96 路基工程 SubgradeEngineering 2018 年第 4 期 ( 总第 199 期 ) 层厚大于 3m 典型地质剖面, 见图 2 图 1 钻孔平面布置示意 1 2 工程地质和水文地质 地理位置及地形地貌场地定于广元市利州区宝轮镇红星村七组, 宝轮镇南侧清江河右岸山体斜坡

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1 朱 敏, 等 : 输变电线路铁塔变截面嵌岩桩受力特性的数值模拟分析 95 DOI: /j.isn 输变电线路铁塔变截面嵌岩桩受力特性的数值模拟分析 朱敏 1, 孙珍茂 2, 张衡 1 1, 王雨佳 (1. 西南交通大学土木工程学院, 成都 ;2. 四川电力设计咨询有限责任公司, 成都 ) 摘要 : 变截面桩因具有高承载力 低造价的优点而得以广泛应用于软土场地 为了探究分层场地变截面桩适用性, 以川藏联网输变电工程中广元地区铁塔桩基为例, 通过数值模拟研究了相同嵌岩深度时变截面及嵌岩桩径对基桩竖向和水平承载特性的影响规律 结果表明 : 增大变截面和嵌岩桩径, 均能提高极限承载力 控制桩顶沉降和水平位移 在竖向极限承载力方面, 变截面存在一个最优值, 该值等于扩大头 与等截面桩相比, 变截面桩最多可以提高 1 15 倍竖向极限承载力, 其提升作用主要表现在变截面处端阻力的增加, 且基岩侧摩阻力的发挥程度也可从 0 54% 提高到 8 00% 关键词 :Abaqus; 数值模拟 ; 变截面 ; 嵌岩桩径 ; 承载力特性 中图分类号 :TU 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) 引言 随着高铁及电网建设的快速发展, 越来越多的工程对于独立基础的设计提出更高的要求 在道路桥梁及输变电塔基等建设中, 灵活地依据场地条件采用不同的基桩类型很有必要 目前, 桩基主要有等截面桩 阶梯型变截面桩 扩底桩 挤扩支盘桩等多种类型 [1] 其中不少工程中采用了变截面桩 ( 丁形桩 ) 来处理软土地基 [2], 以达到节省材料和充分发挥桩侧摩阻力的效果 [3-4] 方焘 刘新荣等先后针对均质黏土场地的大变截面桩的竖向和横向承载特性进行了模型试验, 认为在恰当的位置设置变截面可显著改善桩体受力 [5] 罗照运用 Ansys 和模型试验研究了变截面桩的竖向承载机理 [6] 易耀林等在地基软弱层设置中间截面扩大的变径搅拌桩, 试验表明该桩可以显著提升 3~5 倍单桩极限承载力 实际工程并非都是单一土层, 特别是西南地区多为上覆土层 下伏基岩的山地地形, 因此有必要 收稿日期 : 作者简介 : 朱敏 (1992-), 女, 四川泸州人 硕士研究生, 主要从事岩土方面的研究工作 E mail: @qq.com 对分层场地变截面桩的承载力特性进行研究 针对上述问题, 本文以川藏联网输变电工程中广元地区铁塔桩基为例, 运用 Abaqus 有限元软件模拟了单桩竖向和水平静载试验 模型在上土下岩的场地分界面处设置变截面, 考虑了土体开挖后应力重分布的作用 采用罚函数算法模拟桩土接触, 在考虑嵌岩桩径作用的同时, 着重研究了变截面对变截面嵌岩桩竖向和水平承载特性及位移的影响, 并与等截面桩对比, 得到了一些有意义的结论 1 工程实例 1 1 工程简介川藏联网 220kV 线路工程也称川藏联网输变电工程, 旨在将西藏昌都电网与四川电网接通, 结束西藏昌都地区长期孤网运行的历史, 从根本上解决西藏昌都和四川甘孜南部地区严重缺电和无电问题 输变电线路工程中电塔采用桩基础, 一般通过机械旋挖成孔, 中风化岩层采用冲孔灌注桩施工工艺成桩 本工程的钻孔平面示意, 见图 1 本项目主要针对川藏联网 220kV 线路工程中广元地区的典型地质条件进行铁塔桩基竖向和水平承载力的数值模拟分析

2 96 路基工程 SubgradeEngineering 2018 年第 4 期 ( 总第 199 期 ) 层厚大于 3m 典型地质剖面, 见图 2 图 1 钻孔平面布置示意 1 2 工程地质和水文地质 地理位置及地形地貌场地定于广元市利州区宝轮镇红星村七组, 宝轮镇南侧清江河右岸山体斜坡台地, 距宝轮镇直线距离约 1km 场地西侧 11m 处有公路相连, 交通较为方便 场地为水旱田, 位于山体斜坡小冲沟台地, 台面宽 10 0~15 0m, 台面平缓, 坎高 0 6~1 2m 场地目前为旱地, 农作物为小麦 区域地质构造场地区域处于龙门山印支褶皱带, 褶皱带呈北东 - 南西走向 中生代地层较发育, 为一套稳定的地台型沉积, 基本未遭受变质作用 场地地形平缓 开阔, 无滑坡 泥石流等不良地质作用 地层岩性场地地层岩性主要为残坡积 (Q el+dl 4 ) 粉质黏土和中生界侏罗系中统沙溪庙组上段 (J 2 S 2 ) 砂岩 分述如下 : 粉质黏土 : 褐色, 湿 - 很湿, 以可塑为主, 局部为软塑, 层厚 2~3m 砂岩 : 岩体较完整, 节理裂隙较发育, 中等风化, 图 2 典型地质剖面 ( 单位 :m) 2 数值模拟分析 2 1 假定条件本次模拟选取某川藏输变电线路工程中广元地区场地, 由于实际工程中基底嵌岩, 本文不再考虑嵌岩深度的影响, 着重分析变截面的影响 假设如下 : (1) 岩土体为均质弹塑性材料, 桩体为均质理想弹性体, 不考虑土的剪胀性 (2) 桩土接触界面的摩擦系数为常数, 不考虑桩底浮渣 (3) 该场地上部为 3m 粉质黏土, 其下为中强风化砂岩 (4) 塔基为独立基础, 不考虑群桩效应 2 2 计算参数本文岩土体均采用 Morh-Coulomb 屈服准则, 综合地勘资料和前人研究成果 [7], 选取桩体及岩土体参数, 见表 1 表 1 嵌岩桩及岩土参数 材料 本构模型 密度 ρ/(kg m -3 ) 弹性模量 E/MPa 泊松比 μ 黏聚力 c/kpa 内摩擦角 φ/( ) 摩擦系数 f 桩 线弹性 粉质黏土 M-C 中风化基岩 M-C 建立计算模型及边界条件运用 Abaqus 有限元软件建立了完整的三维实体基桩模型, 竖向尺寸取 3~5 倍桩长, 水平取 20 倍桩径, 即模型外部尺寸 ( 高 ) 为 20m 25m 模型底部约束竖向和水平向位移, 侧边界约束水平位移 本文研究了下部嵌岩桩径分别为 0 6,0 8, 1 0m, 嵌岩深度为 4 0m, 变截面增量为 0~0 8m 的 15 组变截面基桩模型 具体设计方案, 见表 2 表 2 设计方案 受力工况 嵌岩桩径 /m 变截面增量 /m 变截面位置 桩底扩大头 地层分布 竖向下压 水平受力 0.6,0.8,1.0 0,0.2,0.4,0.6,0.8 地表以下 3m 45 外扩半径 0.3m 上部 3m 粉质黏土 下部中强风化砂岩

3 朱 敏, 等 : 输变电线路铁塔变截面嵌岩桩受力特性的数值模拟分析 m 嵌岩桩径, 上部变截面为 1 2m 的基桩模型的尺寸示意, 见图 3 模型桩体和岩土体网格剖分图, 见图 4 图 5 桩体和岩土体均采用线性减缩积分单元 C3D8R 桩土界面发生一定的位移 ( 或脱开 ), 则该界面上无正应力产生 图 6 弹性滑移变形示意 (k 为斜率 ) 图 3 0 8m 嵌岩桩径 变截面 1 2m 的桩基对称模型尺寸 ( 单位 :m) 图 4 0 8m 嵌岩桩径桩体网格剖分 切向采用库伦摩擦模式, 具体可理解为切向摩擦力是固体力学中的正应力乘以一个等效摩擦系数 表达式为 τ m =C o +f 0 P =fp (1) 式中 :C o 为抵抗滑动的黏聚力 ;f 0 为接触面静摩擦系数 ;f 为接触面等效摩擦系数 ;P 为法向接触压强 ;τ m 为临界剪应力 [9] 根据许宏发等的研究结论 : 一般情况下, 混凝土桩对于砂土的摩擦系数取值范围为 0 50~1 00 之间, 而混凝土桩对于黏性土的摩擦系数取值范围是 0 25~0 40 本文假定上层粉质黏土的摩擦系数恒定为 0 40, 下伏砂岩的摩擦系数为 0 67, 不考虑桩底浮渣 2 5 数值模拟计算结果分析依据 建筑基桩检测技术规范 [10] 中竖向和水平极限承载力的取值规定, 选定桩顶竖向 ( 水平 ) 位移达 30mm 时的作用力作为极限承载力 变截面对桩身轴力的影响嵌岩桩径为 0 8m, 埋深为 7 0m 的等截面和变截面桩在极限承载力下的桩身轴力分布曲线, 见图 7 图 5 0 8m 嵌岩桩径桩体岩土剖面网格模型 2 4 接触分析接触算法是高度非线性问题, 本文在桩土接触界面分别建立桩侧与桩周土 桩底与基岩 扩大头与桩侧土体 桩体变截面处与基岩等接触时, 选择刚度较大的桩体为主面 刚度较小的岩土体为从面, 建立面面接触关系 模拟中使用罚函数 (Penalty) 约束算法实现黏结与滑移状态的过渡, 采用有限滑移可以较好地实现基桩在加载过程中的接触面动态追踪, 默认表面黏结在一起时允许发生少量的相对滑移变形 [8] 弹性滑动变形示意, 见图 6 图 6 中, 接触面法向采用硬接触模式, 即一旦 图 7 桩身轴力分布从图 7 可以看出 :1 在岩土分界处设置变截面最高可提升 1 15 倍桩体竖向极限承载力 ;2 等截面桩在 3m 埋深附近由土质较软的黏土层进入土质较硬的砂岩层时侧摩阻力增大, 导致轴力略有减少, 变截面桩在 3m 的变截面处轴力突变较大, 说明变

4 98 路基工程 SubgradeEngineering 2018 年第 4 期 ( 总第 199 期 ) 截面对于极限承载力的贡献度远大于地层参数 ;3 变截面桩的轴力衰减率远大于等截面桩, 侧摩阻力占极限承载力的比重从 0 46% 提高到 8 00% 左右, 表明变截面桩可以更充分地发挥下伏基岩的侧摩阻力, 其荷载先由桩顶传至变截面处 随后传至桩侧 最后传至桩底, 而等截面桩极限承载力直接由桩端承担, 基岩中的摩擦力几乎不发挥作用 ;4 嵌岩桩表现为端承桩 上部黏土摩擦力对于承载力的贡献很小, 变截面嵌岩桩的极限承载力主要由变截面端阻力 桩端端阻力和部分基岩侧摩阻力组成 ;5 桩底扩大头附近的轴力变化较为复杂, 变截面等于扩大头时为最优值 变截面对桩身剪力和弯矩的影响桩身剪力和弯矩, 见图 8 相对于 1000kN 时 9mm 的桩顶位移减小量 ; 水平推力为 3000kN 时, 桩顶位移由最初的 60mm 减小到 1 6m 变截面时的 18mm, 降低了 70 0%, 这说明变截面桩能有效控制桩顶水平位移, 并且承受的外荷载越大, 变截面对桩顶的位移约束越明显 图 9 桩顶水平位移与变截面关系曲线 1000kN 水平推力作用下的桩身挠度曲线, 见图 10 图 kN 水平推力下桩身挠度曲线 图 8 桩身剪力和弯矩由图 8 可以看出 :1 随着水平极限荷载的增加, 桩身内力也在增加, 变截面桩和等截面桩的剪力图 弯矩图形状相似, 均表现出变截面处 ( 地层分界面 ) 剪力为零 弯矩最大的特点, 变截面桩在水平推力作用下荷载传递规律与等截面桩一致 ;2 对比 0 6, 0 8,1 0m 嵌岩桩径的结果, 发现嵌岩桩径越大, 剪力和弯矩为零时的埋深越小 变截面对桩顶水平位移的影响桩体在承受不同水平荷载时桩顶水平位移与变截面的关系曲线, 见图 9 由图 9 可见 : 以等截面桩为基准, 变截面为 1 0m 时, 桩顶水平位移减少了 32 0% ~37 4%, 且 由图 10 可以明显看到 :1 变截面为 1m 时即可降低 36 7% 的桩顶位移, 随着变截面增加, 桩身整体位移逐渐减小 ;2 在 0~4m 埋深范围内, 变截面越小, 产生相同桩身位移的位置越靠下, 越不利于桩体稳定 ; 埋深大于 4m 时, 变截面对桩体水平位移的影响可以忽略 变截面对桩顶垂直位移的影响桩顶竖向荷载 - 位移曲线, 见图 11 虚线表示竖向荷载为 20000kN 时不同基桩的沉降值 图 11 桩顶竖向荷载 - 沉降曲线

5 朱 敏 等 输变电线路铁塔变截面嵌岩桩受力特性的数值模拟分析 由图 可以看出 相对于等截面桩 最优变截 表 表 分别给出了相同变截面 不同嵌 面 的基桩桩顶沉降可减少 且 岩桩径条件下 桩基内力和位移模拟计算结果 由 当变截面为 m时 桩顶沉降减少 表 表 可知 在变截面相同时 增大嵌岩桩 说明增大变截面能更好地控制桩顶沉降 径可提升基桩的极限承载力 并可以减小其竖向和 下部嵌岩桩径对承载力及位移的影响 水平位移 表 嵌岩桩径对内力的影响模拟计算结果 嵌岩桩径 m 最大弯矩 Mmx N m 最大剪力 Qmx N 最大轴力 Nmx N m m m m m m E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E 姚成 钉形水泥搅拌桩加固软土复合地基研究 D 镇江 江苏科技大 表 嵌岩桩径对桩顶竖向和水平位移的影响模拟计算结果 kn竖向压力下 竖向位移 mm k N水平推力下 水平位移 mm 嵌岩 m 桩径 m m m m 学 YAOC T T m m x m j J U S T D Z 方焘 刘新荣 耿大新 等 大变径桩竖向承载特性模型试验研究 I J 岩土力学 UXR GENGDX M FANGT LI m w I J R k S M 刘新荣 方焘 耿大新 等 大变径桩横向承载特性模型试验 J 结语 本文以川藏联网输变电工程中广元地区铁塔桩 基为例 通过数值模拟研究了变截面和嵌岩桩 径对基桩的竖向 水平极限承载力及位移的影响 得到以下结论 总体来说 增大变截面和嵌岩桩径对 基桩极限承载力有着显著的提高作用 其中在土层 中国公路学报 M LI U XR FANG T GENG DX m w J C J H w T 罗照 变截面桩的竖向承载性状模型试验研究 D 上海 华东理工大 学 LUOZ M D S E C U S T 易耀林 刘松玉 杜延军 等 变径水泥土搅拌桩单桩承载力试验研究 分界面设置变截面不仅可以提高竖向和水平承载力 J 东南大学学报 自然科学版 还能有效控制桩顶和桩身位移 U SY DU YJ F YIYL LI 对于竖向极限承载力而言 嵌岩桩径和深 度相同时 变截面存在最优值 大小等于扩大 头 且可提高 倍极限承载力 变截面桩提高的竖向极限承载力主要由变 截面增量范围内下伏基岩来提供 变截面桩可将基 提升到 左右 岩摩阻力的发挥程度由 m嵌岩桩径的桩基 在承 受水平极限荷载时 剪力和弯矩为零时的埋深位置 分别为 m 可得到嵌岩桩径越大 剪力和弯 矩为零时的埋深越小 J S m m m x m J U N S 王钦科 上覆土嵌岩扩底桩的抗拔承载力及变形特性研究 D 成都 西南交通大学 WANGQK S m k k D C S w J U 费康 彭稢 ABAQUS岩土工程实例详解 M 北京 人民邮电出版 社 FEIK PENG J ABAQUSD Ex m G E M B j P T mp 许宏发 吴华杰 郭少平 等 桩土接触面单元参数分析 J 探矿工 程 GUOSP S m XUHF WUHJ 参考文献 R 吕亚茹 刘汉龙 王明洋 等 异形桩桩土荷载传递机理理论分析 J 岩土工程学报 增刊 LVYR LI UHL WANGMY T m m J C J G E S m J Ex E J GJ 建筑基桩检测技术规范 S 北京 中国建筑工业出 版社 J GJ T C T B F P S B j C A B P 下转第 页

6 108 路基工程 SubgradeEngineering 2018 年第 4 期 ( 总第 199 期 ) StudyonFlexuralPerformanceofPrestresedConcretePipePile JIWenjin (HangzhouInstituteofCommunicationsPlanning,Design&Research,Hangzhou310006,China) Abstract:ThefiniteelementsoftwareABAQUSisusedtocaryoutthenumericalsimulationofPHCpipepile throughtwophcpipepiletestandrelateddataandthefailureprocesoftheprestresedconcretepipepilein bendingisstudied.thecalculatedresultsareingoodagreementwiththeexperimentalresults.onthisbasis, theinfluenceofarangementform,numberanddiameterofnon prestresedreinforcementontheflexural capacityofprcpipepileisanalyzed.theresultsshowthatthenon prestresedreinforcementshouldbe arangedevenlyincircledirectionandtheflexuralcapacityofprcpipepileisincreasedwiththenumberand areaofnon prestresedreinforcements. Keywords:prestresedhighstrengthconcretepipepiles;non prestresedreinforcement;flexuralcapacity; finiteelementanalysis 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ( 上接第 99 页 ) NumericalSimulationAnalysisonMechanicalCharacteristicsofRockSocketedPiles withvariablecrossectionofirontowerintransmisionline ZHUMin 1,SUNZhenmao 2,ZHANGHeng 1,WANGYujia 1 (1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China; 2.SichuanElectric&PowerDesignConsultingCo.,Ltd.,Chengdu610041,China) Abstract:Thevariablecros sectionpilehasbeenwidelyusedinsoftsoilsitesbecauseofitshighcapacity andlowcost.inordertoexploretheapplicabilityofapilewithvariablecrossectioninthestratifiedsite, basedon theiron towerpilefoundation in Guangyuan region in Sichuan and Tibetnetworkingpower transmisionandtransformationproject,thenumericalsimulationhasbeenconductedinthispapertostudythe influencelawofvariablecros sectiondiameterandrocksocketedpilediameteronverticalandhorizontal bearingcapacitycharacteristicsofthefoundationpileswiththesamerock socketeddepth.theresultsshow thattheincreaseofthevariablecrossectiondiameterandrocksocketedpilediametercanenhancethe ultimatebearingcapacityandcontrolthesetlementandhorizontaldisplacementatthepiletop.forthevertical ultimatebearingcapacity,thevariablesectiondiameterhasanoptimalvalue,whichisequaltotheenlarged diameterofthehead.asforvariablecrossectionpiles,theverticalultimatebearingcapacitycanbeupto 1 15timeshigherthanthatofuniformsectionpiles.Inaddition,theliftingefectismainlycontributedbythe enlargementoftheendresistanceatthevariablecros section.besides,theutilizationofthebedrocklateral frictionhasincreasedfrom0 54% to8 00%. Keywords:Abaqus;numericalsimulation;variablesectiondiameter;rocksocketedpilediameter;bearing capacitycharacteristics

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