模型限制X、Y向側向位移,底部限制側向位移和豎向位移。

圖1 三維模型圖

2.2 接觸面及材料設置

數值模型中,土體采用摩爾庫倫模型,樁體采用彈性模型,樁土接觸面使用FLAC3D運用的interface界面。當樁土接觸時,接觸面結點與實體單元外表面(目標面)建立基本的接觸關系,此時目標面的法向方向決定接觸力的法向方向。樁土接觸面的破壞模型采用摩爾庫倫模型的強度準則,當剪應力或者拉應力達到相應強度時,將會在接觸的目標面上形成有效法向應力增量。土體的主要物理力學參數見表1,樁體的物理力學指標見表2。

表1 土體物理力學參數

表2 樁體物理力學參數

2.3 荷載施加規則

加載方式為逐步施加荷載法,確定預估極限荷載后,將荷載分成9級,逐級加載,直至破壞。其中普通抗拔樁荷載直接作用于樁頂,托底抗拔樁荷載作用于鋼絞線即樁端,兩者的作用方向均向上。

3 試驗結果分析

3.1 彈性模量對樁體位移的影響

針對不同彈性模量的樁體分別施加樁頂荷載,得到普通抗拔樁荷載-位移曲線(見圖2)。由圖2可知,不同彈性模量的樁體荷載-位移曲線走勢大致相同,彈性模量的變化不會改變樁體的變形特點,但彈性模量會影響普通抗拔樁抵抗變形的能力,具體表現為:隨著樁體彈性模量的增加,樁頂位移逐漸減小,470 kN樁頂荷載作用下,彈性模量為50 GPa時相比于20 GPa時樁頂位移減少了22%,可見彈性模量增加可以顯著提高抗拔樁抗變形能力。抗拔樁的荷載位移曲線可以近似分為3個階段:0～470 kN段為線彈性階段;470～570 kN之間為局部破壞階段;超過570 kN為破壞階段。可見抗拔樁在承載過程中大部分是處于線彈性階段,局部破壞階段占比較小,局部破壞階段之后迅速進入破壞階段,可見抗拔樁的破壞為突變型。

圖2 樁體彈性模量與樁頂位移關系圖

進入破壞階段之后,所有曲線基本重合,從樁土接觸的角度分析,表明樁體彈性模量對樁土接觸面極限承載力影響不大,彈性模量的提高只會增加樁體的承載和變形能力,而樁土接觸面的力學性能不受彈性模量的影響,關于接觸面的特性可以展開深入研究。

3.2 普通抗拔樁和托底抗拔樁荷載-位移規律

將不同彈性模量樁體的普通抗拔樁與托底抗拔樁的荷載-位移關系曲線繪制于直角坐標系中,所得結果如圖3所示。從兩種形式抗拔樁的受力特點分析,普通抗拔樁荷載作用點在樁頂,樁體受拉,荷載傳遞路徑為從樁頂到樁端;托底抗拔樁荷載作用點在樁端,樁體受壓,荷載傳遞路徑為從樁端到樁頂。未破壞階段,托底抗拔樁樁頂位移顯著小于普通抗拔樁,這是由于托底抗拔樁樁體承受壓力時,樁體截面變大,樁土接觸面變大,樁土接觸更加緊密,樁側摩阻力變大,而普通抗拔樁與之相反;但破壞后兩者樁頂位移變化趨勢基本一致,這是由于破壞后樁土之間產生滑移,樁土接觸面破壞,樁側摩阻力完全發揮,兩者位移變化相同。從圖3中亦可看出,普通抗拔樁的樁體彈性模量對樁頂位移影響明顯,而托底抗拔樁樁頂位移基本不受樁體彈性模量的影響,兩條曲線基本重合,因為托底抗拔樁在未破壞時,樁側摩阻力由下至上發揮作用,樁體需要克服的阻力較大,因此彈性模量對于樁頂位移影響較小;而普通抗拔樁由于樁體伸長和樁土位移的累加,其變形受彈性模量的影響較大,且彈性模量越大樁頂位移越小。

圖3 普通抗拔樁與托底抗拔樁荷載-位移變化圖

3.3 托底抗拔樁相比普通抗拔樁對樁頂位移的影響

圖4所示為托底抗拔樁相比普通抗拔樁樁頂位移減少百分比的分布曲線。以樁體彈性模量20 GPa為例,當施加荷載在0～78 kN之間時,樁體位移減少百分比近似線性增加;當荷載區間在78～470 kN時,樁頂位移減少百分比約為28.5%,減少百分比變化較小,而施加荷載超過470 kN后,樁頂位移減少百分比急劇下降。由前文可知,此工況下樁土接觸面極限承載力約為570 kN,綜上可以得出,當施加荷載在極限承載力14%以內時,托底抗拔樁的作用持續增加;當施加荷載在極限荷載的14%～82%之間時,托底抗拔樁的作用趨于穩定;達到極限荷載后兩種抗拔樁作用同步下降。綜合可知,托底抗拔樁承受荷載的最佳區間在樁土接觸面極限荷載的14%～82%范圍內,后續可以針對此結論作出更深入研究,得出托底抗拔樁承受荷載的合理區間,以期應用于實際工程。

圖4 托底抗拔樁相比普通抗拔樁樁頂位移減少比例關系圖

從圖4中亦可看出,樁體彈性模量越大,托底抗拔樁相比普通抗拔樁對樁頂位移的減少比例越小。由于彈性模量越大,托底抗拔樁抵抗變形能力越弱,由樁體膨脹變形而增加的樁側摩阻力越小,因此,彈性模量增加,托底抗拔樁的作用效應反而減弱。

3.4 樁側摩阻力對樁頂位移的影響

由前文可知,樁頂位移主要受樁側摩阻力影響,圖5所示為不同樁側摩阻力下托底抗拔樁的荷載-位移曲線,其中,t表示樁側摩阻力的折減系數,當t=1時,側摩阻力為30 MPa。

圖5 不同折減系數下托底抗拔樁荷載-位移曲線圖

由圖5可知,側摩阻力越大,樁土接觸面極限承載力越大。由前文分析可知,樁體和土體特性對接觸面極限承載力的影響不大,因為抗拔樁本質上屬于摩擦型樁,接觸面的極限荷載主要來源于側摩阻力。當t=1時,對應的極限承載力為470 kN;當t=0.3時,對應的極限承載力為235 kN。前者相比后者的極限承載力增加了100%,可見側摩阻力對接觸面極限承載力的影響重大。

從圖5中亦可看出,不同折減系數下的樁土接觸面極限承載力幾乎處于同一直線上,即側摩阻力與接觸面極限荷載成正相關。此處僅對兩者的關系作出初略分析,兩者的內在聯系及成因研究可以在后續中進行。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)在不同樁頂荷載作用下,樁頂位移隨著彈性模量的增加而增加,但彈性模量不能改變樁土接觸面的極限承載力;樁土接觸面極限承載力只受樁側摩阻力的影響,摩阻力越大,接觸面極限承載力越大。

2)托底抗拔樁相比普通抗拔樁可以顯著減少樁頂位移;樁體彈性模量對托底抗拔樁和普通抗拔樁的變形影響表現不同,主要是兩者的受力和荷載傳遞路徑不同引起的。

3)研究發現,托底抗拔樁相比普通抗拔樁的樁頂位移減少百分比存在一個較為穩定的區間,得出與之對應的作用荷載占接觸面極限承載力的比例具有一個合理范圍14%～82%,在此范圍內,托底抗拔樁發揮的減少樁頂位移作用最為顯著,此結論在實際工程中具有一定的參考價值。