姚 軍,陳長冰,王 婭

(合肥學(xué)院 建筑工程系，合肥 230601)

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港口工程PHC管樁水平承載性狀性能分析

姚 軍,陳長冰,王 婭

(合肥學(xué)院 建筑工程系，合肥 230601)

港口工程PHC管樁水平承載性狀性能分析

姚 軍,陳長冰,王 婭摘 要： PHC管樁在港口工程中形式多樣，設(shè)計(jì)、施工技術(shù)難度高，工程造價所占比例大。通過有限元軟件ANSYS12.0建立群樁模型，計(jì)算分析群樁樁頂位移和群樁效應(yīng)，并將其結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比保證計(jì)算準(zhǔn)確性，以研究PHC管樁水平承載性能，分析樁土相互作用機(jī)理達(dá)到優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)，降低施工成本的目的。

水平承載樁；非線性；樁土關(guān)系

0 引 言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，大型建筑物不斷涌現(xiàn)，樁基結(jié)構(gòu)使用日益廣泛，如跨海、跨江大橋，大型港口碼頭、海上鉆井石油平臺，部分高鐵軌道以及一些超高層建筑物均在使用樁基結(jié)構(gòu)。同時也因?yàn)楣こ潭鄻踊瑯痘芰η闆r也呈現(xiàn)多樣化趨勢。目前，有大量學(xué)者繼續(xù)在進(jìn)行樁基水平承載性能的相關(guān)理論研究，并不斷完善更新現(xiàn)有研究成果。在港口航道工程中，樁基受力多樣性主要體現(xiàn)在垂直方向承載上部結(jié)構(gòu)自重以及車輛、設(shè)備自重及相應(yīng)動載，在水平方向主要承載波浪力、地震荷載、船舶擠靠力等。PHC管樁與普通混凝土樁相比，其強(qiáng)度、樁側(cè)摩阻力、擠土工藝施工都有明顯提高，因此在港口工程中被廣泛使用。[1]本文將研究碼頭PHC管樁水平承載性狀 。

1 群樁基礎(chǔ)的工作特性

在港口工程中，工程一般較為龐大，單樁因?yàn)槌休d力較弱不足以承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載，所以樁基工程都以群樁形式出現(xiàn)。群樁基礎(chǔ)中由于樁間距有限且埋置深度大，樁與樁周土之間相互擠壓、施工工藝等導(dǎo)致群樁效應(yīng)出現(xiàn)。群樁效應(yīng)使得單樁的承載性能和破壞機(jī)理發(fā)生一定的改變，所以群樁的水平承載特性不再是單樁承載力的線性疊加，因此學(xué)者關(guān)于單樁所得出的研究成果在群樁中不再適用。樁基是整個工程中設(shè)計(jì)、施工難度最大，造價成本最高的部分，所以研究群樁基礎(chǔ)的受力特性和工作機(jī)理具有重要的理論意義和實(shí)踐價值。[2-3]

由于群樁效應(yīng)的存在，使得群樁基礎(chǔ)工作時的樁土關(guān)系錯綜復(fù)雜。原型實(shí)驗(yàn)是研究物體結(jié)構(gòu)特性最直接、最準(zhǔn)確的方法，但是由于碼頭群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)龐大，加載、約束難度大，成本較高不宜進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。[4]所以本文選擇采用有限元數(shù)值計(jì)算的方法來計(jì)算分析PHC管樁水平承載性狀。根據(jù)樁基設(shè)計(jì)規(guī)范，群樁基礎(chǔ)的主要參數(shù)為：單樁承載性能、樁數(shù)、樁徑、樁入土深度、樁周土體物理、力學(xué)參數(shù)。只有充分研究群樁水平承載性能，有限元計(jì)算中需要對以上所有參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)分析，才能明確各參數(shù)對群樁基礎(chǔ)性能的影響程度，但由于參數(shù)多，計(jì)算數(shù)據(jù)龐大，本文僅介紹樁入土深度對樁基承載性能的影響。

群樁基礎(chǔ)中，反應(yīng)基礎(chǔ)水平承載性能的參數(shù)主要為基礎(chǔ)樁頂水平位移和群樁效應(yīng)，所以主要計(jì)算在不同參數(shù)下樁頂水平位移和群樁效應(yīng)，然后分析各參數(shù)對群樁基礎(chǔ)水平承載性能的影響，由此評價樁基設(shè)計(jì)是否合理，并對樁基進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使樁基得到最佳的承載性能并降低生產(chǎn)成本。

群樁基礎(chǔ)水平位移可以在ANSYS的計(jì)算結(jié)果位移云圖中獲得，群樁效應(yīng)也是通過一定數(shù)據(jù)來具體量化表達(dá)，其數(shù)據(jù)主要通過以下方法來獲得。群樁效應(yīng)是在單樁的計(jì)算基礎(chǔ)之上定義而來，所以在計(jì)算群樁效應(yīng)時其群樁計(jì)算條件必須和單樁保持同步。定義：單樁和群樁在相同荷載和相同工作條件下，群樁效應(yīng)K=yS/yG。其中：yG為群樁基礎(chǔ)樁頂水平位移、yS為單樁基礎(chǔ)樁頂水平位移。K值大小主要反應(yīng)群樁效應(yīng)的程度：當(dāng)k>1時，表示群樁效應(yīng)比較明顯，樁基設(shè)計(jì)可進(jìn)一步優(yōu)化；當(dāng)k=1時，表示群樁效應(yīng)比較小，是比較理想狀態(tài)，單樁承載性能受到影響較?。划?dāng)時，表示群樁承載性能等于單樁承載能力的線性疊加，沒有出現(xiàn)群樁效應(yīng)。[5]

2 建立模型

2.1 基本假定

(1)PHC管樁為鋼筋混凝土材料，由于混凝土和鋼筋不是同性材料，其各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)也不同，所以建模時也應(yīng)在鋼筋和混凝土之間設(shè)立接觸單元，以保證應(yīng)力在二者材料之間連續(xù)傳遞，但鋼筋和混凝土接觸面較多工作量大且本文主要考慮樁土關(guān)系，所以不考慮鋼筋、混凝土之間接觸關(guān)系，而是根據(jù)鋼筋混凝土材料的綜合承載能力來設(shè)定PHC管樁的力學(xué)參數(shù)。[6]

(2)在實(shí)際工程中樁頂上部都有承臺結(jié)構(gòu)，承臺結(jié)構(gòu)的存在相當(dāng)于給樁頂設(shè)立一個剛性約束，承臺的約束力使得樁身抗彎剛度提高，本文主要通過樁頂水平位移來判定樁基力學(xué)性能，為獲得較大位移本文不設(shè)置承臺約束。

(3)由于近海岸工程的特殊地理位置，樁基受力相對復(fù)雜，其中水應(yīng)力、地應(yīng)力必然對群樁基礎(chǔ)水平承載性能產(chǎn)生一定影響，但這些因素對群樁基礎(chǔ)的作用關(guān)系非常復(fù)雜，影響程度難以測定，所以本文忽略其對樁的作用。

(4)由于樁身存在特定江海環(huán)境中，一些江海生物吸附于樁身，對樁身產(chǎn)生一定腐蝕，從而造成樁身承載力減弱，但由于這些涉及眾多生物、化學(xué)知識，所以本文忽略生活對樁的腐蝕作用。

(5)本文的特點(diǎn)之一就是按照實(shí)際工程將土層進(jìn)行分類，但每一層土不可能是均質(zhì)土都含有不同成分的雜質(zhì)，為了簡化計(jì)算，把每層土的主要成分土的力學(xué)參數(shù)設(shè)定為本層土參數(shù)。

2.2 模型建立

(1)土體部分按照實(shí)際工況分層建立，每層土體模型按照土體力學(xué)性質(zhì)設(shè)置對應(yīng)參數(shù)，本文選取3×3樁型、尺寸15×15×37.9(m)，整體模型如圖1所示；

(2)樁身按照鋼筋混凝土強(qiáng)度等級設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，樁土模型按照土體網(wǎng)格寬度劃分樁身網(wǎng)格,使樁身和土體保持同樣網(wǎng)格寬度，保證計(jì)算精確性，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示；

(3)樁身和土體通過設(shè)置面面接觸單元，使土體和樁兩種不同材料充分連接，保證應(yīng)力、應(yīng)變連續(xù)傳遞。[7]

(4)建立好樁土模型之后，需要對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并在土體底部施加固定約束，按照實(shí)際工況進(jìn)行加載計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后在ANSYS后處理部分提取土體和樁身應(yīng)力云圖，根據(jù)云圖提取相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變值，云圖如圖3—4所示。

圖1 3×3樁基模型

圖2 群樁與土體接觸單元

圖3 群樁位移云圖

圖4 群樁基礎(chǔ)土體位移云圖

3 工程計(jì)算

在近海岸工程中，由于淤泥層厚度和巖石頂標(biāo)高不同，導(dǎo)致樁入土深度差別比較大。樁身入土深度越大，其樁身與土的接觸越多，樁基水平承載力隨之增大，樁土間相互作用增加，土體對樁身的橫向約束也加大，所以不同的入土深度對群樁基礎(chǔ)的水平承載性能有較大的影響。本文以樁入土深度為基本變量，研究在不同入土深度下群樁基礎(chǔ)的水平承載性能和群樁效應(yīng)。根據(jù)表1、表2所示基本參數(shù)，建立群樁基礎(chǔ)模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。PHC管樁外徑1 000mm，壁厚130mm，樁身受彎承載力設(shè)計(jì)值為852kN·m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理、分析，得出不同入土深度對群樁基礎(chǔ)水平位移和群樁效應(yīng)的影響，如圖5—6所示。

表1 泉州港碼頭地質(zhì)物理參數(shù)

表2 入土深度L工況覽表

圖5 入土深度—群樁基礎(chǔ)水平位移曲線圖

圖6 入土深度—位移群樁效應(yīng)曲線圖

結(jié)論： 從圖5所示曲線圖可以得知，隨著入土深度逐漸加大，樁周土體對樁的約束力越來越大，由此群樁基礎(chǔ)水平位移大幅減小，但樁入土深度和樁頂位移的相互約束關(guān)系只在一定范圍內(nèi)，隨著埋置深度繼續(xù)增大，樁頂位移不再相應(yīng)減小，此時樁埋入深度對樁頂位移的影響達(dá)到極限值，因此可把作為樁入土深度的極限值，由此可以作為樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考值。樁基入土施工是一個技術(shù)難度較大的工程，通過此項(xiàng)優(yōu)化可以縮短相應(yīng)工期，節(jié)約生產(chǎn)成本。

從圖6所示曲線圖可以得知，入土深度對群樁水平位移和群樁效應(yīng)的影響大致相同。L/D<15時，樁隨著入土深增大，群樁效應(yīng)隨之減少，主要是樁周土體相互擠壓加劇，對樁的約束力也就隨之增強(qiáng)；當(dāng)長徑比L/D<15時，入土深度的改變幾乎對群樁效應(yīng)沒有影響，可得知入土深度對群樁效應(yīng)的影響也是有限的。在相同樁位前提下，可通過改變相應(yīng)入土深度，來改變?nèi)簶缎?yīng)對基礎(chǔ)水平承載性能的影響。

4 計(jì)算對比

劉安來[8]在論文中曾推導(dǎo)出在均質(zhì)土體中關(guān)于水平承載樁樁頂水平位移的計(jì)算公式。他主要依據(jù)港口工程規(guī)范和相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出公式，但公式計(jì)算僅限在均質(zhì)土體中，在實(shí)際工程中計(jì)算結(jié)果不夠精確。在此基礎(chǔ)之上，本文通過對大量數(shù)據(jù)擬合并結(jié)合土力學(xué)、工程數(shù)學(xué)中非線性理論以及土體彈塑性模型基本理論，對原公式進(jìn)行修正，使公式適應(yīng)在復(fù)雜多層土體中的應(yīng)用，更加符合實(shí)際工程的需求，提高計(jì)算結(jié)果的精確性，公式如式(1)所示。

為了論證式(1)的準(zhǔn)確性，將用此公式對表1中所述工況進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，但由于公式中未能充分考慮群樁效應(yīng)對水平位移的影響，因此在兩種不同計(jì)算模式得出計(jì)算結(jié)果存在一定差異，其計(jì)算結(jié)果和對比見表2和圖7。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ψ—土體內(nèi)摩擦角；c—土體黏聚力；A—樁身截面積;ES—樁身彈性模量。

表3 本文公式計(jì)算結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果誤差對比(不同長徑比)

圖7 公式計(jì)算結(jié)果與ANSYS計(jì)算結(jié)果誤差對比(不同長徑比)

5 結(jié) 論

(1)在相同工況下，解析公式計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果接近，體現(xiàn)了有限元計(jì)算準(zhǔn)確性、可靠性，但有限元計(jì)算可以建立各種復(fù)雜工況模型彌補(bǔ)了公示計(jì)算受到各種條件限制的約束。

(2)通過對樁不同入土深度的計(jì)算分析，得到不同入土深度對樁基承載性能的影響，為以后樁基設(shè)計(jì)、優(yōu)化，提供了一定參考依據(jù)。在一定的入土深度達(dá)到樁基最大承載力、減少群樁效應(yīng)，降低施工難度和成本。

[1] 施松華，高強(qiáng). 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁性能的分析研究 [ D]. 南京：河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，2007.

[2] 王梅等.水平荷載作用下單樁非線性m法試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2002 23 (1) :23-26, 30.

[3] 劉俊生.基于水平荷載和傾斜荷載的樁基m法研究[D].天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，2009 ：60-61.

[4] 張強(qiáng)勇等. 巖體數(shù)值分析方法與地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)原理及工程應(yīng)用[M] .北京：水利電力版社，2005：30.

[5] 姚軍. 基于碼頭水平承載樁非線性數(shù)值模擬分析.[ D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,2014.

[6] 姜琳瑜. 夯擴(kuò)樁水平荷載作用時的性狀研究.[ D].南寧：廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2008：62-63.

[7] 林杭. 基于線性與非線性破壞準(zhǔn)則的邊坡強(qiáng)度折減法研究.[D].長沙：中南大學(xué)土木工程學(xué)院，2009：72.

[8] 劉安來. 樁土作用對樁基水平承載力影響的非線性有限元分析.[ D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，2008：54.

[責(zé)任編輯：李德才]

The Horizontal Bearing Character Analysis of PHC Piles in Port Engineering

YAO Jun ,CHEN Chang-bing，WANG Ya

(Department of Architectural Engineering ,Hefei University , Hefei 230601,China)

PHC piles are widespread used with lots of forms in Port Engineering. The design and construction which is fairly difficult at the same time with high proportion of project cost. This paper will use finite element software ANSYS12.0 to establish pile group model, then calculate and analysis top displacement and pile group effect. And the calculation results are compared with the result by formula to ensure the accuracy of the calculation to research the interaction between soil-piles of horizontal Bearing Character of Port Engineering pile to optimization pile design and reduce construction costs.

horizontally loaded pile；nonlinear；relation between pile-soil

2016-06-25

2016-07-21

合肥學(xué)院科研發(fā)展基金一般項(xiàng)目(14KY04ZR)、安徽省教育廳一般項(xiàng)目(KJ2015B1105902)資助。

姚 軍(1988—)，男，安徽定遠(yuǎn)人，合肥學(xué)院建筑工程系助教，碩士；研究方向：地下工程。

TU94

A

2096-2371(2016)04-0096-05