樂騰勝，雷金波，郭楊，高坤，陳小川，張駿

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063）

1 引言

隨著樁基工程技術(shù)的迅速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力管樁在工程上得到廣泛推廣應(yīng)用，但施工過程擠土效應(yīng)對場地環(huán)境帶來的惡劣影響與國家關(guān)于“綠色施工”政策條款要求的沖突尤為明顯[1]。針對上述問題，課題組于2010年率先研發(fā)了樁身開孔技術(shù)，申請了專利“一種用于深厚軟基處理的PTC型帶孔管樁ZL201020105398.2”[2]。

近年來，諸多專家學(xué)者針對該問題主要開展了管樁開孔技術(shù)的理論分析、模型試驗、現(xiàn)場試驗和有限元分析，取得了系列的研究成果。趙黎明[3]對海上風(fēng)電工程大直徑管樁施工過程易發(fā)生長距離溜樁現(xiàn)象，采用在樁身開孔的技術(shù)措施來排出樁內(nèi)氣體，推導(dǎo)出樁身開孔尺寸計算公式，經(jīng)工程應(yīng)用驗證能夠有效地解決溜樁帶來的工程隱患，為軟弱地質(zhì)夾層的海上風(fēng)電項目施工提供參考。陳大江[4]通過采取在鋼管樁樁身開孔的技術(shù)措施來優(yōu)化海上風(fēng)電工程傳統(tǒng)單樁基礎(chǔ)外套籠方案連接海底電纜施工工藝，降低了施工造價成本，保護了纜線材料，簡化了施工工藝，為今后海上風(fēng)電海底電纜施工保護設(shè)計提供參考。萬夢華[5-7]基于圓孔擴張理論，通過理論分析和工程算例的對比分析，得出了有孔管樁沉樁時樁周超靜孔隙水壓力隨徑向距離、沉樁速率、深度、開孔孔徑及時間之間的消散規(guī)律，推導(dǎo)出了解析解，為工程推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。唐曉武[8]在假設(shè)開孔管樁孔洞內(nèi)液體流動滿足Poiseuille方程且等應(yīng)變假設(shè)成立的前提下，推導(dǎo)出了時變荷載作用下地基的徑豎向組合空壓解析解。牛順[9]借助有限元對透水管樁沉樁后的樁周土體固結(jié)進行計算，并與模型試驗檢測結(jié)果進行對比分析，研究擾動效應(yīng)下不同開孔率、開孔半徑、開孔數(shù)量對樁周土超靜孔壓的影響規(guī)律。鄒永強[10]通過開展靜壓有孔管樁群樁效應(yīng)大尺度室外模型試驗，分析沉樁過程超靜孔隙水壓力與樁周土體物理力學(xué)特性變化。

大量研究工作表明，樁身開孔能夠有效減小管樁沉樁擠土效應(yīng)給場地環(huán)境帶來的惡劣影響，但是同時也導(dǎo)致了樁身承載力的折減。對于如何設(shè)計樁身開孔，既能達到樁身承載力折減效果最小又能同時促進沉樁時樁周土體超靜孔隙水壓力消散效果最佳，對于這方面研究工作的報道較少。本文以鋼管樁為研究對象，采用有限元數(shù)值分析的方法，探究豎向荷載作用下樁身開孔設(shè)計對樁身力學(xué)性能的影響，為促進管樁開孔技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供參考價值。

2 數(shù)值計算模型

本文以常用的Q235鋼管樁為研究對象，彈性模量為 E=206×103MPa，泊松比為 v=0.3，密度為ρ=7.85g/cm3，抗壓強度設(shè)計值f=215N/mm2，屈服強度fy=235N/mm2，材料屬性選擇理想彈塑性本構(gòu)模型；鋼管樁模型幾何參數(shù)為長度為l=180mm，外徑為D0=45mm，內(nèi)徑為D1=35mm，壁厚h=5mm，在沿樁軸向方向90mm處按照圓周間隔120°進行開孔，共設(shè)計孔徑大小分別為D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm 三種型號，如圖1所示。

圖1 無孔和有孔設(shè)計鋼管樁結(jié)構(gòu)剖面示意圖

鋼管樁模型建立選擇C3D8R類型單元，無孔管樁模型72500個結(jié)點，57600個單元；D2=10mm有孔管樁模型70725個結(jié)點，56040個單元；D3=15mm有孔管樁模型67815個結(jié)點，53616個單元；D4=20mm有孔管樁模型69960個結(jié)點，55264個單元。采用位移逐級加載控制的有限元數(shù)值分析方法來模擬豎向荷載作用下鋼管樁力學(xué)性能，直至鋼管樁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞現(xiàn)象。四種不同規(guī)格鋼管樁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞應(yīng)力云圖如圖2所示，位移云圖如圖3所示。

圖2 樁身結(jié)構(gòu)屈服破壞時應(yīng)力云圖

圖3 樁身結(jié)構(gòu)屈服破壞時位移云圖

豎向荷載作用下四種不同規(guī)格鋼管樁結(jié)構(gòu)處于極限承載狀態(tài)下的應(yīng)力云圖如圖4所示，位移云圖如圖5所示。

圖4 樁身結(jié)構(gòu)極限承載時應(yīng)力云圖

圖5 樁身結(jié)構(gòu)極限承載時位移云圖

3 樁身力學(xué)性能分析

有限元模擬分析樁體在豎向荷載作用下變形過程，通過控制增量步來觀察鋼管樁樁身變形狀態(tài)，得出樁體變形由彈性逐漸發(fā)展到塑性，符合理想彈塑性本構(gòu)模型特征。以無孔管樁和D4=20mm有孔管樁為例，鋼管樁承載力大小隨著管樁軸向應(yīng)變的變化情況如圖6所示。

圖6 樁身承載力隨著軸向應(yīng)變的關(guān)系圖

由圖6可得，無孔和D4=20mm有孔兩種不同型號的鋼管樁樁身承載力隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律基本一致，且主要包括兩個發(fā)展階段。第一階段，主要是發(fā)生線彈性變形，隨著鋼管樁樁身軸向應(yīng)變的增大，樁身承載力不斷增大，直到樁身結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞，且斜率大小為鋼管樁彈性模量與管樁橫截面乘積。第二階段，隨著豎向荷載作用的增大，鋼管樁樁身軸向壓縮變形逐漸增大，樁身結(jié)構(gòu)由線彈性變形發(fā)展到塑性變形，管樁軸向承載力由屈服荷載逐漸增大至極限荷載；繼續(xù)施加豎向荷載，樁身承載力緩慢下降，此時鋼管樁樁身結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性破壞，如圖5所示。

由圖2可得，管樁樁身進行開孔設(shè)計，豎向荷載作用下鋼管樁樁體孔間區(qū)域率先達到屈服破壞，且開孔孔徑越大屈服效果越明顯。由圖3可得，鋼管樁結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服破壞時，臨近樁頂位置壓縮變形較為顯著。由圖4可得，當(dāng)鋼管樁結(jié)構(gòu)受力處于極限承載狀態(tài)下，無孔管樁臨近兩端變形發(fā)生徑向鼓起變形，有孔管樁在沿樁軸向方向90mm處發(fā)生徑向鼓起變形。對比分析圖4和圖5得出，有孔管樁樁身結(jié)構(gòu)超過極限承載狀態(tài)時，樁身壓縮變形主要發(fā)生在樁頂至開孔樁端，開孔至樁底樁端未繼續(xù)出現(xiàn)明顯壓縮變形現(xiàn)象。提取四種規(guī)格鋼管樁模型豎向荷載作用下樁身屈服荷載、極限荷載及樁頂壓縮變形位移大小見表1。

豎向荷載作用下樁身力學(xué)性能指標(biāo)匯總 表1

由表1可得，鋼管樁樁身發(fā)生屈服破壞時，無孔管樁承受的屈服荷載最大，荷載大小為90599N；有孔管樁承受的屈服荷載隨著開孔孔徑的增大逐漸減小，且D4=20mm有孔管管樁承受的屈服荷載最小，荷載大小為73458N；相對于無孔管樁，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm的有孔管樁樁身屈服荷載大小折減情況分別為3.77%、9.33%、18.92%；鋼管樁樁身處于極限承載狀態(tài)時，無孔管樁承受的極限荷載最大，荷載大小為154354N；有孔管樁承受的極限荷載隨著開孔孔徑的增大逐漸減小，且D4=20mm有孔管管樁的屈服荷載最小，荷載大小為83780N；相對于無孔管樁，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm的有孔管樁樁身極限荷載折減情況分別為17.08%、31.41%、45.72%。因此，可以推測對鋼管樁樁身進行開孔設(shè)計，一定程度上會使樁身承載性能發(fā)生折減現(xiàn)象，并且開孔孔徑越大，折減越明顯。

由表1可得，鋼管樁樁身承載力處于極限狀態(tài)時，無孔管樁樁頂壓縮變形最大，位移大小為10.48mm，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm 有孔管樁樁頂壓縮變形位移分別為4.78mm、3.14mm、1.65mm，無孔管樁樁頂壓縮變形位移明顯大于有孔管樁樁頂壓縮變形位移，D4=20mm有孔管樁樁頂壓縮變形位移最小，位移大小為1.65mm，說明開孔設(shè)計明顯降低了鋼管樁結(jié)構(gòu)的抗壓變形能力，即削弱了鋼管樁的承載性能。

4 結(jié)論

①豎向荷載作用下，鋼管樁軸向變形主要包括線彈性變形和塑性變形兩階段，符合理想彈塑性本構(gòu)模型特征。

②鋼管樁樁身結(jié)構(gòu)進行開孔設(shè)計，隨著開孔孔徑的增大，鋼管樁結(jié)構(gòu)的抗壓變形能力明顯下降，鋼管樁的極限承載力發(fā)生大幅度折減。

③鋼管樁處于極限承載狀態(tài)時，無孔管樁主要在樁身兩端發(fā)生徑向鼓起變形，有孔管樁主要在開孔處樁身截面發(fā)生徑向鼓起變形，且逐漸由樁身中間向兩端發(fā)展。

④鋼管樁達到極限承載狀態(tài)時，，有孔管樁樁身開孔段已發(fā)生塑性破壞，繼續(xù)施加豎向荷載，樁身壓縮變形主要發(fā)生在臨近樁頂?shù)奈恢?，臨近樁底部分變形不明顯。

⑤本文研究的鋼管樁數(shù)值模型近似短桿，主要考慮管樁結(jié)構(gòu)材料破壞，而工程實踐中使用的管樁更多的是類似長桿，二者在豎向荷載作用下樁身承載性能存在一定區(qū)別，下一步需要進行深入分析。