楊華勛，陳簫笛，亓 良

（魯東大學巖土工程重點實驗室，山東 煙臺 264025）

目前世界范圍內海洋工程建設越來越廣泛，其基礎不但承受自身重力的豎向荷載，還要承受來自海洋的波浪荷載、風荷載和船舶撞擊等水平循環(huán)荷載的作用，水平循環(huán)荷載下樁基礎的力學響應較為復雜，其與水平單調加載時樁基力學行為有明顯差別。循環(huán)橫向荷載作用下樁基礎的力學響應也逐漸吸引了很多專家與學者的重點關注[1-3]。通過模型試驗，Basack等[4]研究了荷載頻率、循環(huán)次數和位移幅值等因素對樁基周圍海相沉積黏土循環(huán)軟化、弱化問題的影響，得出樁周軟黏土軟化、弱化程度隨著加載頻率的增加而增大，而隨著循環(huán)次數增加反而減小的結論。通過有限元數值計算和大比尺模型試驗，孫永鑫[5]對橫向靜力及循環(huán)加載情況下海上風機大直徑樁的受力變形特性及樁土相互作用機制進行了探討，為大直徑海上風電樁基提供了一定的設計參考。對于承受循環(huán)荷載作用的樁體，國內外多數學者把樁體假設為線彈性模型，與實際樁基礎受力差距較大，沒有考慮樁身混凝土損傷和鋼筋屈服的結構破壞形式，只是對樁周土體發(fā)生塑性失穩(wěn)時樁基礎的力學響應做了一定研究[6-9]。范慶來等[10]雖然考慮了樁身混凝土損傷和鋼筋屈服對于靜力荷載作用下海上單樁水平響應的影響，但是沒有考慮循環(huán)荷載效應。文章通過對比考慮混凝土損傷和鋼筋屈服的樁基模型與線彈性樁基模型，運用ABAQUS大型有限元分析軟件，研究探討單樁基礎在水平循環(huán)荷載作用下的受力性狀和變形規(guī)律。

1 數值分析模型的構建與對比

1.1 數值模型的構建

根據Huang等[11]開展的現場大直徑單樁橫向加載試驗，建立相應的圓形樁基礎模型，其樁體半徑為0.75m，埋置深度d為34m，樁頭高出地面0.9m。樁體縱長配筋26根直徑32mm的螺紋鋼筋。樁基持力層通過組合動態(tài)硬化塑性本構模型模擬[12-13]，樁體使用ABAQUS中內嵌的塑性損傷混凝土本構模型模擬，鋼筋通過遵循Mises破壞準則的完全彈塑性本構模型模擬。樁體以及土體為C3D8R單元，鋼筋為T3D2單元。在有限元數值模擬中，樁土界面接觸特性采用“接觸對”算法，接觸面法向采用“硬接觸”。為了減小邊界效應對計算結果的影響，文章選取地基模型深度為41m，半徑為24m。因為模型上部受橫向循環(huán)荷載影響最大，塑性區(qū)主要集中于土體上部網格，所以要加密這部分網格實體單元密度，模型下部實體單元密度逐漸變疏，樁體從樁頭到樁底采用均勻結構網格劃分，具體見圖1[14]。

圖1 單樁基礎模型

1.2 不同數值分析模型的對比

為了反映考慮鋼筋屈服和混凝土損傷的必要性，現對比考慮混凝土損傷和鋼筋屈服的情況與線彈性假設情況。對于塑性損傷混凝土本構模型，其受壓屈服應力大小、對應的塑性應變與損傷因子的關系見表1，受拉屈服應力、起裂應變與損傷因子的關系見表2，混凝土的其他彈性參數見表3。

表1 受壓屈服應力、塑性應變與損傷因子

表2 受拉屈服應力、起裂應變與損傷因子

表3 混凝土彈性參數

兩種橫向循環(huán)荷載水平下線彈性樁與可考慮鋼筋破壞和混凝土開裂損傷的樁基對比見圖2，由圖2可知，隨著荷載的增大，樁基礎滯回圈包圍面積也在增大。另外，線彈性情況在兩種荷載幅值下的割線剛度分別為8.5kPa/mm、30.8kPa/mm，而考慮塑性損傷時的割線剛度分別為38.5kPa/mm、22.3kPa/mm?？紤]混凝土塑性損傷情況的割線剛度降低速率明顯高于線彈性情況，可見在實際工程實踐中，尤其是在可能承受較大波流荷載、風荷載的情況下，考慮灌注樁中鋼筋受拉屈服破壞特性和混凝土受拉、壓塑性損傷是合理的。

圖2 線彈性樁與CDP樁頭水平位移

2 變動參數分析

2.1 荷載幅值的影響

水平循環(huán)荷載作為一種動荷載，荷載大小隨時間的變化形式不盡相同。文章采用正弦波模擬循環(huán)水平荷載，公式如下：

式中：A為振幅；ω為荷載角頻率，ω=2πf，f為荷載頻率。對于波浪荷載，荷載頻率f=0.1Hz，初始角度φ為0°。根據規(guī)范可知，水平受荷樁的極限承載力可通過Q-σs曲線趨于水平時的首個拐點橫坐標值來確定。在文章的算例中，樁基的極限荷載可取為890kPa，分別取荷載幅值Qc=0.1Qmax、0.2Qmax、0.3Qmax、0.4Qmax、0.5Qmax及0.6Qmax作用于黏土中單樁樁頂，進而分析不同荷載幅值對于樁頭橫向位移的影響規(guī)律。

不同幅值下第100個循環(huán)時的荷載-位移曲線見圖3。由圖3可以看出，隨著橫向荷載幅值的增大，樁基礎樁頭的荷載與位移之間的關系曲線開始遵循強烈的非線性變化規(guī)律，滯回圈面積也隨荷載幅值的變大而顯著變大，并且割線剛度隨著荷載幅值增大而降低，這可能是樁周土體剛度退化的影響范圍隨著荷載幅值的增大而增大的原因引起的。

圖3 不同循環(huán)加載幅值第100次循環(huán)的荷載-位移曲線

在第100個循環(huán)時的樁身彎矩分布見圖4，從圖4中可以看出隨著荷載幅值增大，樁身最大彎矩值迅速從340kN·m增加到2200kN·m，最大彎矩值大約出現在埋深0.16d處，且隨著荷載增大略有降低。

圖4 不同加載幅值下樁身彎矩

2.2 樁周土體強度的影響

為了探討樁周土體強度對樁基礎的力學響應的影響，現取土體不排水抗剪強度分別為80kPa、100kPa、120kPa和140kPa四種情況，并維持環(huán)境荷載大小及樁身配置參數不變。第100個循環(huán)時不同土體的不排水抗剪強度下的荷載-位移曲線見圖5，由圖5可以看出，隨著樁周黏土體不排水抗剪強度的增大，樁頂的位移幅值從9mm降到約5.5mm，樁土耦合體系在循環(huán)過程中消耗的能量也在降低，主要表現為荷載-位移滯回曲線包圍的面積變小，這是因為樁周土體發(fā)生的塑性變形區(qū)域在減小。

3 結論

（1）隨著水平循環(huán)荷載幅值增大，樁基礎的樁頂位移以及樁身彎矩也隨之增大。

（2）隨著土體不排水抗剪強度的增大，單樁基礎的樁頭水平位移隨之降低。

圖5 不排水抗剪強度對第100次循環(huán)時樁頭荷載-位移曲線的影響