黏土中螺旋樁單樁水平承載性能的有限元分析

黏土中螺旋樁單樁水平承載性能的有限元分析

螺釘樁是連接到長鋼桿上的形狀的螺旋板。施工時不需要挖掘。如果螺旋板上的配重被機(jī)械或手動旋轉(zhuǎn)，樁將可以旋轉(zhuǎn)到地板上。螺釘樁具有施工快、體積小、負(fù)荷大、土壤少、污染小、成本低、回收率等優(yōu)點(diǎn)。目前針對螺旋樁的抗拔性能已進(jìn)行了一些研究.Meyerhof等針對螺旋樁的水平承載性能也進(jìn)行了一些研究.Mittal等螺旋樁的用途廣泛，根據(jù)地形需要可以傾斜埋置來滿足復(fù)雜的地形條件，或?qū)A斜樁組合成群樁提高基礎(chǔ)的抗傾覆能力.但目前對螺旋樁的研究主要集中在豎直螺旋樁的豎向上拔或下壓承載性能方面，對水平承載的研究相對較少.大部分研究采用的砂箱試驗(yàn)方法缺乏現(xiàn)場原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且針對螺旋樁在黏土中的承載性能研究相對更少，這在一定程度上限制了該技術(shù)的工程應(yīng)用.本文將基于已有的相關(guān)試驗(yàn)，通過數(shù)值模擬方法研究不同傾斜角度下螺旋樁在黏土中的水平承載性能.1縱式螺旋樁支撐性能值的模擬方法1.1試驗(yàn)總結(jié)由于黏土中螺旋樁的水平承載性能研究較少，本文以董天文等水平承載試驗(yàn)土體性質(zhì)見表3所示，螺旋樁幾何參數(shù)見表4所示.1.2數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證首先對抗拔試驗(yàn)為正確模擬樁-土間以及葉片-土體間非線性接觸行為，設(shè)置了接觸面單元，創(chuàng)建表面并設(shè)置接觸對.接觸屬性采用摩爾-庫倫摩擦罰函數(shù)形式，主面選擇樁體及葉片表面，從面選擇對應(yīng)的土體接觸面，法向行為選擇硬接觸，接觸剛度為非線性，切向行為選擇罰接觸，取摩擦系數(shù)為tan將模擬結(jié)果與抗拔試驗(yàn)結(jié)果對水平承載試驗(yàn)將模擬結(jié)果與水平承載試驗(yàn)結(jié)果上述對于黏土中螺旋樁抗拔試驗(yàn)以及砂土中螺旋樁水平承載試驗(yàn)的模型驗(yàn)證，說明了該建模方式模擬黏土中螺旋樁水平承載下的實(shí)際變形情況具有一定的可靠性.2在傾斜螺旋樁水平負(fù)荷的作用下，螺母的性能2.1螺旋樁傾斜側(cè)土體寬度在以上黏土中螺旋樁模型建立的基礎(chǔ)上，考慮傾斜螺旋樁的傾斜距離，將螺旋樁傾斜側(cè)土體寬度增加5m,最終土體寬度11.5m,厚度12m,螺旋樁順時針傾斜15°、30°、45°,其他建模方式與上述一致，各參數(shù)如表5所示.2.2結(jié)果與分析2.2.1影響《浮士德》數(shù)量提取0°、15°、30°、45°傾斜角下，不同葉片數(shù)量的螺旋樁(2.2.2首層葉片埋深的影響提取0°、15°、30°、45°傾斜角度下，不同首層葉片埋深的多葉片螺旋樁荷載-位移數(shù)據(jù)，并以各傾斜角下的裸樁為參照，繪制水平荷載-水平位移曲線(見圖7).觀察各傾斜角度下不同首層葉片埋深的螺旋樁的水平荷載-水平位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)在不同傾斜角度下，首層葉片埋深不同對傾斜螺旋樁水平承載性能產(chǎn)生不同程度的影響，但總體上首層葉片埋深越深，傾斜螺旋樁的水平承載性能越差，且當(dāng)埋深達(dá)到一定深度后，傾斜螺旋樁的水平荷載-水平位移曲線基本不再發(fā)生變化.對于15°傾斜及豎直螺旋樁而言，隨著首層葉片埋深增加，水平承載力逐漸降低，曲線逐漸逼近裸樁水平荷載-水平位移曲線，當(dāng)首層葉片埋深比為4和6時曲線基本一致，表明首層葉片埋深比增加到4后再增加埋深不會再產(chǎn)生影響，葉片埋深比為6時發(fā)揮的作用極小.此外，不同傾斜角度下，首層葉片埋深的影響程度不同.當(dāng)傾斜角度大于15°時，傾斜角度越大，不同首層葉片埋深的螺旋樁水平荷載-水平位移曲線更加接近，首層葉片埋深的影響變?nèi)?當(dāng)首層葉片埋深達(dá)到足夠深時，例如埋深比為6時，0°、15°、30°、45°傾斜角下的螺旋樁與裸樁的水平荷載-水平位移曲線差異隨著傾斜角度增大而增大.對于豎直螺旋樁(傾斜角度為0°)而言，當(dāng)埋深比為6時曲線與裸樁曲線接近重合，意味著錨片不再發(fā)揮作用.在傾斜角度為15°時，螺旋樁與裸樁的水平荷載-水平位移曲線也基本重合，說明了15°傾斜角下螺旋樁水平承載性能與豎直螺旋樁相似.傾斜角度為30°時，螺旋樁與裸樁的水平荷載-水平位移曲線在加載后期出現(xiàn)了較明顯的差別；傾斜角度為45°時，螺旋樁與裸樁的水平荷載-水平位移曲線出現(xiàn)了不可忽略的差別.隨著傾斜角度增大，即使錨片由于埋深過深不再對于螺旋樁的抗傾覆提供作用，但其所起的抗拔作用越來越明顯.隨著螺旋樁傾斜角度增大，螺旋樁錨片抗水平荷載作用正逐步向抗拔作用機(jī)制發(fā)展，葉片所發(fā)揮的作用也更加明顯.2.3傾斜角度對水平極限位移的影響繪制各傾斜角度下首層葉片埋深比為2的三葉片螺旋樁的水平位移、豎向位移隨荷載變化曲線，如圖8所示.可以觀察到隨著傾斜角度增加，水平位移曲線與豎向位移曲線逐漸貼近.當(dāng)螺旋樁的傾斜角度較小時，施加水平荷載產(chǎn)生較小的豎直位移分量，隨著傾斜角度的增加，同一荷載等級下的豎直位移逐漸變大，但一直到傾斜45°的工況，螺旋樁的豎向位移都還小于水平位移.因此，0～45°傾斜角螺旋樁施加水平荷載時都按照水平極限位移控制破壞.由圖9可見，無論傾斜多少角度，傾斜單樁的水平向承載力比豎直單樁的要高.隨著埋置傾斜角度的增加，螺旋樁的水平承載力逐漸提高，且從很小的傾斜角度開始，每增加相同的傾斜角度，水平承載力提高的幅度越來越大.2.4數(shù)值結(jié)果分析與計算方法根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果，螺旋樁在傾斜角度為45°以內(nèi)的破壞由水平極限位移控制，因此對于螺旋樁承載力的計算也將以螺旋樁水平極限承載力為基礎(chǔ)，同時考慮傾斜角度增大時，葉片對于螺旋樁承載力的提高作用.凌道盛等對于錨片中的土壓力分布假定擠壓區(qū)為被動土壓力均勻分布，分離區(qū)為主動土壓力均勻分布將錨片所受土壓力對錨片圓心(1)=式中，對式(1)在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行積分，即得1/4錨片的抗傾覆力矩.整個錨片總的抗傾覆力矩(3)假設(shè)錨片總力矩與錨片到樁頂間距的比值的水平分量即為錨片對于螺旋樁水平極限承載力的貢獻(xiàn)值.擠壓區(qū)為被動土壓力均勻分布，分離區(qū)為主動土壓力均勻分布的假定使葉片上壓力計算值相比實(shí)際偏大.通過數(shù)值模擬結(jié)果反推，加入修正系數(shù)0.8對葉片部分進(jìn)行折減，建議0°～30°傾斜角螺旋樁水平承載力計算公式如下(當(dāng)葉片埋深大于4(4)式中，當(dāng)傾斜角度大于30°時，螺旋樁與裸樁的水平極限承載力增長曲線不再平行，螺旋樁的水平極限承載力明顯增大，此處考慮為錨片的發(fā)揮作用增大，錨片所起的作用從抗傾覆向著抗拔作用轉(zhuǎn)變.因此將30°～45°傾斜角度下螺旋樁的水平極限承載力分解為裸樁的水平承載力、錨片所起抗傾覆作用與錨片所起的抗拔作用.考慮傾斜角度及葉片埋深的影響，30°～45°傾斜角度下淺埋螺旋樁的水平極限承載力計算公式建議如下：(5)式中，=當(dāng)(7)當(dāng)(8)式中，《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(9)為除首層錨片以外其他錨片上拔承載力的水平分量總和，可通過計算葉片表面土壓力合力的水平分量得到.計算公式為(10)式中，模擬結(jié)果中深層錨片位移量極小，葉片上側(cè)遠(yuǎn)達(dá)不到被動土壓力，因此取值為靜止土壓力；葉片下側(cè)則處于非極限主動土壓力狀態(tài)，參考陳奕柏等(11)式中，計算葉片位移量(12)式中，將式(6)、(9)、(10)、(11)、(12)代入式(5)得因此，淺埋傾斜螺旋樁水平極限承載力計算方法如下：當(dāng)0°<當(dāng)首層葉片埋深較深(葉片埋深大于4當(dāng)0°<=當(dāng)30°<(15)將螺旋樁公式計算結(jié)果與模擬結(jié)果繪制于圖12,可見計算結(jié)果與模擬結(jié)果較接近，在傾斜角度為45°時計算結(jié)果誤差最大，最大誤差為14.5%,計算公式較為可靠.式(4)、(13)、(15)僅適用于黏土地基中螺旋樁水平極限承載力計算中錨片所承擔(dān)部分的計算.3首層葉片埋深1)黏土地基中，葉片數(shù)量對傾斜螺旋樁的水平承載能力影響不大，但隨著傾斜角度增大，深層葉片逐漸發(fā)揮作用，雖然作用不明顯，但總體上葉片數(shù)量越多，傾斜螺旋樁的水平承載力越大.不同傾斜角度下，首層葉片埋深不同對傾斜螺旋樁水平承載性能產(chǎn)生不同程度的影響，傾斜角度增大，首層葉片埋深影響逐漸變小，但總體上首層葉片埋深越深，傾斜螺旋樁的水平承載性能越差，當(dāng)埋深達(dá)到42)黏土地基中，螺旋樁在傾斜角