基于数值模拟的异形截面薄壁钢桩水平向承载特性研究

基于数值模拟的异形截面薄壁钢桩水平向承载特性研究

为了充分利用材料的力学特性，在实际工程中，为了扩大桩侧表面和水平截面宽度的形状截面桩的应用，越来越多地使用方罐注射。当前研究主要针对现浇混凝土异形截面桩的竖向承载力特性，如张敏霞等众多学者研究了混凝土桩的异形效应，但对钢桩异形效应的研究很少，尤其是水平受荷钢桩．然而相比混凝土桩，钢桩具有整体性能好、水平承载能力强、施工便捷等优势，在港口码头、跨海大桥、土体滑坡治理、近海风力发电塔等工程中得到了广泛应用因此，本文选取钢材作为桩身材料，针对空芯圆桩、空芯方桩及X形桩，以桩身材料用量守恒为基本原则，即在长度相同的条件下，不同截面桩身用钢量相等，通过对比水平承载力和桩身最大弯矩等，初步探讨不同截面桩的水平受荷反应特征之间的差异与联系，从而为实际工程在桩基选型方面提供参考．1土体弹塑性本构采用有限元软件ABAQUS模拟密实砂土中水平受荷桩的反应性状．在有限元模型中，土体采用服从Mohr-Coulomb屈服准则的理想弹塑性本构模拟2桩身截面尺寸桩身材料守恒原则即在材料用量相等的前提下，通过改变桩身横截面型式，得到不同几何形状的桩基．设计了3种不同薄壁桩型，分别是：空芯圆桩、空芯方桩和X形桩，以下简称圆桩、方桩和X桩．基于材料守恒原则，保持不同桩身截面面积相等，且在加载方向桩基的外径D或外宽度B相等，见图2，图中朝上箭头表示加载方向．对于截面尺寸，对实际工程中常用钢管桩的径厚比（外径与壁厚之比）进行统计，并参考美国石油协会推荐的API规范为研究桩长的影响特征，针对每一桩型设计了2种不同嵌固深度L式中：E文中地基土的杨氏模量虽然沿深度变化，但在桩埋深范围内，E国内依据桩的水平变形系数α判断刚柔性桩3分析与讨论3.1传统桩型与基准间的差异3种桩型在泥面处的荷载-位移（分别记作F为了量化其中的水平承载力差异，以传统的圆桩为基准，衡量其余桩型与基准之间的差异，据此定义承载力偏差系数λ式中：F3.2半刚性桩的特性从两个角度来分析桩身变形曲线．第一个是控制桩顶荷载F对于水平受荷桩而言，水平承载力主要由两方面提供：土体水平抗力及桩身抗弯刚度．当水平土抗力、桩身抗弯刚度越大时，水平承载力越高，换言之，当水平土抗力、桩身抗弯刚度越大时，其水平方向抗变形能力越强，桩身变形会越小．实际工程中，刚性桩的水平承载力一般由前者控制，而柔性桩的水平承载力一般由后者控制．c1、r1、x1虽是半刚性桩，但表现出的桩身变形特性与刚性桩接近，即绕着土体某深度处一点发生转动，见图5a或图5c.图5a为半刚性桩，当桩顶荷载相同时，桩身变形大小有差异，而且桩身变形的排序与截面惯性矩的排序不一致，这可能是因为所受到的土体抗力不一样．方桩和X桩的桩身变形比圆桩更小，表明在任意深度处，由单位水平变形引起的土体抗力前两者要大于第三者．这就说明，对于半刚性桩，其抗变形能力主要取决于截面形状，而与截面惯性矩的大小无必然联系；采用X桩或方桩等异形截面，其抗变形能力大于圆桩，因此桩基水平承载力得到提高．反观柔性桩，见图5b，其桩身变形曲线排序与截面惯性矩排序一致．这可能是由于在变形零点处以下桩身变形很小，相当于嵌固作用，因此抗变形控制性因素转变为抗弯刚度．材质均为钢材，则抗弯刚度仅取决于截面惯性矩．如果截面惯性矩比圆桩小，则抗变形能力和桩基承载力也会相应比圆桩低．这一点与图4表现出的规律一致．从图5c、图5d可知，在泥面处位移相同的前提下，3种桩型的桩身变形基本一致．此处得到的重要结论是，在X桩或方桩等异形截面桩缺乏桩身变形计算公式的情况下，可以通过圆桩的桩身变形估算．3.3最大弯矩深度图6为3种桩型桩身弯矩对比，分别选取归一化泥面处位移y由图6可见，对于L式中：M根据这一公式，可得λ可见对于L最大弯矩的深度见表4．可见对于半刚性桩，最大弯矩深度稳定在z=2.5D；对于柔性桩，圆桩和方桩的最大弯矩深度由浅（z=2.5D）到深（z=3.0D）发展，而X桩仍保持在z=2.5D.4桩身变形刚度通过数值模拟，研究在相同材料及用量的情况下，3种不同桩型（空芯圆桩、空芯方桩及X形桩）的水平受荷反应特性．通过对比分析，得到各桩型的桩基承载力、桩身变形与内力随变形的变化规律，及异同，从而为实际工程中桩型选择提供重要的参考依据．主要结论如下．1）从水平承载力特性来看，对于半刚性桩，X桩或方桩等异形截面桩基水平承载力均优于传统圆桩，其中方桩的承载力比圆桩高9%，而X桩与圆桩承载力的差异随着变形在增大，最大可达11%．对于柔性桩，方桩承载力比圆桩高15%，而X桩最小；对柔性桩而言，X桩并不能提高桩基水平承载力．2）半刚性桩的抗变形能力主要取决于截面形状所引起的土体抗力，而柔性桩的抗变形能力主要取决于桩身抗弯刚度．如果抗弯刚度小于圆桩，则采用异形截面无法达到提高承载力的效果．在实际工程设计中，可通过圆桩桩身变形估算X桩或方桩等异形截面桩的桩身变形．3）泥面处变形相同时，桩身最大弯矩从大到小依次是：方桩、圆桩、X桩．对于半刚性桩，随着桩身变形增大，3者之间的差距在减小；当泥面处变形大于15%倍桩宽时，可认为3种桩型的最大弯矩基本一致；对于柔性桩，方桩最大弯矩比圆桩高15%,X桩最大弯矩比圆桩低20%，且两者