黏土中螺旋桩单桩水平承载性能的有限元分析

黏土中螺旋桩单桩水平承载性能的有限元分析

螺钉桩是连接到长钢杆上的形状的螺旋板。施工时不需要挖掘。如果螺旋板上的配重被机械或手动旋转，桩将可以旋转到地板上。螺钉桩具有施工快、体积小、负荷大、土壤少、污染小、成本低、回收率等优点。目前针对螺旋桩的抗拔性能已进行了一些研究.Meyerhof等针对螺旋桩的水平承载性能也进行了一些研究.Mittal等螺旋桩的用途广泛，根据地形需要可以倾斜埋置来满足复杂的地形条件，或将倾斜桩组合成群桩提高基础的抗倾覆能力.但目前对螺旋桩的研究主要集中在竖直螺旋桩的竖向上拔或下压承载性能方面，对水平承载的研究相对较少.大部分研究采用的砂箱试验方法缺乏现场原位试验数据，且针对螺旋桩在黏土中的承载性能研究相对更少，这在一定程度上限制了该技术的工程应用.本文将基于已有的相关试验，通过数值模拟方法研究不同倾斜角度下螺旋桩在黏土中的水平承载性能.1纵式螺旋桩支撑性能值的模拟方法1.1试验总结由于黏土中螺旋桩的水平承载性能研究较少，本文以董天文等水平承载试验土体性质见表3所示，螺旋桩几何参数见表4所示.1.2数值模型的建立与验证首先对抗拔试验为正确模拟桩-土间以及叶片-土体间非线性接触行为，设置了接触面单元，创建表面并设置接触对.接触属性采用摩尔-库伦摩擦罚函数形式，主面选择桩体及叶片表面，从面选择对应的土体接触面，法向行为选择硬接触，接触刚度为非线性，切向行为选择罚接触，取摩擦系数为tan将模拟结果与抗拔试验结果对水平承载试验将模拟结果与水平承载试验结果上述对于黏土中螺旋桩抗拔试验以及砂土中螺旋桩水平承载试验的模型验证，说明了该建模方式模拟黏土中螺旋桩水平承载下的实际变形情况具有一定的可靠性.2在倾斜螺旋桩水平负荷的作用下，螺母的性能2.1螺旋桩倾斜侧土体宽度在以上黏土中螺旋桩模型建立的基础上，考虑倾斜螺旋桩的倾斜距离，将螺旋桩倾斜侧土体宽度增加5m,最终土体宽度11.5m,厚度12m,螺旋桩顺时针倾斜15°、30°、45°,其他建模方式与上述一致，各参数如表5所示.2.2结果与分析2.2.1影响《浮士德》数量提取0°、15°、30°、45°倾斜角下，不同叶片数量的螺旋桩(2.2.2首层叶片埋深的影响提取0°、15°、30°、45°倾斜角度下，不同首层叶片埋深的多叶片螺旋桩荷载-位移数据，并以各倾斜角下的裸桩为参照，绘制水平荷载-水平位移曲线(见图7).观察各倾斜角度下不同首层叶片埋深的螺旋桩的水平荷载-水平位移曲线，可以发现在不同倾斜角度下，首层叶片埋深不同对倾斜螺旋桩水平承载性能产生不同程度的影响，但总体上首层叶片埋深越深，倾斜螺旋桩的水平承载性能越差，且当埋深达到一定深度后，倾斜螺旋桩的水平荷载-水平位移曲线基本不再发生变化.对于15°倾斜及竖直螺旋桩而言，随着首层叶片埋深增加，水平承载力逐渐降低，曲线逐渐逼近裸桩水平荷载-水平位移曲线，当首层叶片埋深比为4和6时曲线基本一致，表明首层叶片埋深比增加到4后再增加埋深不会再产生影响，叶片埋深比为6时发挥的作用极小.此外，不同倾斜角度下，首层叶片埋深的影响程度不同.当倾斜角度大于15°时，倾斜角度越大，不同首层叶片埋深的螺旋桩水平荷载-水平位移曲线更加接近，首层叶片埋深的影响变弱.当首层叶片埋深达到足够深时，例如埋深比为6时，0°、15°、30°、45°倾斜角下的螺旋桩与裸桩的水平荷载-水平位移曲线差异随着倾斜角度增大而增大.对于竖直螺旋桩(倾斜角度为0°)而言，当埋深比为6时曲线与裸桩曲线接近重合，意味着锚片不再发挥作用.在倾斜角度为15°时，螺旋桩与裸桩的水平荷载-水平位移曲线也基本重合，说明了15°倾斜角下螺旋桩水平承载性能与竖直螺旋桩相似.倾斜角度为30°时，螺旋桩与裸桩的水平荷载-水平位移曲线在加载后期出现了较明显的差别；倾斜角度为45°时，螺旋桩与裸桩的水平荷载-水平位移曲线出现了不可忽略的差别.随着倾斜角度增大，即使锚片由于埋深过深不再对于螺旋桩的抗倾覆提供作用，但其所起的抗拔作用越来越明显.随着螺旋桩倾斜角度增大，螺旋桩锚片抗水平荷载作用正逐步向抗拔作用机制发展，叶片所发挥的作用也更加明显.2.3倾斜角度对水平极限位移的影响绘制各倾斜角度下首层叶片埋深比为2的三叶片螺旋桩的水平位移、竖向位移随荷载变化曲线，如图8所示.可以观察到随着倾斜角度增加，水平位移曲线与竖向位移曲线逐渐贴近.当螺旋桩的倾斜角度较小时，施加水平荷载产生较小的竖直位移分量，随着倾斜角度的增加，同一荷载等级下的竖直位移逐渐变大，但一直到倾斜45°的工况，螺旋桩的竖向位移都还小于水平位移.因此，0～45°倾斜角螺旋桩施加水平荷载时都按照水平极限位移控制破坏.由图9可见，无论倾斜多少角度，倾斜单桩的水平向承载力比竖直单桩的要高.随着埋置倾斜角度的增加，螺旋桩的水平承载力逐渐提高，且从很小的倾斜角度开始，每增加相同的倾斜角度，水平承载力提高的幅度越来越大.2.4数值结果分析与计算方法根据以上数值模拟结果，螺旋桩在倾斜角度为45°以内的破坏由水平极限位移控制，因此对于螺旋桩承载力的计算也将以螺旋桩水平极限承载力为基础，同时考虑倾斜角度增大时，叶片对于螺旋桩承载力的提高作用.凌道盛等对于锚片中的土压力分布假定挤压区为被动土压力均匀分布，分离区为主动土压力均匀分布将锚片所受土压力对锚片圆心(1)=式中，对式(1)在区域内进行积分，即得1/4锚片的抗倾覆力矩.整个锚片总的抗倾覆力矩(3)假设锚片总力矩与锚片到桩顶间距的比值的水平分量即为锚片对于螺旋桩水平极限承载力的贡献值.挤压区为被动土压力均匀分布，分离区为主动土压力均匀分布的假定使叶片上压力计算值相比实际偏大.通过数值模拟结果反推，加入修正系数0.8对叶片部分进行折减，建议0°～30°倾斜角螺旋桩水平承载力计算公式如下(当叶片埋深大于4(4)式中，当倾斜角度大于30°时，螺旋桩与裸桩的水平极限承载力增长曲线不再平行，螺旋桩的水平极限承载力明显增大，此处考虑为锚片的发挥作用增大，锚片所起的作用从抗倾覆向着抗拔作用转变.因此将30°～45°倾斜角度下螺旋桩的水平极限承载力分解为裸桩的水平承载力、锚片所起抗倾覆作用与锚片所起的抗拔作用.考虑倾斜角度及叶片埋深的影响，30°～45°倾斜角度下浅埋螺旋桩的水平极限承载力计算公式建议如下：(5)式中，=当(7)当(8)式中，《架空输电线路基础设计技术规程》(9)为除首层锚片以外其他锚片上拔承载力的水平分量总和，可通过计算叶片表面土压力合力的水平分量得到.计算公式为(10)式中，模拟结果中深层锚片位移量极小，叶片上侧远达不到被动土压力，因此取值为静止土压力；叶片下侧则处于非极限主动土压力状态，参考陈奕柏等(11)式中，计算叶片位移量(12)式中，将式(6)、(9)、(10)、(11)、(12)代入式(5)得因此，浅埋倾斜螺旋桩水平极限承载力计算方法如下：当0°<当首层叶片埋深较深(叶片埋深大于4当0°<=当30°<(15)将螺旋桩公式计算结果与模拟结果绘制于图12,可见计算结果与模拟结果较接近，在倾斜角度为45°时计算结果误差最大，最大误差为14.5%,计算公式较为可靠.式(4)、(13)、(15)仅适用于黏土地基中螺旋桩水平极限承载力计算中锚片所承担部分的计算.3首层叶片埋深1)黏土地基中，叶片数量对倾斜螺旋桩的水平承载能力影响不大，但随着倾斜角度增大，深层叶片逐渐发挥作用，虽然作用不明显，但总体上叶片数量越多，倾斜螺旋桩的水平承载力越大.不同倾斜角度下，首层叶片埋深不同对倾斜螺旋桩水平承载性能产生不同程度的影响，倾斜角度增大，首层叶片埋深影响逐渐变小，但总体上首层叶片埋深越深，倾斜螺旋桩的水平承载性能越差，当埋深达到42)黏土地基中，螺旋桩在倾斜角