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(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

在海洋平臺建設(shè)中鋼管樁基礎(chǔ)得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)殇摴軜秵螛痘A(chǔ)與其他類型的基礎(chǔ)型式相比具有承載力大、樁長便于調(diào)整、質(zhì)量能夠得到保證、施工速度快以及擠土效應(yīng)弱對周邊影響少等優(yōu)點(diǎn)。由于鋼管樁底部開口，在鋼管樁貫入土層的過程中，大量土體會進(jìn)入鋼管樁內(nèi)部，在鋼管樁內(nèi)形成土塞。而由于鋼管樁內(nèi)部存在大體積的土塞，使得大直徑鋼管樁承載特性變得較為復(fù)雜。所以需要在考慮土塞效應(yīng)的情況下，通過改變各項(xiàng)控制因素來探索其對鋼管樁基礎(chǔ)承載力的影響。文章通過ANSYS有限元軟件，分析鋼管樁不同壁厚對其承載力的影響。

1 理論分析

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)中鋼管樁單樁豎向極限承載力公式：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp[4](1)

(2)

(3)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qsk為單樁總極限側(cè)阻力；Qpk為單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；qsik為單樁第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁端面積；λp為樁端土塞效應(yīng)系數(shù)，對于閉口鋼管樁λp=1，對于敞口鋼管樁按式(2)、(3)取值；li為單樁第i層土樁身長度；hb—樁端進(jìn)入持力層深度；d為鋼管樁外徑；

從上述公式可以發(fā)現(xiàn)，沒有考慮鋼管樁壁厚對其單樁豎向極限承載力的影響。而改變鋼管樁壁厚會使樁體端部面積增大使得樁端承載力發(fā)生改變。同時(shí)減少了鋼管樁內(nèi)土體與鋼管樁的接觸面積和鋼管樁內(nèi)土體量等，從而對樁體的土塞效應(yīng)造成影響。而土塞效應(yīng)的改變也會使鋼管樁的單樁豎向極限承載力發(fā)生改變。

在工程實(shí)踐中，鋼管樁的豎向承載力計(jì)算一直是個(gè)難題，而承載力計(jì)算其中之一關(guān)鍵點(diǎn)是如何考慮土塞效應(yīng)。因此在分析鋼管樁的單樁豎向極限承載力前，首先要對其土塞效應(yīng)進(jìn)行判斷。根據(jù)土塞效應(yīng)在鋼管樁樁體內(nèi)的受力特點(diǎn)，一般可分為完全閉塞和不完全閉塞。當(dāng)鋼管樁完全閉塞時(shí)，鋼管樁此時(shí)的狀態(tài)會像閉口樁一樣將周圍土體排開因此改變壁厚時(shí)其樁底面積也不會改變，鋼管樁的豎向承載力也將不會發(fā)生改變。而不完全閉塞則是樁體貫入過程中土體繼續(xù)涌入，土塞高度不斷增加，相對于樁有一定的位移。對于大直徑鋼管樁幾乎不向樁周排土,擠土效應(yīng)非常弱,在樁體貫入的過程中土塞效應(yīng)完全閉塞的可能性非常小。但由于海洋平臺基礎(chǔ)建設(shè)所用到的鋼管樁的直徑和貫入度較大，所以即使土的閉塞效應(yīng)很小，但是大體積的土芯依然會對承載力造成影響。

對于土塞效應(yīng)的判斷，國內(nèi)外已有許多代表性的土塞效應(yīng)計(jì)算方法，如：小泉法、改進(jìn)靜力平衡法等。其中小泉法比較直觀的反應(yīng)了壁厚對樁體土塞效應(yīng)的影響，因此下面對小泉法進(jìn)行介紹。這種方法是在考慮了樁土閉塞效應(yīng)的基礎(chǔ)上將有效面積換成代表樁端封閉面積的辦法：

(4)

(5)

(6)

式(6)中α即為閉塞率

同時(shí)通過上式也可以非常直觀的發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼管樁壁厚增加時(shí)其開口樁的閉塞率與樁端有效面積增大。最終使得樁端極限承載力增大。

2 數(shù)值模型的選用及建立

2.1.1 樁體模型

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件建立三維實(shí)體模型，采用SOLID65實(shí)體單元。樁體采用線彈性模型，彈性模量E為210GPa，泊松比為0.25，密度為8010kg/m3。樁體外徑為1m，壁厚選取0.05m-0.09m。樁長20m，入土深度15m。

2.1.2 土體模型

土體模型采用圓柱體，徑向范圍取 10倍樁徑[4]，為10m，鋼管樁內(nèi)土體高度為10m。土體單元為SOLID65，彈性模量E為0.25GPa，泊松比為0.4，密度為2000kg/m3，黏聚力為19，摩擦角取為32°，膨脹角為30°。對樁身與土體的作用進(jìn)行接觸分析，接觸面上的剛體目標(biāo)面為TARGE170，接觸面為CONTA173單元。設(shè)置鋼管樁管內(nèi)的摩擦系數(shù)MU為0.2。具體工況如表1所示。網(wǎng)格劃分時(shí)盡可能保證均勻，如圖1所示。

表1 模擬工況 m

2.2 加載方法及分析步驟

將豎向荷載定義為表面荷載均勻地施加在鋼管樁樁頂，此時(shí)鋼管樁在豎向力作用下產(chǎn)生相應(yīng)的沉降位移。施加豎向荷載為4 MPa，加載方式為逐級加載，共分8級，每級加載0.5MPa。重力加速度g設(shè)為9.8m/s2。以模型頂端沉降位移為觀察對象繪制Q-S曲線，從而研究荷載位移情況。

圖1 ANSYS有限元模型

2.3 模型分析

通過對5種不同壁厚鋼管樁進(jìn)行逐級加載得到各尺寸各級Y方向樁頂沉降位移云圖，限于篇幅每種尺寸位移云圖只列出其關(guān)鍵點(diǎn)的位移云圖如圖2～6所示：

將過程中每級加載的面荷載換算為加載的壓力，再根據(jù)之前逐級加載得到的各尺寸鋼管樁的位移云圖繪制荷載—位移曲線如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)幾項(xiàng)Q-S曲線皆為典型的陡降曲線。根據(jù)(JGJ106-2014) 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范可知單樁豎向極限承載力可根據(jù)沉降隨荷載變化的特征確定：對于陡降型Q-S曲線，應(yīng)取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的荷載值。

圖2 0.05m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖3 0.06m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖4 0.07m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

通過上述各圖變化曲線確定其最大豎向荷載并進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果如表2所示：

表2 各尺寸鋼管樁豎向承載力

從上表可以看出樁頂承載力隨管樁壁厚增加而增大，采用數(shù)值分析中的最小二乘法分別使用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和多項(xiàng)式等5種常用函數(shù)形式對其變化趨勢進(jìn)行擬合[6]。各函數(shù)擬合曲線如圖8所示。圖中各函數(shù)為擬合函數(shù)，R2代表其相關(guān)系數(shù)。

圖5 0.08m厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖6 0.09m壁厚鋼管樁Y方向位移云圖

圖7 各尺寸壁厚鋼管樁Q-S曲線

圖8 各函數(shù)擬合曲線

根據(jù)上圖可以看出指數(shù)函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)較低只有0.921。剩余四種擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)都在0.94以上。對數(shù)函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)值最高為0.9486，但線性函數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)也高達(dá)0.9448和0.9478差距很小。通過對擬合函數(shù)的使用便捷性和相關(guān)性的綜合考慮，選擇線性函數(shù)為樁壁厚度和樁頂?shù)呢Q向承載力的關(guān)系式。

3 結(jié) 論

通過理論分析和建立的ANSYS有限元分析模型及其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析論述得出以下結(jié)論：

(1)通過小泉法判斷鋼管樁的土塞效應(yīng)。鋼管樁在不完全閉塞情況下，鋼管樁的豎向承載力隨著壁厚的增加而增大。但是壁厚增大會使樁體貫入難度增大以及經(jīng)濟(jì)成本增加。因此在工程中應(yīng)當(dāng)合理選擇管樁的尺寸。

(2)通過分析了在地質(zhì)相同、土塞高度相同和樁端進(jìn)入持力層深度相同情況下，樁體豎向承載力隨樁壁厚改變的變化趨勢。對變化趨勢采用各種常見函數(shù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)線性函數(shù)的相關(guān)系數(shù)較高且便于研究使用。判斷樁體豎向承載力與樁體壁厚為線性函數(shù)關(guān)系。而《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)中鋼管樁單樁豎向極限承載力計(jì)算公式并沒有考慮壁厚變化帶來的影響。因此當(dāng)樁體壁厚變化時(shí)可根據(jù)樁端豎向承載力隨壁厚的變化趨勢加入比例系數(shù)，為今后考慮壁厚變化情況下的大直徑鋼管樁豎向承載力計(jì)算提供參考。