大錨片螺旋錨基礎(chǔ)極限受壓承載力確定方法研究

大錨片螺旋錨基礎(chǔ)極限受壓承載力確定方法研究

螺釘錨基是螺旋錨和上臂等組件組成的。它主要由深層土壤組成，以抵抗上部結(jié)構(gòu)的影響。該基礎(chǔ)以鋼構(gòu)件為主，施工工序少、施工簡單，可顯著減少或避免使用混凝土材料，從而極大程度上縮短施工周期。同時，螺旋錨施工時不必大范圍開挖，地表破壞范圍相對較小，環(huán)保效益明顯，尤其對生態(tài)脆弱地區(qū)。此外，螺旋錨對土體的擾動小，能充分發(fā)揮原狀土體固有強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)材料節(jié)省。鑒于螺旋錨基礎(chǔ)的上述優(yōu)點(diǎn)，工程中對其進(jìn)行了一定的探索性應(yīng)用為了對該基礎(chǔ)類型提供理論支撐，較多學(xué)者對其受力性能等方面進(jìn)行了一定的研究。目前，關(guān)于螺旋錨基礎(chǔ)承載力的研究主要集中在抗拔性能方面，Demir等上述螺旋錨錨片的最大直徑為300mm。美國喬斯林公司曾生產(chǎn)螺旋錨葉片最大直徑為395mm，前蘇聯(lián)使用的最大錨片直徑為460mm，日本九州電力公司在TACSR工程中使用的螺旋錨基礎(chǔ)錨片最大直徑為420mm。中國目前使用的螺旋錨錨片直徑一般都在360mm以下1地表土壤條件試驗(yàn)場地在河南省駐馬店市上蔡縣蔡溝鄉(xiāng)，該地區(qū)處于淮河沖洪積平原地帶，地貌單一，地形平坦，地勢開闊?，F(xiàn)場靜力觸探發(fā)現(xiàn)，地層土質(zhì)較均勻，從地表至31.5m深度處以粉質(zhì)黏土為主，黏土狀態(tài)為可塑～硬塑，具中壓縮性。土質(zhì)呈褐黃、褐灰、灰黃等色，含鐵錳氧化物，零星見小鈣質(zhì)結(jié)核與蝸牛殼碎片，夾粉土，其中，地表1.0～2.0m為耕土，深度14.5～16.5m范圍內(nèi)局部為粉土。試驗(yàn)中錨桿的埋深位于9～12m，在錨桿的埋深范圍內(nèi)可以把周圍的土質(zhì)視為均勻分布的粉質(zhì)黏土，土層物理性質(zhì)指標(biāo)以及力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。2抗高血壓廬山試驗(yàn)與結(jié)果分析2.1抗壓靜載試驗(yàn)研究螺旋錨現(xiàn)場原位試驗(yàn)布置如圖1所示，現(xiàn)場采用塔位處的灌注樁基礎(chǔ)作為反力樁，螺旋錨1、3、5和7分為位于反力樁間約三等分點(diǎn)處?，F(xiàn)場將反力梁與灌注樁上的預(yù)埋地腳螺栓相連，通過千斤頂向螺旋錨頂部施加壓力，如圖2所示。螺旋錨抗壓靜載試驗(yàn)采用快速荷載維持法，加載按照每級60kN依次遞增，每級加載保持10min，加載至錨桿頂部豎向位移超過40mm停止，卸載采用相同的方式。試驗(yàn)中采用壓力表測定千斤頂油壓來換算得到施加的荷載，千斤頂量程為5000kN，螺旋錨豎向位移通過安裝在千斤頂下部的位移傳感器測量。對4個螺旋錨進(jìn)行受壓試驗(yàn)研究，其中1號為埋深9m的兩盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(a）所示。3號為埋深9m的三盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(b）所示。5號為埋深12m的兩盤螺旋錨，加工尺寸同1號螺旋錨。7號初始設(shè)計為埋深12m的3盤螺旋錨，但在鉆入施工時由于土質(zhì)較硬，當(dāng)鉆入約9m時發(fā)現(xiàn)施工困難，現(xiàn)場臨時改為埋深為9m的三盤螺旋錨。螺旋錨錨盤和錨桿均采用Q345B級鋼材。2.2近式荷載變化對于單錨受壓，其錨頂荷載位移曲線如圖4所示，整個受力過程主要可以分為3個區(qū)間：開始加載階段曲線近似為線性變化，中間階段曲線為非線性變化，最后階段曲線再轉(zhuǎn)變?yōu)榻凭€性變化。在卸載過程中，荷載位移曲線呈現(xiàn)非線性變化，且在相同荷載下對應(yīng)卸載曲線的切線斜率大于加載曲線的切線斜率，說明卸載時螺旋錨周圍土的回彈模量大于其初始彈性模量。7號與3號均為3錨盤螺旋錨基礎(chǔ)，埋深均為9m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，7號承載力為3號承載力的1.15倍，而5號承載力位于兩者之間，三者均大于1號螺旋錨。可見，單錨抗壓承載力隨錨盤數(shù)量的增加而增大，隨埋深的增加而增大，3盤9m的單螺旋錨基礎(chǔ)抗壓承載力與2盤12m的單螺旋錨基礎(chǔ)承載力相當(dāng)。2.3確定開口負(fù)荷的方法比較螺旋錨在確定極限承載力時，均以錨桿端阻發(fā)揮程度作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)2.4大葉片螺旋錨基礎(chǔ)的極限承載力通過上述針對極限承載力確定方法的對比發(fā)現(xiàn)，軸向壓力作用下，由于錨片直徑較大，基礎(chǔ)錨桿側(cè)摩阻力完全發(fā)揮時對應(yīng)的位移與錨片直徑的比值較小。如果仍然按照常規(guī)螺旋錨基礎(chǔ)極限承載力判別條件，通過錨盤直徑一定比例的位移對應(yīng)的荷載作為承載力，則此時承載力會偏大甚至無法得到。可見，前兩種方法不適用于大葉片螺旋錨基礎(chǔ)。第3種方法通過對處理后的曲線做切線，找到陡降段的起始點(diǎn)，如圖5所示。該方法能夠較合理地找到螺旋錨基礎(chǔ)對應(yīng)的極限狀態(tài)，說明該方法適用于黏土地層中的大錨片螺旋錨基礎(chǔ)。3靜態(tài)加載試驗(yàn)的數(shù)值模擬和結(jié)果分析3.1數(shù)值模型對比分析利用有限元軟件ABAQUS對螺旋錨進(jìn)行豎向加載數(shù)值模擬，為了消除邊界條件對計算結(jié)果的影響，計算模型中，土體水平范圍取為錨盤直徑的10倍，土體豎向范圍取為螺旋錨埋入深度的2倍，如圖6所示。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件，對土體底部約束3個方向的平移自由度，土體側(cè)面約束水平兩個方向的平移自由度。螺旋錨基礎(chǔ)與土體建立接觸，接觸面的本構(gòu)關(guān)系即為相互作用的力學(xué)模型，其中包括兩個部分，分別是：接觸面的切向作用和法向作用在對螺旋錨基礎(chǔ)數(shù)值分析中，通常為了提高計算收斂效果，將螺旋盤簡化成平盤進(jìn)行計算通過對比平盤和螺旋盤兩種不同形式螺旋錨基礎(chǔ)下壓分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者從變形到應(yīng)力分布基本一致，唯有錨盤的應(yīng)力分布形式存在差異，如圖7所示。將兩種螺旋錨的壓力位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖8所示，兩個數(shù)值模型的計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并且兩種模型之間的最大差異在3%以內(nèi)?？梢姡^盤的形式對螺旋錨下壓承載力的影響不大。綜合分析效率和整體吻合性，建議選擇平盤錨代替螺旋錨作為數(shù)值分析模型。3.2土體抗剪強(qiáng)度對于土體，摩爾庫倫模型應(yīng)用最為廣泛，它不僅是在理論上更是在試驗(yàn)上反映出了土體的變形特性。而且，它的模型參數(shù)相對更容易確定，即依靠設(shè)定土的內(nèi)摩擦角和黏聚力來確定土體的抗剪強(qiáng)度，可以較好地反映土體的受力特征。土體采用線彈性聯(lián)合摩爾庫倫彈塑性模型，具體土體參數(shù)詳見表1。對于錨桿，ABAQUS用連接給定數(shù)據(jù)點(diǎn)的一系列直線來逼近材料光滑的應(yīng)力應(yīng)變曲線，*PLASTIC選項中的數(shù)據(jù)將材料的真實(shí)屈服應(yīng)力定義為真實(shí)塑性應(yīng)變的函數(shù)，選項的第一個數(shù)據(jù)定義材料的初始屈服應(yīng)力，塑性應(yīng)變值應(yīng)該為0。將鋼材的本構(gòu)關(guān)系選取為理想的彈塑性模型，相關(guān)參數(shù)見表3。3.3初始地應(yīng)力場模擬為了能夠較準(zhǔn)確地模擬螺旋錨基礎(chǔ)在土中的受力情況，數(shù)值分析的第一步是進(jìn)行地應(yīng)力平衡。由于初始狀態(tài)的土單元在重力作用下會發(fā)生較大的豎向壓縮變形，在土與錨桿接觸面上，由于相對滑動過大而造成計算難以收斂。為了提高計算效率，在地應(yīng)力平衡計算中不激活接觸面，以便較快且準(zhǔn)確地得到初始地應(yīng)力場。為了能夠較真實(shí)地模擬錨桿周邊土體對其摩阻力，需要考慮螺旋錨鉆入土的過程中對周邊土體的擠壓效應(yīng)。地應(yīng)力平衡分析完成之后，激活螺旋錨與土之間的接觸面，但在此狀態(tài)下錨桿與周圍土的相互擠壓力很小，此時，螺旋錨在豎向荷載作用下，其錨頂壓力主要由錨盤承擔(dān)，而錨桿上的側(cè)摩阻力近似為0，顯然不符合基礎(chǔ)的實(shí)際受力狀態(tài)。為了更加真實(shí)地模擬壓力作用下的螺旋錨在土中受力情況，需要在接觸面上設(shè)置初始擠壓力。初始擠壓力的施加通過螺旋錨與土接觸面之間的過盈分析來實(shí)現(xiàn)，過盈量取錨軸的半徑。在完成上述兩步分析之后，初始地應(yīng)力場如圖9所示。在此基礎(chǔ)上，對螺旋錨頂部中心點(diǎn)施加位移荷載以模擬現(xiàn)場的加載過程，同時記錄錨頂?shù)姆戳?，得到錨頂荷載位移曲線。將數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖8和圖10、圖11所示，兩者荷載位移曲線擬合較好，數(shù)值模型可靠。4縱載下螺釘臂的疲勞性能數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。采用數(shù)值分析方法分析不同等級荷載下螺旋錨軸力、側(cè)摩阻力分布和荷載分擔(dān)規(guī)律。4.1不同錨頂位移對錨片側(cè)摩阻力的影響基于有限元計算結(jié)果，提取錨桿沿縱向的軸力、剪力和彎矩，如圖12～圖14所示。通過對比分析可知，螺旋錨在軸向壓力作用下，錨桿上的剪力和彎矩非常小，可忽略不計。對于錨桿軸力，隨著錨頂位移的增加，軸力圖中的(1)區(qū)段斜率逐漸增大，說明隨著施加荷載增加，錨桿側(cè)摩阻力逐漸增大。同時，在不同錨頂位移對應(yīng)下的螺旋錨基礎(chǔ)的錨桿軸力在錨片附近均發(fā)生突變，說明錨片在螺旋錨基礎(chǔ)的整個受力過程中均參與分擔(dān)，即使初始加載時荷載和位移都很小。如圖12(a）中的區(qū)段(2)、13(a）中的區(qū)段(2)和(3)以及14(a）中的區(qū)段(2)所示，隨著錨頂位移的增加該區(qū)段內(nèi)的軸力圖斜率也逐漸增加，說明錨片之間的錨桿側(cè)阻對抵抗外部壓力是有貢獻(xiàn)的，并且與區(qū)段(1)保持著同樣的規(guī)律，但是該區(qū)段軸力圖的斜率要小于區(qū)段(1)。如圖12(a）中的區(qū)段(3)、13(a）中的區(qū)段(4)以及14(a）中的區(qū)段(3)所示，該部分的軸力在0附近，說明該區(qū)段以上的錨盤端阻力和錨桿側(cè)摩阻基本上已經(jīng)全都抵消掉了外部壓力的作用，同時也說明了錨桿底部端阻在整個受力過程中幾乎不發(fā)揮作用。4.2豎向壓縮變形通過對錨桿內(nèi)力的分析可知，錨桿側(cè)摩阻在螺旋錨基礎(chǔ)的整個受力過程中發(fā)揮著重要作用，如圖15～圖17所示，隨著錨頂位移的增加，錨桿側(cè)摩阻逐漸增大。這是由于螺旋錨在軸向壓力作用下會發(fā)生向下的整體位移，土體與螺旋錨的接觸面存在摩擦力，螺旋錨周邊的土體會隨著基礎(chǔ)一同發(fā)生向下的壓縮變形。隨著壓力的增大，土體的豎向壓縮也隨之增大，土體越來越密實(shí)并且對螺旋錨基礎(chǔ)的擠壓力也越來越大，錨桿的側(cè)摩阻也隨之增大。如圖15～圖17所示，螺旋錨基礎(chǔ)葉片附近的錨桿側(cè)阻會突變減小。對葉片附件的土體變形分析可知，螺旋錨葉片在壓力作用下會發(fā)生下凸變形，變形后的葉片會對周圍土體產(chǎn)生側(cè)向外推，從而使葉片附近的土體與錨桿脫離，如圖15～圖17中的（b）所示，脫離部分的摩阻力為0，未脫離部分仍然保持著原有的摩阻力，但葉片之間的錨桿側(cè)摩阻整體來說還是削弱了。4.3埋深及荷載的影響通過分析可知，螺旋錨基礎(chǔ)在軸向壓力的作用下，其抵抗力主要由錨桿側(cè)摩阻和錨片端阻來提供，錨桿端阻基本上不發(fā)揮作用，螺旋錨基礎(chǔ)的荷載分擔(dān)如圖18所示。對于小葉片砂土中的螺旋錨基礎(chǔ)，在豎向受荷過程中，首先是錨桿側(cè)摩阻發(fā)揮作用，其次各個葉片由上至下相繼發(fā)揮端承作用，最后下部葉片和錨桿底部發(fā)揮端承作用繼續(xù)承擔(dān)上部荷載對比表4和表6可知，對于大葉片螺旋錨基礎(chǔ)，當(dāng)葉片數(shù)量不變時，隨著埋深的增加錨桿側(cè)摩阻所占的比重增加。對比表4和表5可知，螺旋錨基礎(chǔ)埋深不變時，隨著錨片數(shù)量的增加，錨桿側(cè)摩阻所占的比重降低。隨著施加荷載的增大（表4），螺旋錨基礎(chǔ)最上部錨片和最下部錨片承擔(dān)荷載的比例都有所降低。其主要原因是，錨片彎曲變形降低了與土體的有效接觸面，從而減少了錨片的承擔(dān)荷載比例，且上部錨片承擔(dān)的荷載比例基本上均略大于下部錨片。隨著施加荷載的增大（表5），螺旋錨基礎(chǔ)最上部錨片承擔(dān)荷載的比例隨之降低，中部錨片承擔(dān)的比例同步增加，下部錨片承擔(dān)荷載比例基本不變。說明隨著荷載的增大，上部錨片的變形要大于中部錨片，隨著變形的不斷加大，上部錨片承擔(dān)的部分荷載傳遞到中部錨片。在螺旋錨受力過程中，上部錨片承受荷載的比例最大，中部錨片隨著施加荷載的增加，承擔(dān)荷載的比例逐漸增大，并且在錨頂位移大于25mm時，其承擔(dān)比例大于下部錨片。隨著施加荷載的增大（表6），螺旋錨基礎(chǔ)最上部錨片承擔(dān)荷載的比例基本不變，而下部錨片承擔(dān)的荷載比例逐漸減小。綜上所述，大葉片螺旋錨基礎(chǔ)隨著施加荷載的增加，在不同錨片個數(shù)以及不同埋深的條件下，各個錨片端阻和錨桿側(cè)摩阻分擔(dān)荷載的比例發(fā)生不同規(guī)律的變化，最大變化幅值約為8%。錨片分擔(dān)荷載的比例占據(jù)螺旋錨基礎(chǔ)受荷過程的總荷載75%以上，各個錨片分擔(dān)荷載比例最大差異約為6%。5荷載分配規(guī)律基于粉質(zhì)黏土場地的大錨片螺旋錨基礎(chǔ)的現(xiàn)場靜載試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析基礎(chǔ)在豎向壓力作用下極限承載力的確定方法和荷載傳遞特性，得到以下結(jié)論：1）對于大錨片螺旋錨基礎(chǔ)，采用lgP-s方法確定極限承載力較Livneh&EL.Naggar法與修正的Davisson法更合理。2）螺旋錨在軸向壓力作用下，錨桿上的剪力和彎矩與軸力相比非常小，可忽略不計。隨著施加荷載增加，錨桿側(cè)摩阻力逐漸增大。在不同錨頂位移對應(yīng)下的螺旋錨基礎(chǔ)的錨桿軸力在錨片處均發(fā)生突變，錨片在螺旋錨基礎(chǔ)的整個受力過程中均參與承擔(dān)外部壓力。3）大錨片螺旋錨基礎(chǔ)隨著施加荷載的增