張 竟，葉素飛

（1.揚州市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225003；2.揚州市城市河道管理處古運河管理所，江蘇 揚州 225003）

0 引 言

板樁墻是水利工程中廣泛應(yīng)用的一種擋土結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)板樁主要分為混凝土板樁、鋼板樁和木板樁[1]，隨著對高分子材料的研究，高分子板樁憑借成本低、壽命長、施工周期短等優(yōu)點逐漸代替了傳統(tǒng)板樁[2-4]。由于我國高分子材料板樁相關(guān)研究與西方發(fā)達國家相比起步較晚，許多理論還不完善，因此對高分子板樁結(jié)構(gòu)性能研究具有重要的意義[5-6]。本文研究了一種新型高分子仿木樁，通過建立新型高分子仿木樁有限元分析模型，對仿木樁不同擋土高度下的結(jié)構(gòu)性能及穩(wěn)定性進行分析，為高分子材料板樁墻的進一步研究提供基礎(chǔ)。

1 新型高分子仿木樁結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型高分子仿木樁是由高分子強化復(fù)合材料PVC 經(jīng)多種添加劑混合后一次擠壓成型的高強度新型板樁墻。仿木樁之間通過Ω 型凹凸接頭進行連接，內(nèi)部空心位置可以填充土，增加板樁墻的整體結(jié)構(gòu)性能。新型高分子仿木樁如圖1 所示。

圖1 新型高分子仿木樁結(jié)構(gòu)

為了對新型高分子仿木樁進行有限元仿真分析，首先對新型高分子仿木樁取樣進行力學性能試驗，根據(jù)試驗測得新型高分子仿木樁材料力學性能參數(shù)如表1 所示。

表1 新型高分子仿木樁材料力學性能參數(shù)

2 高分子聚合物板樁結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)高分子聚合物板樁的運用特點、擋土高度、施工工藝及其設(shè)備條件、周邊相近條件支護工程的工程經(jīng)驗、施工周期等情況考慮該板樁主要采用懸臂式支護結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 板樁支護結(jié)構(gòu)圖

基于土力學理論，參照《鋼板樁支護技術(shù)規(guī)程》，對高分子聚合物板樁進行受力分析，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。各載荷的計算公式如下所示[7]：

(1)側(cè)向土壓力：

其中，F(xiàn)ep,k：地下水位以上側(cè)向主動土壓力標準值（kN/m2）；Ka：主動土壓力系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)情況取1/3；γs：地下水位以上回填土的有效重度（kN/m3）；Z：地面到計算截面處的深度(m)；F＇ep,k：地下水位以下的側(cè)向主動土壓力標準值(kN/m2)；Zw：地面到地下水位的距離(m)；γ＇s：地下水位以下回填土的有效重度(kN/m3)。

其中，TA：板樁單位面積上的平均下曳力標準值(kPa)；μ：板樁與回填土間的摩擦系數(shù)，根據(jù)土質(zhì)情況取0.26；Fep,K1：板樁頂部側(cè)壓力標準值(kPa)；Fep,K2：板樁底部側(cè)壓力標準值(kPa)。

圖3 側(cè)向土壓力、下曳力示意圖

3 新型高分子仿木樁有限元分析

為了研究新型高分子仿木樁在不同擋土高度下的結(jié)構(gòu)性能及穩(wěn)定性，為新型高分子仿木樁在水利工程中的實踐應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，分別對不同擋土高度下的仿木樁樁土模型進行有限元結(jié)構(gòu)性能和穩(wěn)定性仿真。具體有限元仿真工況如表2 所示。

表2 新型高分子仿木樁有限元分析工況表

3.1 新型高分子仿木樁有限元分析模型

根據(jù)新型高分子仿木樁的結(jié)構(gòu)以及不同分析工況，建立仿木樁與土層的有限元仿真模型，對仿真模型進行網(wǎng)格劃分，如圖4 所示為擋土高度1.0 m時仿真模型，共劃分為7 894 657 個節(jié)點，4 696 965個單元。

圖4 高分子聚合物板樁有限元分析模型

3.2 有限元計算結(jié)果

對板樁施加側(cè)向土壓力及下曳力，得到仿木樁在擋土高度為1.0 m 的最大變形為4.04 mm，位于板樁頂部；最大應(yīng)力為1.18 MPa，位于板樁上與土層接觸位置。

對擋土高度為1.0 m 時的仿木樁進行線性屈曲分析得到仿木樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，得到仿木樁擋土高度為1.0 m 時，最小載荷放大因子為62。

不同擋土高度時，板樁的最大變形、最大應(yīng)力值以及保持穩(wěn)定性的最小載荷放大因子如表3 所示。

表3 不同板樁組合形式下不同擋土高度時有限元分析結(jié)果

根據(jù)不同擋土高度下仿木樁的計算結(jié)果可知，仿木樁在不同高度下最大應(yīng)力和最大變形隨擋土高度變化的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 仿木樁最大應(yīng)力和最大變形隨擋土高度變化曲線

根據(jù)仿木樁有限元分析結(jié)果可知，仿木樁最大應(yīng)力和變形隨著擋土高度的增加呈現(xiàn)幾何式增長，在擋土高度為2 m 時，最大應(yīng)力為9.99 MPa，小于材料的拉伸強度；最大變形為87.35 mm，與傳統(tǒng)鋼板樁和混凝土擋墻相比變形較大，但擋土高度小時，能夠滿足一定的工程要求；對仿木樁進行穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，仿木樁在不同擋土高度下，其載荷放大因子最小為12.75，所以仿木樁能夠滿足穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 語

文章通過對不同擋土高度下的新型高分子仿木樁進行結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析，得到了其最大應(yīng)力、最大變形以及穩(wěn)定載荷放大因子隨擋土高度變化的曲線，根據(jù)結(jié)果可知，新型高分子仿木樁最大應(yīng)力為9.99 MPa，遠小于材料的拉伸強度；其變形也能夠滿足一定的工程需求；且在不同擋土高度下的穩(wěn)定性分析可知，新型高分子仿木樁滿足穩(wěn)定性設(shè)計要求。