水平單調加載下新型組合式螺旋錨復合地基基本力學性能

劉利民,王治偉,高明德,葉永明,閻 石,張曰果

(1. 遼寧電力勘測設計院有限公司,遼寧 沈陽 110179; 2. 沈陽建筑大學 土木工程學院,遼寧 沈陽 110168)

0 引言

關于普通錨地基在水平荷載作用下的基本力學性能的研究已經取得豐碩的成果,主要集中在錨盤與土體相互作用[5]、軸向承載力[6-7]、受力性能和破壞機制[8-12]、剛度和變形性能[3,13]、臨近埋深[14-15]等方面,但缺少大型試驗驗證[16]。一些學者對螺旋錨地基水平振動特性[17-18]和特殊氣候條件下的性能等進行了研究[19-20]。研究成果均表明,在水平荷載作用下,錨盤(錨桿)與土體之間的相互作用對其受力性能和破壞機理有重要影響;在加載過程中, 土體的應力狀態及其分布規律也在不斷變化; 通過臨界埋深率可以區分淺埋和深埋2種截然不同的受力狀態等。其中,其水平承載力和剛度相對較低已經成為共識,該問題有待于進一步解決。然而,由于土體受力機理復雜性與高度非線性等原因,目前還沒有一種有效的解決方法。

本文提出一種新型組合式螺旋錨(簡稱組合錨)基礎,并進行了組合錨復合地基水平單調遞增加載試驗和全過程有限元分析,重點研究破壞模式、水平極限承載力和剛度及主要影響因素等,并與普通錨地基的水平靜力性能進行對比分析。

1 組合錨地基原位靜載試驗

1.1 組合錨的組成與施工方法

所提出的組合錨的組成形式如圖1所示。施工時,先旋進小螺旋錨到指定埋深,如圖1(a)所示;后旋進大螺旋錨,挖出大螺旋錨內土體并在高度為L/3和2L/3處焊接兩層連接鋼筋,如圖1(b)所示;再在大螺旋錨鋼筒內灌注C25混凝土;最后,形成局部組合螺旋錨,如圖1(c)所示,其特點是具有較大的水平承載力和剛度。

圖1 新型組合錨基礎示意圖Fig. 1 Schematics of an innovative composite helical anchor foundation

1.2 試驗現場地質條件

試驗目的是驗證所提出的組合錨地基的強度和變形性能,為此,選取某輸電線路工程中的一組組合錨地基為原位試驗對象,對其進行了原位水平循環加載試驗。試驗場地如圖2所示,主要地層巖土參數如表1所示。

圖2 螺旋錨基礎原位試驗現場Fig. 2 Test site of helical pile foundation in-situ表1 螺旋錨地基試驗土質參數Table 1 Soil parameters in the helical anchor foundation test土質類別密度/(kg/m3)彈性模量/MPa泊松比內摩擦角/(°)剪脹角/(°)黏聚力/kPa粉質黏土1 920800.328310

1.3 試驗工程概況

試驗用組合錨大小錨外徑分別為600、140 mm,錨長9.8 m,鋼制錨桿等級為Q355B,大小錨桿用等級為C25的混凝土連接,樁端的椎體為實心,錨盤旋轉360°,小錨盤螺距為0.35倍直徑,大錨盤螺距為0.25倍直徑,組合錨基礎外形結構設計圖如圖3所示。其中,大小螺旋錨的筒壁厚度為8 mm,錨盤板厚為10 mm。

圖3 新型組合錨基礎設計圖Fig. 3 Design drawing of the innovative composite helical anchor foundation

為了驗證所設計的組合錨是否滿足設計需求,設計院根據工程經驗和國外相關標準及最新的螺旋錨設計規范,制定了試驗計劃,當水平最大位移達到25 mm且最大水平荷載達到70 kN時,可以停止試驗,可以滿足工程需求。

1.4 試驗檢測設備及方法

組合錨水平加載試驗采用RS-JYC樁基靜載荷測試分析系統,自動加載、判穩和卸載,全過程自動實時記錄。采用XZBZ70超高壓油泵、1 000 kN千斤頂提供水平推力。采用單向多循環加載法,由2根相同組合錨相互對頂進行。分級荷載為14 kN,逐級等量加載。每級加載后恒載4 min,測讀水平位移,然后卸載至0,停2 min后測量水平位移。如此循環5次,完成一級荷載的位移觀測。試驗不得中間停頓,直至達到終止加載條件,水平加載試驗原理如圖4所示。

文化是指人類在社會歷史發展過程中制造的物質財富和精神財富的總和,是一個復合體，包括知識、信仰、道德、法律、藝術、風俗以及人作為社會成員而獲得的能力和習慣。班級文化建設是指班級成員創設文化環境、文化制度、文化關系等來熏陶和培育集體成員的一系列活動，它是班級成員在多種文化相互吸納相互促進的文化過程。它是班級全體師生共同創造的財富，是全體師生共同勞動的結晶，也是一個動態的、發展的系統工程，它的主體是學生。

圖4 水平加載試驗原理圖Fig. 4 Test schematic under lateral loading表2 水平荷載-位移關系主要參數Table 2 Key parameters of lateral load-displacement relationship最大荷載/kN對應水平位移量/mm70 kN對應水平位移量/mm1548.651.90

1.5 試驗結果及分析

當組合錨地基水平加載試驗加載至154 kN時,考慮到此荷載已完全滿足工程要求,終止試驗。試驗所得的水平荷載-時間-位移曲線與水平荷載-位移曲線如圖5所示,其中,圖5(a)中的δ為組合錨頂部水平位移量,P和t分別為水平荷載和加載時間;圖5(b)中水平位移量為施加每個分級荷載循環5次的平均值,水平荷載-位移關系主要參數表如表2所示。

圖5 水平荷載-時間-位移曲線Fig. 5 Horizontal load-time-displacement curve

試驗結果表明,組合錨地基抗推剛度較普通螺旋錨有顯著增加。另外,該荷載-位移曲線明顯分為2個階段,第1階段為0～70 kN,該階段表現出明顯的線性特征,可認為土體在彈性范圍內工作;第2階段為70～154 kN,該階段表現出一定的非線性特征,剛度略有減小,變形增長加快。該水平荷載-位移曲線可用于驗證有限元分析模型的有效性。

2 普通螺旋錨水平承載能力

為了說明螺旋錨基礎的水平受力機理,繪制出普通螺旋錨基礎在水平荷載作用下處于承載能力極限狀態時的受力簡圖,如圖6所示。通常,螺旋錨所受到的水平阻力包括錨桿水平阻力、螺旋錨盤上下偏轉邊的阻力、錨盤表面的摩擦阻力。利用靜力平衡方程,可以求出螺旋錨的旋轉點位置X和極限荷載P[3],假設X位于第2塊和第3塊錨盤之間,則

P=cud(18X-10.5d-9l)

(1)

X=-e+[(324d2e2+36dM)0.5/18d]

(2)

式中,cu為黏土的抗剪強度;M的值按文獻[3]計算,其他符號的物理意義如圖6所示。

圖6 普通螺旋錨承載能力極限狀態下受力簡圖[3]Fig. 6 Schematic of ordinary helical anchor under ultimate lateral bearing capacity state

螺旋錨地基水平抗推剪承載力隨埋入深度和土層抗剪強度的增加而增加,亦隨錨盤數量的增加而增加。另外,由于所提出的新型組合錨地基相當于局部增加了錨桿直徑,對提高水平阻力有顯著效果。

3 有限元計算與結果分析

由于組合錨地基受力較為復雜及全過程受力分析的需要,通過大型有限元軟件ABAQUS對本次試驗進行數值計算,建立組合錨地基有限元模型并進行分析,旨在驗證有限元模型的正確性和有效性,并分析水平荷載作用下強度和變形等基本規律。

3.1 有限元模型的建立

螺旋錨的形式和具體尺寸如圖3所示,在建立組合錨地基有限元模型時,采用相對復雜的螺旋錨盤建模方式,利用旋轉方式建立錨盤模型,如圖7所示。

圖7 螺旋盤有限元模型Fig. 7 Helical plate finite element model

大小錨桿用C25混凝土連接,錨桿與混凝土采用接觸綁定形式。建立土體模型時,分層建模,用實體切割實體的方法將土體切出錨桿、錨盤的形狀進行接觸設置。錨與土表面相互作用采用通用接觸,接觸屬性切向行為取罰函數,摩擦系數取0.14[16],法向行為采用“硬”接觸。整體計算模型為一個圓柱形,直徑為5 m,高19.8 m, 整體單元共計34 822個,節點總數共計44 745個,單元類型為六面體C3D8R。將土體模型的邊界距離設置為10倍以上的錨盤直徑,以消除土體邊界條件的影響。在模型底部完全固定,上表面完全自由,側面只允許沿豎向平移,但不允許轉動,設置約束條件為U1=U2=UR3=0。錨桿頂部設置耦合點來施加荷載,再進行地應力平衡設置。網格劃分時,對螺旋錨周圍一定范圍內土體采用網格加密處理。土體網格劃分如圖8所示。

圖8 土體網格單元劃分Fig. 8 Soil mesh element division

3.2 模型參數的選取

在模型驗證環節,模型尺寸和材料屬性均與試驗相同。土體亦采用六面體C3D8R實體單元。假設土體為均質、連續、各向同性彈塑性的材料,其本構關系和強度準則服從Mohr-Coulomb模型,楊氏模量為80 MPa。錨盤和錨桿均采用彈塑性本構模型,混凝土采用規范建議的模型。鋼材和混凝土的材料參數如表3所示。

表3 鋼材和混凝土材料參數表Table 3 Parameters of steel and concrete materials

3.3 有限元模型的正確性驗證

在進行有限元建模時,在錨桿頂端耦合點施加水平單調遞增位移,通過位移控制進行受力分析,得到組合錨的水平荷載-位移曲線,并將模擬曲線與現場試驗曲線進行對比,如圖9所示。

圖9 組合錨地基水平荷載-位移對比曲線Fig. 9 Comparison curves of lateral load and displacement of composite helical anchor foundation

在模擬過程中,螺旋錨受到的最大水平位移設置為50 mm。由圖9可見,在位移為8 mm之前,試驗與模擬吻合較好,說明有限元的模擬是正確的。在位移為8 mm之后,兩結果有一定的誤差,尤其在因滿足工程需要而停止試驗前。對比試驗和全過程有限元分析的結果,兩曲線的趨勢是一致的,但試驗荷載僅達到極限荷載約70%,還有足夠大的安全儲備。

3.4 組合錨地基水平承載力與剛度及破壞模式

為了對比組合錨地基與普通錨地基在水平荷載作用下基本力學性能的差異,分別建立了2個有限元模型,如圖10所示。2個模型除頂部大螺旋錨部分不同外,其他部分均相同。

圖10 普通式與組合錨示意圖Fig. 10 Schematics of ordinary and composite helical anchor foundations

在單調遞增水平荷載下組合錨地基荷載-位移曲線,如圖11所示。

圖11 單調遞增水平荷載下組合錨地基荷載-位移曲線Fig. 11 Force-displacement curve of composite helical anchor foundation under monotonic lateral loading

該曲線由3個部分組成:1)從加載位移開始到第1拐點(P1/Pu≈ 30%),范圍在P/Pu≈ 0～30%之間,抗剪剛度較大,外荷載主要由螺旋錨上部的大錨桿承擔。螺旋錨結構的最大Mises應力(約57.3 MPa)出現在錨端頂部。此時,土體屈服區如圖12(a)所示,通過等效塑性應變PEEQ提供屈服標識AC Yield,說明周圍土體屈服范圍較小,絕大多出處于彈性狀態;2)從第1拐點P1到第2拐點(P2/Pu≈ 90%)之間,范圍在P/Pu≈ 30%～90%之間,屬于正常使用階段,剛度逐漸降低。螺旋錨結構的最大Mises應力(約271.1 MPa)出現在大錨桿錨端下部,螺旋錨結構仍處于彈性狀態;此時,大錨盤上部與下部土體屈服區域已大部分連通,并且連通到了地表,形成了貫通帶,如圖12(b),可以認為土體將進入臨近剪切破壞狀態。3)從第2拐點P2到承載力極限狀態(Pu)之間,范圍在P/Pu≈ 90%～100%之間,屬于臨近破壞狀態。螺旋錨結構的最大Mises應力(約356 MPa)出現在大錨桿錨端下部,材料仍處于彈性狀態;此時,大錨盤上、下部土體的屈服范圍更大、更廣,如圖12(c),更大范圍土體發生剪切破壞。在下錨盤處周圍,存在螺旋錨“提拉效應”,但在兩錨盤之間土體屈服區域沒有形成貫通帶,可以認為土體產生局部剪切破壞,顯示出深埋破壞的特點。

組合錨地基水平承載力極限狀態應力云圖如圖13所示。為了說明在承載能力極限狀態下,組合錨各部件對極限承載能力的貢獻,分別提取各部件所分擔的水平內力。結果表明,水平承載力達到極限值Pu為179.7 kN。其中,大錨桿和小錨桿分別承擔極限水平荷載約59.2%(106.4 kN)和18.6%(33.5 kN),大錨盤和小錨盤(總和)分別占極限水平荷載約0.4%(0.7 kN)和25.5%(45.9 kN)。為了簡化分析過程,對于錨盤水平摩擦力,首先求出該面上的豎向平均應力,在乘上該面投影面積,再乘摩擦系數;對于大、小錨桿,直接提取接觸應力導致的合力。計算過程中有一定的誤差,最終計算結果比實際結果大約3.8%。由此可見,增設大錨桿是其水平承載能力提高的主要原因。

圖13 組合錨地基水平承載力極限狀態應力云圖Fig. 13 Stress cloud of lateral ultimate bearing capacity of composite helical anchor foundation

另外,為了比對組合錨地基和普通錨地基在水平加載下基本力學性能的異同,將相關的荷載-位移曲線放在同一圖中,如圖14所示。

圖14 普通錨與組合錨地基水平荷載-位移曲線對比圖Fig. 14 Comparison curves of lateral load and displacement of ordinary and composite helical anchor foundations

與普通錨地基相比,組合錨地基的水平承載能力提高了2倍,初始剪切剛度提高了約4倍,剪切剛度為單位水平變形需要力的大小,即P-δ曲線的原點斜率,水平靜力性能有了顯著的改善。其中,大錨桿發揮了重要作用。另外,影響組合錨地基水平承載力與剛度及破壞模式因素較多,主要包括組合錨形式、組合錨材性和土體特性等。其中,組合錨埋深率(埋置深度l和錨盤直徑d的比值)、錨體和土質材性的影響較大。由于篇幅限制,這里不再贅述。

4 結論

提出一種新型組合錨復合地基,并分別進行了現場原位循環水平加載試驗和單調遞增水平加載下的有限元分析,取得如下主要結論。

1)在水平極限荷載狀態下,新型組合錨地基的破壞始于大螺旋錨下部土體的剪切破壞。

2)與同樣的普通錨相比,新型組合錨地基的水平靜力性能有了顯著的改善,其水平承載力提高了約2倍,初始水平抗剪剛度提高了約4倍。

3)大錨桿對水平抗剪承載力的貢獻約占總量的60%。大錨桿的設置是提高組合錨地基水平承載力和剛度的主要原因。