叶片可伸缩钢管螺旋桩结构的承载特性及设计方法

张新春,韩春雨,白云灿,何泽群

(华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071003)

输电线路担负着输送电能和分配电能的任务,其长期运行在大范围多变复杂地质条件和气象条件下,这给线路的建设和安全运行带来了新的挑战.然而,在输电铁塔搭建、固定和抢修,以及特/超高压架空输电线路拉线施工过程中,要用到一些临时地下基础.现有临时基础具有施工周期长、污染环境、不可回收性且程序繁琐等缺点,甚至还受限于特殊的地质条件而无法正常施工,这对预制基础提出了更高的要求.因此,研制出一种功能性更强、机械施工特性更好且绿色环保的工程机械装置来替代现有的临时地下基础,在实际工程领域中具有十分重要科学意义.

由于具有快速安装、无需开挖、对环境友好、可在各种气候及地质条件下施工、能方便迁移和回收、较高的承载能力等优点[1-2],螺旋桩基础被广泛应用于各种特殊岩土工程问题中(如坑壁及边坡支护、海上结构物拉索、土工测试反力装置等).作为一种新型锚固结构,螺旋桩装置利用地下深层天然土体抗力来实现固定,通过特殊施工机械在桩顶施加一定扭矩使之旋入天然土层中.目前,关于螺旋桩结构承载特性的大量研究已展开,并取得到了一些重要的研究成果.例如:郝冬雪等[3]讨论了砂土中锚片间距及数量对钢管螺旋桩结构上拔承载特性的影响;Dong等[4]在斜向循环拉力载荷下对单螺旋桩的上拔承载性能进行了研究;Stanier等[5]分析了桩体几何结构对软黏土中螺旋桩承载特性的影响,并对其结构进行了设计;Kurian等[6]利用有限元方法对螺旋桩结构在不同加载条件下的力学特性进行了分析;Al-Baghdadi等[7]研究了砂土中竖向荷载对螺旋桩结构横向承载性能的影响;Golikov等[8]研究了焊接方法对螺纹桩焊接接头结构及力学性能的影响;Akopyan等[9]对钢筋混凝土螺旋桩结构的桩-土相互作用进行了理论和实验研究.这些研究成果在螺旋桩基础的承载特性计算和实际工程应用方面都具有重要的参考价值.然而,这些研究主要集中于桩体几何结构和加载条件对螺旋桩结构承载特性方面的讨论.如何对钢管螺旋桩结构进行改进[10-11],在不降低其承载能力的前提下对螺旋桩结构和多功能化进行设计并未深入展开.

针对现有螺旋桩结构的弊端,本文提出了一种新型叶片可伸缩钢管螺旋桩结构,以便节约材料和机械化快捷施工.在此基础上,利用非线性有限元方法数值研究了叶片伸出比(h/hmax)和叶片布置方式对钢管螺旋桩结构承载特性的影响,并给出了上拔载荷作用下螺旋桩-土相互作用规律.本文的研究将对钢管螺旋桩装置的多功能化设计及工程机械施工具有一定的理论指导.

1 设计方法

所设计的叶片可伸缩钢管螺旋桩装置如图1所示,它是由一个直线型钢管桩身和一个螺旋尖端组成,桩身为圆柱形,桩尖螺旋叶片从锥体尖端连续布置至圆柱桩身,可伸缩叶片按照一定距离沿桩身顺序布置,圆柱桩身内部具有同等数量的可伸缩叶片支撑架(壳).所设计结构还有一根齿轮杆,该齿轮杆位于桩体中心,通过转动齿轮杆驱动叶片伸缩.内部工作原理如图2所示.

图1 叶片可伸缩钢管螺旋桩示意图Fig.1 Schematic diagram of steel screw pilewith telescopic blades

图2 可伸缩叶片桩体内部原理图Fig.2 Internal principle of the telescopic blade pile

本文所提出的新型螺旋桩装置将直线型钢管桩与螺旋桩结合在一起,改变了传统直线型桩的桩-土相互作用模式,叶片与土体之间形成协同作用,增大了桩身与土体的接触面积,形成了桩和土体之间的机械咬合体系,使钢管桩-土体变得更加牢固.在桩体旋入过程中,上部可伸缩叶片缩入桩体内部,大大减少旋入阻力,到达指定位置时再通过特定机械设备从上部深入桩体,转动齿轮杆将桩体内伸缩叶片弹出.打桩后桩侧土体形成螺母类似体,螺旋形叶片与桩侧土体紧密咬合,调整了土与钢管桩之间的应力分布,桩侧土体应力扩散度提高,桩端荷载承担比例相应减少.本文所提出的新型叶片可伸缩钢管螺旋桩装置,在不降低承载能力的前提下,能够实现多功能一体化设计.

所提出的叶片可伸缩螺旋桩装置的叶片能够藏于钢管桩身内,因而其伸缩长度受到桩身内部尺寸的限制,叶片伸缩最大值hmax为

(1)

式中:d为桩身外径;r为驱动齿轮杆半径;t为桩身壁厚.

2 叶片可伸缩钢管螺旋桩的承载特性

2.1 有限元模型建立

本文利用非线性有限元方法,基于Abaqus对钢管螺旋桩的承载特性进行了研究.利用有限元分析桩-土相互作用时,选择合理的土体本构模型非常重要.本文中,土体利用Mohr-Coulomb模型,采用黏性土,土体参数如表1所示.钢管螺旋桩桩体和螺旋叶片选用钢材,采用线性本构模型.材料参数如下:弹性模量E=210 GPa,泊松比μ=0.3.

表1 土体材料参数Tab.1 The material parameters of the soil

本文的接触通过创建表面并设置接触对来实现,螺旋桩-土接触属性采用Mohr-Coulomb摩擦罚函数形式,接触算法采用主-从接触算法.在相互作用分析中桩体表面为主面,土体接触面为从面.在定义接触属性中,切向行为与法向行为联合使用.切向行为中摩擦公式采用罚计算,并选择各项同性,摩擦系数为0.42;法向行为中选择用硬接触来定义,接触刚度定义为非线性.桩体和土体均采用C3D8R单元.土体采用圆柱体,土体半径为叶片轴向投影半径的10倍[12],长度取2倍桩长,从而有效地避免了尺寸效应的影响.边界条件为:圆柱土体视为下方的地面为固定约束,圆柱土体侧面为水平面的位移约束.采用计算精度较高的结构化网格划分,网格划分前需要对桩体及土体进行区域切割,如图3所示.在中心处网格自动加密,但仍需在叶片接触区域进行局部网格加密,以提高局部分析精度.为了达到较高的计算效率和计算精度,本文单元数量皆控制在19 000个左右.

图3 桩-土装配模型Fig.3 The pile-soil assembly model

通过改变伸缩叶片长度及布置角度分析叶片伸出比h/hmax(h为叶片伸出长度,hmax为最大叶片伸出长度)对螺旋桩结构承载性能的影响,并通过改变叶片布置方式,研究了对叶片投影间隔角度的影响.叶片布置方式为全投影型和三叶型(见图4),全投影型轴向投影叶片间隔40°,三叶型轴向投影叶片间隔120°.计算过程中,所有桩桩长10 m,桩身直径0.36 m,土体深20 m.本文中,h取75～125 mm,hmax=125 mm.叶片的轴向间距取3倍桩轴向投影圆直径,为1.83 m.

图4 桩体轴向投影图Fig.4 The pile body axial projection

2.2 叶片伸缩长度和布置方式对螺旋桩承载特性的影响

选择三叶型螺旋桩结构,通过改变叶片的外伸长度(即h=125 mm,h=100 mm和h=75 mm,如图4所示),图5给出不同载荷作用下叶片外伸长度对钢管螺旋桩结构承载特性的影响.由图5可见,当桩的外伸长度不变时,桩结构的上拔和下压位移都随着轴向载荷的增加而增大.随着叶片伸出比h/hmax的增加,桩结构的抗拔和下压承载特性明显增强.这是因为叶片越长,叶片所对应上方台体土体体积越大,土与钢管桩之间的应力重新分布,桩侧土体应力扩散区域相应增加.叶片的外伸长度越大,这一趋势越明显.在叶片外伸长度一定的前提下(h/hmax=1),通过改变叶片布置方式(见图4(c)和图4(d)),图6给出了叶片布置方式对钢管螺旋桩上拔和下压承载特性的影响.由于全投影型叶片布置方式,其叶片对应土体体积要大于三叶型至少1倍,且叶片在轴向之间的相互影响降低,提高了应力扩散效应,增强了桩体与土体之间的机械咬合作用,所以无论承压还是上拔,全投影型桩的承载性能要优于三叶型桩,这一叶片布置方法对工程应用具有借鉴意义.

图5 不同叶片长度的螺旋桩载荷-位移曲线Fig.5 The load-displacement curve for screw piles with different blade extended lengths

图6 叶片布置方式对钢管螺旋桩承载特性的影响Fig.6 Effects of the blade layout on the bearing characteristic of steel screw piles

2.3 桩体周围土体的应力扩散特性

为了研究钢管螺旋桩周围土体的应力扩散特性,提取了给定上拔载荷作用下(F=16 t)土体中不同点的Mises应力值.采用等间距方式提取不同的位置,水平方向间距值为125 mm(也就是最大叶片外伸长度),竖直方向间距值为1.83 m(也就是叶片间距值),提取点分布情况如图7所示.水平方向应力提取点为A,B,C,D点;竖直方向取两列,分别是位于叶片之间桩身侧面的D,E,F点和位于叶片边缘的C,G,H点.

为了清晰描述土体中的应力扩散规律,采用图4(c)中的桩型.在轴向上拔载荷F=16 t作用下,图8给出了桩体周围土体的Mises应力云图.从图中可以看到,桩体周围的应力扩散区域主要集中在叶片投影区和顶层叶片对应区域.由于不受其他叶片的影响,顶层叶片周围土体的应力扩散效应明显,应力扩散区域最大.图9给出了桩周土体不同位置的应力扩散特性.在上拔载荷作用下,由于土体具有一定的松散性和流动性,所以土体在受剪时应力扩散传递规律具有非线性,首层叶片水平方向(即A,B,C,D点)距离桩身越远,扩散应力越小;由于桩体上拔,上部土体受压而处于压紧状态,下部土体将会出现部分松散甚至空腔区,叶片边缘竖直方向(即C,G,H点)越深,轴向应力分量越小;叶片之间桩身侧面竖直方向(即D,E,F点),由于叶片边缘外侧受到剪切挤压,叶片之间土体随桩体上拔产生位移,会出现土体移动或剪切土柱,受土重和剪切挤压,桩体越深,其轴向应力分量越大(图9(c)).

图7 提取点位置分布图Fig.7 The distributive location of the extractionstress point

图8 土体应力云图Fig.8 Mises stress of soil

图9 桩体周围不同位置处的轴向应力Fig.9 The axial stress of the soil around the pile with different location

3 结论

(1) 本文提出了一种新型叶片可伸缩钢管螺旋桩装置,该结构改变了传统直线型桩的桩-土相互作用模式,叶片与土体之间形成协同作用,使钢管桩-土相互作用变得更加牢固.该装置在不降低承载能力的前提下,能够实现其结构和多功能一体化.

(2) 叶片的外伸长度对钢管螺旋桩结构承载特性有重要影响,随着叶片伸出比h/hmax的增加,桩结构的抗拔和下压承载特性明显增强.此外,叶片布置方式对钢管螺旋桩的承载特性亦有重要影响,全投影型桩的承载能力要优于三叶型桩.

(3) 在桩体结构和上拔载荷一定的前提下,桩体周围土体的应力扩散在水平方向和竖直方向具有明显规律.水平方向距离桩身越远,轴向应力分量越小;叶片边缘竖直方向越深,轴向应力分量越小;由于叶片边缘外侧受土重和剪切挤压,桩身侧面深处的轴向应力分量要大于顶层.

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