大锚盘螺旋锚基础上拔受力性能的精细化有限元分析

大锚盘螺旋锚基础上拔受力性能的精细化有限元分析

1螺旋锚基础的稳定性分析旋转锚基础采用机械化施工，施工周期长。施工中无土，不需要泥浆池，对环境和环境的影响小。如果没有维护周期，基础施工可以结束。采用工艺预制法，基本质量稳定。所以，螺旋锚基础广泛应用于输电线路、民用建筑以及海洋工程等多项领域目前螺旋锚基础在国内外输电线路领域中已进行了一定的探索性应用上述对螺旋锚的研究中，锚片的最大直径为300mm，国内目前工程中使用的螺旋锚锚片直径一般都在360mm以下螺旋锚基础的上拔承载力主要由锚盘端阻提供，锚盘直径越大则端阻越大，理论上来说可以提供更大的承载力。但随着锚盘直径的增大，其自身的弯曲变形也同步增加，从而导致螺旋锚基础在力的传递路径等方面与小锚片基础会有较大的差异。同时，群锚基础在上拔荷载作用下，各个单锚是否会相互干扰，以及干扰对上拔承载力的影响程度目前均未得到较系统的研究。综上所述，本文基于在黏性土地区的多叶片大直径单螺旋锚及群螺旋锚基础静载试验，研究螺旋锚基础的上拔承载力；建立螺旋锚基础精细化有限元模型，通过与现场静载试验结果对比，验证有限元模型的合理性；在此基础上分析大叶片螺旋锚基础在上拔荷载作用下锚杆内力以及侧阻、叶片端阻的荷载分担规律，阐明大锚片螺旋锚基础力的传递路径；并对比单锚和群锚在上拔承载力方面的相关性，从宏观上分析群锚基础中各个单锚的协同作用机制。2原地层环境分析本项目依托“河南驻马店1000千伏特高压变电站500千伏送出”工程，试验场地选在线路的实际塔位附近，位于河南省驻马店市上蔡县蔡沟乡。该地区处于淮河冲洪积平原地带，地形平坦，地势开阔，试验场地如图1所示。通过现场静力触探结果可知，地层土质较均匀，从地表至31.5m深度处以粉质黏土为主，可塑～硬塑，具中压缩性。其中地表1.0～2.0m为耕土，深度14.5～16.5m范围内局部为粉土，土质呈褐黄、褐灰、灰黄等色，含铁锰氧化物，零星见小钙质结核与蜗牛壳碎片，夹粉土。本项目中试验锚杆最大埋深位于9～12m，所以可将锚杆埋深范围内的土质视为均匀分布的粉质黏土。通过室内土工试验得到场地土层相关的物理和力学参数如表1所示。3纵轴静载试验与结果分析3.1原位现场螺旋锚盘及锚杆选型螺旋锚现场原位试验布置如图2(a)所示，现场采用塔位处的灌注桩基础作为反力桩。本次共进行了4个螺旋单锚和3个螺旋群锚上拔试验，螺旋单锚位于反力桩间的三等分点，螺旋群锚位于反力桩的中间位置处。现场将反力梁与灌注桩上的地脚螺栓相连，千斤顶位于反力梁顶部，通过千斤顶带动传力装置为螺旋锚顶部施加拉力，如图2(b)所示。螺旋锚抗拔静载试验采用快速荷载维持法在现场原位试验中，单2为埋深9m的两盘螺旋锚，具体尺寸如图3(a)所示。单4为埋深9m的三盘螺旋锚，具体尺寸如图3(b)所示。单6为埋深12m的两盘螺旋锚，加工尺寸同单2。单8初始设计为埋深12m的3盘螺旋锚，但在钻入施工时由于土质较硬，当钻入土层约9m时发现施工困难，现场临时改为埋深为9m的三盘螺旋锚。螺旋锚锚盘和锚杆均采用Q345B级钢材。群锚A和B三根锚杆与Z轴夹角分别为5°，25°和25°(偏转方向见图2)；群锚C三根锚杆与Z轴夹角均为15°，群锚露头200mm，群锚埋深均为9m，锚盘和锚杆尺寸与单锚相同，如图3所示。群锚承台板厚度30mm，承台板边缘距离锚杆边缘为50mm，锚杆顶部在承台板上呈等边三角形排布，间距为2.5倍锚杆直径。3.2大锚盘螺旋锚基础荷载–位移关系分析对于单锚受拉的整个过程主要可以分为3个部分：开始加载阶段，基础的荷载–位移曲线近似为线性变化；中间阶段的曲线为非线性变化；后期阶段，荷载–位移曲线再转变为近似线性变化。可见，大锚盘螺旋锚基础的荷载–位移曲线特征与小锚盘的类似8号与4号均为3锚盘埋深为9m的螺旋锚基础，根据试验结果2号，4号和8号螺旋锚基础的上拔–位移曲线比较接近，且均明显低于6号螺旋锚基础的曲线。可见，螺旋锚基础上拔承载力随着基础埋深的增大而增加，受锚盘数量的影响不大。本项目研究中，锚盘的间距为3倍的锚盘直径，螺旋锚基础上拔承载力不受锚盘数量影响的结论与姚敬宇等群锚A和C施加的荷载采用本项目依托工程中直线塔的基础作用力，群锚B上拔试验中以荷载施加点竖向位移达到40mm为控制条件，试验曲线如图5所示。按照规范4侧摩阻对上拔承载力的影响在原位试验中，无法测得螺旋锚基础上拔荷载作用下锚杆、锚盘的变形和内力，也无法得到螺旋锚基础周围土所提供侧摩阻对上拔承载力的作用。为了深入研究螺旋锚基础的受力性能以及周围土的变形特征，需要建立螺旋锚、土的整体精细化数值模型，对螺旋锚基础和土进行整体分析。4.1土体模型的接触采用有限元软件ABAQUS建立螺旋锚基础与土的整体数值模型，如图6所示。其中，在对螺旋锚盘与锚杆连接部分划分网格时，需先将锚杆壁沿螺旋线进行切割，以绘制出高质量的网格，如图6(a)所示。螺旋锚周围一倍螺盘直径内的土单元划分网格时加密处理，如图6(c)所示，其网格尺寸与锚杆网格尺寸一致。土体模型的四周施加两个水平方向的位移约束，土体模型的底部施加2个方向的位移约束；螺旋锚基础与土体之间建立接触，接触面的本构关系即为相互作用的力学模型，其中包括2个部分，分别是：接触面的切向作用和法向作用为了消除土体边界条件对计算结果的影响，土体模型的边界距最近锚盘的边界净间距≥10倍的锚盘直径，土体模型的厚度取螺旋锚埋入土体深度的2倍。螺旋锚基础的锚盘呈螺旋状分布，与其相接触的土体单元网格划分质量较差，影响数值分析的效率和精度。为了提高计算效率和收敛性，通常将螺旋盘简化成平盘进行近似模拟将2种螺旋锚数值计算的荷载–位移曲线与试验结果进行对比，如图8所示，2种数值模型的计算结果与试验结果吻合均较好，最大偏差约5%。所以，采用平盘形式的螺旋锚基础进行数值分析，结果不仅合理可靠，而且由于网格划分质量好，计算效率高，后续数值分析中均采用平盘螺旋锚基础。4.2模型参数的选择有限元模型中土体单元采用莫尔–库仑模型，具体土体参数见表1所示，膨胀角的取值为内摩擦角的0.5倍4.3初始地应力分析为了得到数值模型合理的初始条件，在对锚杆进行上拔受力分析前，需要先对土体单元进行地应力平衡分析。无初始应力土体单元在重力作用下会发生较大的竖向变形，造成锚杆与土体间的接触分析难以收敛，计算效率低甚至无法完成地应力平衡分析。因此，在进行地应力平衡分析中的第一步不激活锚杆与土之间的接触面，完成第一次分析之后激活接触面，然后再进行一到两次的地应力平衡分析，以得到最终精确的初始地应力场。并且在后续螺旋锚基础上拔受力分析中保持接触面的激活，定义摩擦因数为0.14。本项目采用读入初始应力的方式完成地应力平衡分析，该方法适用范围广，但是无法在分析中考虑土体自重对锚杆的水平压力。完成地应力平衡分析之后，由于土体与锚杆之间没有初始挤压力，侧阻在分析过程中表现不明显。为了较真实地模拟螺旋锚基础在土体中的受力过程，本文首次采用接触面的过盈分析来模拟基础和土体接触面上初始挤压效应，过盈量取锚杆的半径。4.4荷载–位移曲线模型在完成上述两步分析之后，初始地应力场如图9所示。对螺旋锚顶部中心点施加荷载以模拟现场的加载过程，得到锚顶荷载–位移曲线。将数值分析结果与试验结果进行对比，如图10～13所示，两者荷载–位移曲线拟合较好，数值模型是可靠的。其中，如图10(b)所示，对于三盘单螺旋锚基础在加载初期数值分析结果与试验结果完全重合，随着荷载的增大，数值分析结果明显大于试验结果，且大于两盘单螺旋锚基础，有限元分析的结果与现有的研究结论是相符的图11～13中的水平荷载作用下的数值分析结果与试验结果吻合度较低，主要原因是现场对群锚承台板焊接时需要挖除表层约0.5m厚的土为焊接提供操作空间，破坏了原状土的特性，降低了土对锚杆的约束力。5纵载下螺钉臂的疲劳性能5.1锚盘侧摩阻变化规律螺旋锚基础通过锚杆将上部作用力传递至周围土体中，作为该基础类型的主要传力路径，锚杆在不同荷载大小下的内力分布如图14～16所示。由于锚杆直径小、长度大，整体表现出细柔的特性，在上拔荷载作用下锚杆以轴力为主，其他的内力相比可忽略不计。影响锚杆轴力的主要因素有2个：土体侧摩阻和锚片端阻。对于螺旋锚基础，作用在锚杆上的侧摩阻随着基础顶部施加上拔位移的增加而发生较明显的变化。当基础处于位移施加的初始阶段，施加上拔位移较小，此时位于区段(1)的轴力图斜率基本为0，说明此时侧摩阻基本上没有表现；随着上拔位移的增大，区段(1)的斜率逐渐增大，说明土体对锚杆的侧摩阻占整个基础的抗拔承载力比重加大。其中，图14,16中区段(1)轴力变化斜率相当，且均大于图15中区段(1)轴力变化斜率，说明锚盘数量的增多降低了锚杆侧摩阻在基础抗拔承载力中的比重。而对于图14(a)中的区段(3)、图15(a)中的区段(4)、图16(a)中的区段(3)，该部分轴力都在0附近，说明该区段以上的锚杆侧阻和锚盘端阻基本上已经全部抵消掉了上拔力作用。锚盘间的锚杆轴力与区段(1)中的轴力保持的相似的变化规律。在整个加载过程中，锚盘始终参与抵抗外部上拔荷载，并且随着锚盘数量的增加，锚盘所在截面处，锚杆轴力的突变值减小。5.2上拔荷载作用下的侧摩阻变形通过上述对锚杆的内力分析可知，锚杆侧阻在基础抗拔过程中发挥着重要的作用。如图17～19所示，锚杆侧向摩阻力的变化规律与上述分析的一致。随着螺旋锚基础在上拔荷载作用下的整体拔出位移加大，由于土体与螺旋锚的接触面存在摩擦力，从而导致螺旋锚周边的土体会随着基础一同发生向上的压缩变形。随着拉力的增大，土体的竖向压缩也随之增大，土体越来越密实并且对螺旋锚基础的挤压力也越来越大，锚杆的侧摩阻也随之增大。但沿着锚杆长度方向，侧摩阻并不是连续变化的，在锚盘附近锚杆的侧摩阻通常会发生置零的突变。如图17～19中的(b)所示，在上拔荷载作用下，锚盘会发生向上凸起的变形，变形后的锚片对周围土体产生水平向外的挤压，从而导致锚盘附近的土体与锚杆发生脱离(侧向位移图的箭头向外)，脱离部分的锚杆侧阻为0。并且对于区段(1)，锚杆的侧阻在不同荷载等级条件下均呈现由0逐渐增大的变化趋势，再加之上述锚盘附近的土体脱离，建议在计算螺旋锚基础上拔承载力中锚杆侧阻部分时需要进行适当折减。5.3锚杆长度对基础抗拔承载力的影响通过上述分析可知，螺旋锚基础在上拔荷载的作用下，主要由锚杆侧摩阻和锚片端阻来提供抗力，如图20所示。这两部抗力占总抗拔力的比重随着锚盘数量、基础埋深的改变而发生变化，如图21～23所示。螺旋锚基础随着埋深的加大，锚杆长度增加，锚杆与周围土体的接触面积增大。所以，基础抗拔承载力中的侧摩阻所占的比重加大。如图21,23所示，对于两盘9m埋深的螺旋锚基础，锚盘端阻占总抗拔承载力的比重为77%～81%；对于两盘12m埋深的螺旋锚基础，锚盘端阻占总抗拔承载力的比重为68%～74%，降低了约8%。螺旋锚基础随着锚盘数量的增加，锚盘端阻占基础总抗拔承载力的比重加大。如图21,22所示，对于三盘9m埋深的螺旋锚基础，锚盘端阻占总抗拔承载力比重为83%～88%，比两盘9m基础增大了约6%。螺旋锚基础在上拔荷载作用增大的过程，不同锚片之间分担的荷载基本是相等的，且锚片端阻分担的荷载占螺旋锚基础整个抵抗力的68%～88%5.4移曲线之间的关系通过上述分析可知，螺旋锚的上拔承载力主要由锚盘端阻和锚杆侧阻提供，当多个螺旋锚基础通过承台板连接组成群锚时，群锚的整体上拔荷载–位移曲线与单个螺旋锚的上拔荷载–位移曲线之间的关系如图24,25所示。群锚是由3根单螺旋锚组成，将单螺旋锚对应位移下的拉力放大3倍与群锚的相应荷载进行对比，如图24(a),25(a)所示，相同位移下，3倍单锚上拔荷载与群锚上拔荷载相当，说明本项目设计中的群锚基础中各个单锚可以独立发挥作用，相互之间干扰较小。在相同的水平位移下，将单锚对应的荷载放大3倍与群锚对应的荷载进行对比，如图24(b),25(b)所示，前者明显小于后者。对于群锚基础，承台板与螺旋锚之间是焊接连接，螺旋锚端部的约束可以较大程度上减小基础的水平位移。6数值模型验证本文基于粉质黏土地区大锚片螺旋锚基础的现场静载试验和数值模拟，分析该类型基础在上拔荷载作用下的受力性能，得到以下结论：(1)螺旋锚基础的上拔承载力主要有锚盘端阻和锚杆侧摩阻组成，在数值分析中通过接触面的过盈分析生成锚杆与周围土体的初始挤压力能够较真实地反映螺旋锚基础的实际受力，通过将数值分析结果与试验结果对比，验证了数值模型的合理性。(2)螺旋锚基础在受上拔荷载作用过程中，锚杆以轴向拉力为主，其剪力和弯矩很小，可以忽略不计。锚杆侧摩阻随着上拔位移的增大而增大，并且由于锚盘的变形对周围土体产生水平向外的挤压效应，锚杆侧摩阻会在锚盘附近发生置零突变。(3)螺旋锚基础随着埋深的加大，锚杆长度增加，锚杆与周围土体的接触面积增大，基础抗拔承载力中的侧摩阻所占的比重加大；螺旋锚基础