大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)上拔受力性能的精細(xì)化有限元分析

大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)上拔受力性能的精細(xì)化有限元分析

1螺旋錨基礎(chǔ)的穩(wěn)定性分析旋轉(zhuǎn)錨基礎(chǔ)采用機(jī)械化施工，施工周期長(zhǎng)。施工中無(wú)土，不需要泥漿池，對(duì)環(huán)境和環(huán)境的影響小。如果沒(méi)有維護(hù)周期，基礎(chǔ)施工可以結(jié)束。采用工藝預(yù)制法，基本質(zhì)量穩(wěn)定。所以，螺旋錨基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于輸電線路、民用建筑以及海洋工程等多項(xiàng)領(lǐng)域目前螺旋錨基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)外輸電線路領(lǐng)域中已進(jìn)行了一定的探索性應(yīng)用上述對(duì)螺旋錨的研究中，錨片的最大直徑為300mm，國(guó)內(nèi)目前工程中使用的螺旋錨錨片直徑一般都在360mm以下螺旋錨基礎(chǔ)的上拔承載力主要由錨盤端阻提供，錨盤直徑越大則端阻越大，理論上來(lái)說(shuō)可以提供更大的承載力。但隨著錨盤直徑的增大，其自身的彎曲變形也同步增加，從而導(dǎo)致螺旋錨基礎(chǔ)在力的傳遞路徑等方面與小錨片基礎(chǔ)會(huì)有較大的差異。同時(shí)，群錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用下，各個(gè)單錨是否會(huì)相互干擾，以及干擾對(duì)上拔承載力的影響程度目前均未得到較系統(tǒng)的研究。綜上所述，本文基于在黏性土地區(qū)的多葉片大直徑單螺旋錨及群螺旋錨基礎(chǔ)靜載試驗(yàn)，研究螺旋錨基礎(chǔ)的上拔承載力；建立螺旋錨基礎(chǔ)精細(xì)化有限元模型，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的合理性；在此基礎(chǔ)上分析大葉片螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用下錨桿內(nèi)力以及側(cè)阻、葉片端阻的荷載分擔(dān)規(guī)律，闡明大錨片螺旋錨基礎(chǔ)力的傳遞路徑；并對(duì)比單錨和群錨在上拔承載力方面的相關(guān)性，從宏觀上分析群錨基礎(chǔ)中各個(gè)單錨的協(xié)同作用機(jī)制。2原地層環(huán)境分析本項(xiàng)目依托“河南駐馬店1000千伏特高壓變電站500千伏送出”工程，試驗(yàn)場(chǎng)地選在線路的實(shí)際塔位附近，位于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，地形平坦，地勢(shì)開(kāi)闊，試驗(yàn)場(chǎng)地如圖1所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探結(jié)果可知，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，可塑～硬塑，具中壓縮性。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，土質(zhì)呈褐黃、褐灰、灰黃等色，含鐵錳氧化物，零星見(jiàn)小鈣質(zhì)結(jié)核與蝸牛殼碎片，夾粉土。本項(xiàng)目中試驗(yàn)錨桿最大埋深位于9～12m，所以可將錨桿埋深范圍內(nèi)的土質(zhì)視為均勻分布的粉質(zhì)黏土。通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)得到場(chǎng)地土層相關(guān)的物理和力學(xué)參數(shù)如表1所示。3縱軸靜載試驗(yàn)與結(jié)果分析3.1原位現(xiàn)場(chǎng)螺旋錨盤及錨桿選型螺旋錨現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)布置如圖2(a)所示，現(xiàn)場(chǎng)采用塔位處的灌注樁基礎(chǔ)作為反力樁。本次共進(jìn)行了4個(gè)螺旋單錨和3個(gè)螺旋群錨上拔試驗(yàn)，螺旋單錨位于反力樁間的三等分點(diǎn)，螺旋群錨位于反力樁的中間位置處?，F(xiàn)場(chǎng)將反力梁與灌注樁上的地腳螺栓相連，千斤頂位于反力梁頂部，通過(guò)千斤頂帶動(dòng)傳力裝置為螺旋錨頂部施加拉力，如圖2(b)所示。螺旋錨抗拔靜載試驗(yàn)采用快速荷載維持法在現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)中，單2為埋深9m的兩盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(a)所示。單4為埋深9m的三盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(b)所示。單6為埋深12m的兩盤螺旋錨，加工尺寸同單2。單8初始設(shè)計(jì)為埋深12m的3盤螺旋錨，但在鉆入施工時(shí)由于土質(zhì)較硬，當(dāng)鉆入土層約9m時(shí)發(fā)現(xiàn)施工困難，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)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(jí)鋼材。群錨A和B三根錨桿與Z軸夾角分別為5°，25°和25°(偏轉(zhuǎn)方向見(jiàn)圖2)；群錨C三根錨桿與Z軸夾角均為15°，群錨露頭200mm，群錨埋深均為9m，錨盤和錨桿尺寸與單錨相同，如圖3所示。群錨承臺(tái)板厚度30mm，承臺(tái)板邊緣距離錨桿邊緣為50mm，錨桿頂部在承臺(tái)板上呈等邊三角形排布，間距為2.5倍錨桿直徑。3.2大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)荷載–位移關(guān)系分析對(duì)于單錨受拉的整個(gè)過(guò)程主要可以分為3個(gè)部分：開(kāi)始加載階段，基礎(chǔ)的荷載–位移曲線近似為線性變化；中間階段的曲線為非線性變化；后期階段，荷載–位移曲線再轉(zhuǎn)變?yōu)榻凭€性變化。可見(jiàn)，大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)的荷載–位移曲線特征與小錨盤的類似8號(hào)與4號(hào)均為3錨盤埋深為9m的螺旋錨基礎(chǔ)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果2號(hào)，4號(hào)和8號(hào)螺旋錨基礎(chǔ)的上拔–位移曲線比較接近，且均明顯低于6號(hào)螺旋錨基礎(chǔ)的曲線?？梢?jiàn)，螺旋錨基礎(chǔ)上拔承載力隨著基礎(chǔ)埋深的增大而增加，受錨盤數(shù)量的影響不大。本項(xiàng)目研究中，錨盤的間距為3倍的錨盤直徑，螺旋錨基礎(chǔ)上拔承載力不受錨盤數(shù)量影響的結(jié)論與姚敬宇等群錨A和C施加的荷載采用本項(xiàng)目依托工程中直線塔的基礎(chǔ)作用力，群錨B上拔試驗(yàn)中以荷載施加點(diǎn)豎向位移達(dá)到40mm為控制條件，試驗(yàn)曲線如圖5所示。按照規(guī)范4側(cè)摩阻對(duì)上拔承載力的影響在原位試驗(yàn)中，無(wú)法測(cè)得螺旋錨基礎(chǔ)上拔荷載作用下錨桿、錨盤的變形和內(nèi)力，也無(wú)法得到螺旋錨基礎(chǔ)周圍土所提供側(cè)摩阻對(duì)上拔承載力的作用。為了深入研究螺旋錨基礎(chǔ)的受力性能以及周圍土的變形特征，需要建立螺旋錨、土的整體精細(xì)化數(shù)值模型，對(duì)螺旋錨基礎(chǔ)和土進(jìn)行整體分析。4.1土體模型的接觸采用有限元軟件ABAQUS建立螺旋錨基礎(chǔ)與土的整體數(shù)值模型，如圖6所示。其中，在對(duì)螺旋錨盤與錨桿連接部分劃分網(wǎng)格時(shí)，需先將錨桿壁沿螺旋線進(jìn)行切割，以繪制出高質(zhì)量的網(wǎng)格，如圖6(a)所示。螺旋錨周圍一倍螺盤直徑內(nèi)的土單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)加密處理，如圖6(c)所示，其網(wǎng)格尺寸與錨桿網(wǎng)格尺寸一致。土體模型的四周施加兩個(gè)水平方向的位移約束，土體模型的底部施加2個(gè)方向的位移約束；螺旋錨基礎(chǔ)與土體之間建立接觸，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2個(gè)部分，分別是：接觸面的切向作用和法向作用為了消除土體邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，土體模型的邊界距最近錨盤的邊界凈間距≥10倍的錨盤直徑，土體模型的厚度取螺旋錨埋入土體深度的2倍。螺旋錨基礎(chǔ)的錨盤呈螺旋狀分布，與其相接觸的土體單元網(wǎng)格劃分質(zhì)量較差，影響數(shù)值分析的效率和精度。為了提高計(jì)算效率和收斂性，通常將螺旋盤簡(jiǎn)化成平盤進(jìn)行近似模擬將2種螺旋錨數(shù)值計(jì)算的荷載–位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示，2種數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合均較好，最大偏差約5%。所以，采用平盤形式的螺旋錨基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果不僅合理可靠，而且由于網(wǎng)格劃分質(zhì)量好，計(jì)算效率高，后續(xù)數(shù)值分析中均采用平盤螺旋錨基礎(chǔ)。4.2模型參數(shù)的選擇有限元模型中土體單元采用莫爾–庫(kù)侖模型，具體土體參數(shù)見(jiàn)表1所示，膨脹角的取值為內(nèi)摩擦角的0.5倍4.3初始地應(yīng)力分析為了得到數(shù)值模型合理的初始條件，在對(duì)錨桿進(jìn)行上拔受力分析前，需要先對(duì)土體單元進(jìn)行地應(yīng)力平衡分析。無(wú)初始應(yīng)力土體單元在重力作用下會(huì)發(fā)生較大的豎向變形，造成錨桿與土體間的接觸分析難以收斂，計(jì)算效率低甚至無(wú)法完成地應(yīng)力平衡分析。因此，在進(jìn)行地應(yīng)力平衡分析中的第一步不激活錨桿與土之間的接觸面，完成第一次分析之后激活接觸面，然后再進(jìn)行一到兩次的地應(yīng)力平衡分析，以得到最終精確的初始地應(yīng)力場(chǎng)。并且在后續(xù)螺旋錨基礎(chǔ)上拔受力分析中保持接觸面的激活，定義摩擦因數(shù)為0.14。本項(xiàng)目采用讀入初始應(yīng)力的方式完成地應(yīng)力平衡分析，該方法適用范圍廣，但是無(wú)法在分析中考慮土體自重對(duì)錨桿的水平壓力。完成地應(yīng)力平衡分析之后，由于土體與錨桿之間沒(méi)有初始擠壓力，側(cè)阻在分析過(guò)程中表現(xiàn)不明顯。為了較真實(shí)地模擬螺旋錨基礎(chǔ)在土體中的受力過(guò)程，本文首次采用接觸面的過(guò)盈分析來(lái)模擬基礎(chǔ)和土體接觸面上初始擠壓效應(yīng)，過(guò)盈量取錨桿的半徑。4.4荷載–位移曲線模型在完成上述兩步分析之后，初始地應(yīng)力場(chǎng)如圖9所示。對(duì)螺旋錨頂部中心點(diǎn)施加荷載以模擬現(xiàn)場(chǎng)的加載過(guò)程，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(duì)比，如圖10～13所示，兩者荷載–位移曲線擬合較好，數(shù)值模型是可靠的。其中，如圖10(b)所示，對(duì)于三盤單螺旋錨基礎(chǔ)在加載初期數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果完全重合，隨著荷載的增大，數(shù)值分析結(jié)果明顯大于試驗(yàn)結(jié)果，且大于兩盤單螺旋錨基礎(chǔ)，有限元分析的結(jié)果與現(xiàn)有的研究結(jié)論是相符的圖11～13中的水平荷載作用下的數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較低，主要原因是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)群錨承臺(tái)板焊接時(shí)需要挖除表層約0.5m厚的土為焊接提供操作空間，破壞了原狀土的特性，降低了土對(duì)錨桿的約束力。5縱載下螺釘臂的疲勞性能5.1錨盤側(cè)摩阻變化規(guī)律螺旋錨基礎(chǔ)通過(guò)錨桿將上部作用力傳遞至周圍土體中，作為該基礎(chǔ)類型的主要傳力路徑，錨桿在不同荷載大小下的內(nèi)力分布如圖14～16所示。由于錨桿直徑小、長(zhǎng)度大，整體表現(xiàn)出細(xì)柔的特性，在上拔荷載作用下錨桿以軸力為主，其他的內(nèi)力相比可忽略不計(jì)。影響錨桿軸力的主要因素有2個(gè)：土體側(cè)摩阻和錨片端阻。對(duì)于螺旋錨基礎(chǔ)，作用在錨桿上的側(cè)摩阻隨著基礎(chǔ)頂部施加上拔位移的增加而發(fā)生較明顯的變化。當(dāng)基礎(chǔ)處于位移施加的初始階段，施加上拔位移較小，此時(shí)位于區(qū)段(1)的軸力圖斜率基本為0，說(shuō)明此時(shí)側(cè)摩阻基本上沒(méi)有表現(xiàn)；隨著上拔位移的增大，區(qū)段(1)的斜率逐漸增大，說(shuō)明土體對(duì)錨桿的側(cè)摩阻占整個(gè)基礎(chǔ)的抗拔承載力比重加大。其中，圖14,16中區(qū)段(1)軸力變化斜率相當(dāng)，且均大于圖15中區(qū)段(1)軸力變化斜率，說(shuō)明錨盤數(shù)量的增多降低了錨桿側(cè)摩阻在基礎(chǔ)抗拔承載力中的比重。而對(duì)于圖14(a)中的區(qū)段(3)、圖15(a)中的區(qū)段(4)、圖16(a)中的區(qū)段(3)，該部分軸力都在0附近，說(shuō)明該區(qū)段以上的錨桿側(cè)阻和錨盤端阻基本上已經(jīng)全部抵消掉了上拔力作用。錨盤間的錨桿軸力與區(qū)段(1)中的軸力保持的相似的變化規(guī)律。在整個(gè)加載過(guò)程中，錨盤始終參與抵抗外部上拔荷載，并且隨著錨盤數(shù)量的增加，錨盤所在截面處，錨桿軸力的突變值減小。5.2上拔荷載作用下的側(cè)摩阻變形通過(guò)上述對(duì)錨桿的內(nèi)力分析可知，錨桿側(cè)阻在基礎(chǔ)抗拔過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。如圖17～19所示，錨桿側(cè)向摩阻力的變化規(guī)律與上述分析的一致。隨著螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的整體拔出位移加大，由于土體與螺旋錨的接觸面存在摩擦力，從而導(dǎo)致螺旋錨周邊的土體會(huì)隨著基礎(chǔ)一同發(fā)生向上的壓縮變形。隨著拉力的增大，土體的豎向壓縮也隨之增大，土體越來(lái)越密實(shí)并且對(duì)螺旋錨基礎(chǔ)的擠壓力也越來(lái)越大，錨桿的側(cè)摩阻也隨之增大。但沿著錨桿長(zhǎng)度方向，側(cè)摩阻并不是連續(xù)變化的，在錨盤附近錨桿的側(cè)摩阻通常會(huì)發(fā)生置零的突變。如圖17～19中的(b)所示，在上拔荷載作用下，錨盤會(huì)發(fā)生向上凸起的變形，變形后的錨片對(duì)周圍土體產(chǎn)生水平向外的擠壓，從而導(dǎo)致錨盤附近的土體與錨桿發(fā)生脫離(側(cè)向位移圖的箭頭向外)，脫離部分的錨桿側(cè)阻為0。并且對(duì)于區(qū)段(1)，錨桿的側(cè)阻在不同荷載等級(jí)條件下均呈現(xiàn)由0逐漸增大的變化趨勢(shì)，再加之上述錨盤附近的土體脫離，建議在計(jì)算螺旋錨基礎(chǔ)上拔承載力中錨桿側(cè)阻部分時(shí)需要進(jìn)行適當(dāng)折減。5.3錨桿長(zhǎng)度對(duì)基礎(chǔ)抗拔承載力的影響通過(guò)上述分析可知，螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載的作用下，主要由錨桿側(cè)摩阻和錨片端阻來(lái)提供抗力，如圖20所示。這兩部抗力占總抗拔力的比重隨著錨盤數(shù)量、基礎(chǔ)埋深的改變而發(fā)生變化，如圖21～23所示。螺旋錨基礎(chǔ)隨著埋深的加大，錨桿長(zhǎng)度增加，錨桿與周圍土體的接觸面積增大。所以，基礎(chǔ)抗拔承載力中的側(cè)摩阻所占的比重加大。如圖21,23所示，對(duì)于兩盤9m埋深的螺旋錨基礎(chǔ)，錨盤端阻占總抗拔承載力的比重為77%～81%；對(duì)于兩盤12m埋深的螺旋錨基礎(chǔ)，錨盤端阻占總抗拔承載力的比重為68%～74%，降低了約8%。螺旋錨基礎(chǔ)隨著錨盤數(shù)量的增加，錨盤端阻占基礎(chǔ)總抗拔承載力的比重加大。如圖21,22所示，對(duì)于三盤9m埋深的螺旋錨基礎(chǔ)，錨盤端阻占總抗拔承載力比重為83%～88%，比兩盤9m基礎(chǔ)增大了約6%。螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用增大的過(guò)程，不同錨片之間分擔(dān)的荷載基本是相等的，且錨片端阻分擔(dān)的荷載占螺旋錨基礎(chǔ)整個(gè)抵抗力的68%～88%5.4移曲線之間的關(guān)系通過(guò)上述分析可知，螺旋錨的上拔承載力主要由錨盤端阻和錨桿側(cè)阻提供，當(dāng)多個(gè)螺旋錨基礎(chǔ)通過(guò)承臺(tái)板連接組成群錨時(shí)，群錨的整體上拔荷載–位移曲線與單個(gè)螺旋錨的上拔荷載–位移曲線之間的關(guān)系如圖24,25所示。群錨是由3根單螺旋錨組成，將單螺旋錨對(duì)應(yīng)位移下的拉力放大3倍與群錨的相應(yīng)荷載進(jìn)行對(duì)比，如圖24(a),25(a)所示，相同位移下，3倍單錨上拔荷載與群錨上拔荷載相當(dāng)，說(shuō)明本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的群錨基礎(chǔ)中各個(gè)單錨可以獨(dú)立發(fā)揮作用，相互之間干擾較小。在相同的水平位移下，將單錨對(duì)應(yīng)的荷載放大3倍與群錨對(duì)應(yīng)的荷載進(jìn)行對(duì)比，如圖24(b),25(b)所示，前者明顯小于后者。對(duì)于群錨基礎(chǔ)，承臺(tái)板與螺旋錨之間是焊接連接，螺旋錨端部的約束可以較大程度上減小基礎(chǔ)的水平位移。6數(shù)值模型驗(yàn)證本文基于粉質(zhì)黏土地區(qū)大錨片螺旋錨基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析該類型基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的受力性能，得到以下結(jié)論：(1)螺旋錨基礎(chǔ)的上拔承載力主要有錨盤端阻和錨桿側(cè)摩阻組成，在數(shù)值分析中通過(guò)接觸面的過(guò)盈分析生成錨桿與周圍土體的初始擠壓力能夠較真實(shí)地反映螺旋錨基礎(chǔ)的實(shí)際受力，通過(guò)將數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性。(2)螺旋錨基礎(chǔ)在受上拔荷載作用過(guò)程中，錨桿以軸向拉力為主，其剪力和彎矩很小，可以忽略不計(jì)。錨桿側(cè)摩阻隨著上拔位移的增大而增大，并且由于錨盤的變形對(duì)周圍土體產(chǎn)生水平向外的擠壓效應(yīng)，錨桿側(cè)摩阻會(huì)在錨盤附近發(fā)生置零突變。(3)螺旋錨基礎(chǔ)隨著埋深的加大，錨桿長(zhǎng)度增加，錨桿與周圍土體的接觸面積增大，基礎(chǔ)抗拔承載力中的側(cè)摩阻所占的比重加大；螺旋錨基礎(chǔ)