韋源源,楊 過,龔俊杰,童任遠(yuǎn)
(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)
板樁作為一種常用的擋土結(jié)構(gòu),在水利、建筑等工程中有著廣泛的應(yīng)用,當(dāng)前常用的板樁主要有鋼板樁、木樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁等[1]。隨著高分子材料的發(fā)展,利用新型高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料應(yīng)用于板樁成為當(dāng)前研究、應(yīng)用的熱點(diǎn)。新型高分子聚合物板樁相對傳統(tǒng)板樁具有質(zhì)量輕、方便施工、環(huán)保、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),在水利工程建設(shè)中將會有較多的應(yīng)用[2-3]。由于新型高分子聚合物板樁的設(shè)計(jì)、應(yīng)用尚未成熟,沒有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可參考,因此對于其結(jié)構(gòu)性能研究具有重要意義[4-5]。
高分子聚合物板樁是以PVC為主材料,配以多種功能型化學(xué)助劑經(jīng)原位聚合、擠出成型而制成的產(chǎn)品[6],其結(jié)構(gòu)形式主要分為“π”型板以及方樁兩種,如圖1所示。每塊板、樁設(shè)計(jì)有獨(dú)立的“C”型、“T”型接頭,板、樁通過接頭的任意拼裝組合使結(jié)構(gòu)獲得不同抗彎剛度,以滿足不同擋土高度的設(shè)計(jì)要求,板、樁組合形式如圖2所示。
圖1 高分子聚合物板樁模型
圖2 高分子聚合物板、樁組合形式
為了了解產(chǎn)品材料性能并為結(jié)構(gòu)分析提供參數(shù),對生產(chǎn)的高分子聚合物板樁取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1040.2—2006《塑料拉伸性能的測定第2部分:模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》、GB/T9341—2008《塑料彎曲性能的測定》測定板樁材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量等參數(shù),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 高分子聚合物板樁材料性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)高分子聚合物板樁的運(yùn)用特點(diǎn)、擋土高度、施工工藝及其設(shè)備條件、周邊相近條件支護(hù)工程的工程經(jīng)驗(yàn)、施工周期等情況考慮該板樁主要采用懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu),如圖3所示。
圖3 板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)
基于土力學(xué)理論,參照《鋼板樁支護(hù)技術(shù)規(guī)程》對高分子聚合物板樁進(jìn)行受力分析,主要考慮板樁一側(cè)無水壓力作用、一側(cè)擋土的工況,該工況下板樁主要承受側(cè)向土壓力、下曳力以及自重[7],側(cè)向土壓力、下曳力示意圖如圖4所示。
圖4 側(cè)向土壓力、下曳力示意圖
(1)對于地下水位以上板樁和地下水位以下板樁側(cè)向土壓力計(jì)算公式分別為:
Fep,k=KαγsZ
.
(1)
Fep,k′=Kα[γsZw+γs′(Z-Zw)]
.
(2)
其中:Fep,k為地下水位以上側(cè)向主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;Kα為主動土壓力系數(shù),根據(jù)土質(zhì)情況取1/3;γs為地下水位以上回填土的有效重度,kN/m3;Z為地面到計(jì)算截面處的深度,m;Fep,k′為地下水位以下側(cè)向主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;Zw為地面到地下水位的距離,m;γs′為地下水位以下回填土的有效重度,kN/m3。
(2)下曳力計(jì)算公式為:
TA=μ(Fep,K1+Fep,K2)/2.
(3)
其中:TA為板樁單位面積上的平均下曳力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;μ為板樁與回填土間的摩擦因數(shù),根據(jù)土質(zhì)情況取0.26;Fep,K1為板樁頂部側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;Fep,K2為板樁底部側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa。
為了研究高分子聚合物板樁的擋土性能,利用有限元分析軟件ANSYS Workbench模擬板樁在不同組合、不同擋土高度下的應(yīng)力、變形情況,考察高分子聚合物板樁的實(shí)際使用效果。有限元分析工況如表2所示。
表2 有限元分析工況
建立高分子聚合物板樁三維模型,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,純板組合形式下,擋土高為1 m時(shí)的高分子聚合物板樁有限元分析模型如圖5所示,共劃分為2 192 612個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 299 751個(gè)單元。
圖5 高分子聚合物板樁有限元分析模型
對板樁施加側(cè)向土壓力及下曳力,得到純板組合形式下不同擋土高度的板樁變形和應(yīng)力云圖,如圖6和圖7所示。由有限元計(jì)算結(jié)果可知,在純板組合形式下,擋土高度為1 m時(shí),板樁最大變形為4.674 mm,最大應(yīng)力為1.441 MPa;擋土高度為2 m時(shí),板樁最大變形為52.177 mm,最大應(yīng)力為10.951 MPa。
圖6 純板組合形式下不同擋土高度時(shí)板樁變形云圖
圖7 純板組合形式下不同擋土高度時(shí)板樁應(yīng)力云圖
不同板樁組合形式下,不同擋土高度時(shí)板樁的最大變形和最大應(yīng)力值如表3所示。
表3 不同板樁組合形式下不同擋土高度時(shí)的有限元分析結(jié)果
通過有限元分析可以發(fā)現(xiàn)新型高分子聚合物板樁在擋土過程中整體應(yīng)力較小,純板組合擋土2 m,應(yīng)力最大為10.951 MPa,遠(yuǎn)小于材料的拉伸強(qiáng)度;變形最大為52.177 mm,與傳統(tǒng)鋼板樁、混凝土擋土墻等相比變形大,但能滿足工程需求。所以新型高分子板樁在擋土過程中滿足強(qiáng)度、剛度要求。