第 38 卷 2018 年 9 月 第 9 期 中国港湾建设 China Harbour Engineering Vol. 38 Sep No.9 水平循环荷载作用下单桩基础承载性状数值分析 杨东岩 1,2, 史旦达 1, 邵伟 1 (1. 上海海事大学海洋科学与工程学院, 上海 201

Transcription

1 第 3 卷 1 年 9 月 第 9 期 China Harbour Engineering Vol. 3 Sep. 1 No.9 水平循环荷载作用下单桩基础承载性状数值分析 杨东岩 1,, 史旦达 1, 邵伟 1 (1. 上海海事大学海洋科学与工程学院, 上海 13;. 中交上海航道勘察设计研究院有限公司, 上海 1) 摘 要 : 文章采用 ABAQUS 有限元软件分析了桩顶自由长度 桩长径比 桩土刚度比等因素对水平循环荷载作用下 桩基础承载性状的影响 结果表明 : 随着桩顶自由长度增大, 桩身弯矩呈非线性增大, 桩身水平约束减小, 从而降 低了桩的水平承载力 桩径的增加使桩身上部的水平承载能力逐渐提高, 达到一定值时, 桩逐渐从柔性桩转变成刚 性桩 随着桩土刚度比的增加, 桩顶以下 ~ m 范围内桩身弯矩减小, m 以下桩身弯矩变大, 桩身水平位移 点 位置下移 关键词 : 水平循环荷载 ; 桩基础 ; 承载性状 ; 数值分析 中图分类号 :U..1;TU73 文献标志码 :A 文章编号 :9-77(1)9-1- doi:1.7/zggwjs191 Numerical analysis on bearing behavior of single pile under lateral cyclic loads YANG Dong-yan 1,, SHI Dan-da 1, SHAO Wei 1 (1. College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 13, China;. Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd., Shanghai 1,China) Abstract:We used the ABAQUS finite element software to analyze the effects of free length of pile head, pile diameter ratio and pile-soil stiffness ratio on the bearing behavior of pile foundation under horizontal cyclic loading. The results show that with the increase in the free length of pile head, the bending moment of the pile body increases non-linearly, and the horizontal constraint of pile becomes smaller, thus leading to the decrease of the lateral bearing capacity of pile. The increase in the pile diameter increases the lateral load capacity of upper part of pile body, and when reaching a certain value, the pile is transformed from flexible pile into rigid pile. As the pile -soil stiffness ratio increases, the bending moment decreases in the range from m to m below the pile top, and the bending moment of the pile below m becomes larger and the zero position of lateral displacement of the pile moves down. Key words:lateral cyclic loads; pile foundation; bearing behavior; numerical analysis 引言随着海上建筑物的大量建设, 桩基础越来越多地应用于港口码头 跨海桥梁 近海石油钻探 [1] 平台 海上风机等海洋工程中, 而这些建筑物都是依靠桩基来承受水平和竖向荷载 与桩基的竖 收稿日期 :1-- 修回日期 :1-- 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (1913, 17773) 作者简介 : 杨东岩 (199 ), 男, 硕士研究生, 江苏连云港人, 主要研究方向为近海岩土工程 dongyanyang11@13.com 向荷载相比, 来自水平方向长期作用的风荷载 波浪的冲击力 桩侧土抗力和地震作用等水平循环荷载则更为复杂, 对桩基承载性能的影响也更 [] 为剧烈 经过长期的水平循环荷载作用, 桩周土体中不可避免地产生不可恢复的累积塑性变形, 土体塑性变形的不断积累进而引起桩土相互作用 [3-] 的刚度弱化以及桩基础水平承载力的降低 目前国内外对桩基的水平受荷特性的研究方法主要分为弹性分析法和弹塑性分析法 弹性分

2 窑 窑 析法主要使用的是弹性地基梁法, 其中的 m 法既可用解析法也可用数值解析法求解, 使用非常方便, 但地基反力系数非常敏感, 其正确与否直接 [] 关系到计算结果的正确性 但当桩基发生较大水平变形时, 弹性分析便不再适用, 而采用弹塑性分析模型比较合理, 其中 p-y 曲线法被公认为是 [] 最有效的桩基水平大变位分析方法 目前, 国内外学者已经对水平荷载作用下桩基的承载性状开 [7] 展了大量理论与试验研究 Matlock 等给出了短期静载或周期荷载作用下软黏土的 p-y 计算方法 [] Rajashree 等通过引入与循环次数相关的衰减系数, 给出了循环加载后的水平极限承载力公式 [9] Achmus 等给出了桩长 桩径和荷载状态对桩侧 [1] [11] 变形累积速率的影响 Byrne 等和 Peng 等在 1g 条件下, 利用离心试验研究循环次数 不同桩径 荷载大小以及砂土密实度对模型桩侧向位移的影响 Basack [1] 建立波浪产生的水平向循环荷载对于 [13] 土体强度和刚度的衰减函数模型 汪传顺等根据实测桩身应变值计算桩身弯矩, 采用线弹性地基反力法中的 m 法位移公式计算桩身水平位移 上述文献对水平循环荷载下桩基础承载性状进行了大量理论与试验研究, 取得了可喜的研究成果 但上述文献对诸如波浪荷载等长期水平循环荷载下大直径桩基础的承载力方面的研究还较少 鉴于此, 本文在 ABAQUS 有限元软件基础上, 模拟验证了河海大学岩土所开展的现浇混凝 [1] 土大直径管桩水平承载的足尺试验, 进而分析桩顶自由长度 桩长径比 桩土刚度比等因素对桩身弯矩 桩身水平位移的影响, 为长期受水平循环荷载的桩基础设计提供参考 1 模型建立与验证 1.1 模型建立本文采用 ABAQUS 软件对混凝土管桩及桩周土体进行建模, 模型中的土体均假定为均质土, 土体采用 Mohr-Coulomb 弹塑性模型, 进而对不同影响因素下桩基的承载性状进行模拟 模型中混凝土管桩外径为 1. m, 桩长为 1 m, 壁厚为 1 mm, 假定桩体为弹性材料, 利用梁单元 B1 进行离散 桩体弹性模量 E p =3 GPa, 泊松比 v p =.17 采用二维平面应变减缩积分单元 CPER 对土体进行离散, 土体的参数为 : 变形模量 E = 3 MPa, 泊松比自 =.3, 重度酌 =1 kn/m 3, 黏聚力 c=7 kpa, 摩擦角渍 =3 毅 本文为了将边界对分析区域的影响降到最低, 故将桩端分析区域向下扩展 1 倍桩长, 水平方向取为 倍的桩径 计算模型中, 桩外侧与外围土体 桩内侧与桩内土芯 桩底与桩底土体均采用接触单元, 以模拟桩土之间的黏结 滑移和脱离 其中桩土切向接触采用库伦摩擦, 且摩擦系数依据经验取为.3 法向接触为硬接触, 可模拟土体与桩压紧状态时传递任意大小的法向压力 若脱开存在间隙, 则不能传递法向压力 有限元模型见图 1 Y X Z 图 1 有限元模型 Fig. 1 Finite element model 模型中的荷载主要包括模型各部分的自重以及施加于桩体上的水平循环荷载 而水平循环荷载施加在桩顶部, 对桩体产生正向加载 正向卸载 反向加载 反向卸载 正向加载的不断循环的过程 模型的边界约束是在模型的左右两边施加水平方向约束, 底部施加水平和垂直 个方向的位移约束, 并考虑了土体初始应力场的影响 1. 模型验证采用 ABAQUS 软件数值模拟验证河海大学岩土所开展的现浇混凝土大直径管桩水平承载足尺试验, 试验与数值模拟的对比结果如图 所示 由图 可看出 : 数值模拟与试验的桩身弯矩分布曲线基本一致, 桩身最大弯矩大致位于桩顶以下. m 左右 主要差别在于荷载较大时, 数值模拟得到的桩身弯矩数值比试验得到的要偏小 出现上述差异的原因主要在于模拟桩身混凝土采用的是线弹性模型, 不能反映实际情况中混凝土桩身的塑性变形 虽有此差异, 但曲线的基本规律是大体吻合的, 因此采用本文有限元模型进行计算是可行的

3 一定的滞后性 因此 本文为研究方便 针对 t=. s 时刻的桩身位移和桩身弯矩进行分析研究 kn 试验 kn 模拟 1 kn 试验 1 kn 模拟 1 kn 试验 1 kn 模拟 图 桩身弯矩试验与模拟结果对比 Fig. Comparison of the bending moment of the pile body between FEM and laboratory test 计算结果分析 本文中水平循环荷载采用的是简单双向简谐 荷载 其表达式为 F t = Fsin 棕t + 渍 1 式中 F 为振幅 可取 F=1 kn 棕 为荷载频率 可取 棕= Hz t 为荷载持续时间 可取 t=1 s 渍 为初始相位角 可取 渍= 在循环水平荷载作用 下 桩在某时刻沿着深度方向的位移变化反映了 桩身刚度的变化情况 水平位移幅值越大 对应 的单桩刚度降低越多 因此有必要研究桩发生最 大水平位移的时刻 如图 3 所示 可以看到在第 1 个周期中 荷载首次达到最大幅值的时间应为.1 s 而发生最大位移的时刻却在. s 左右 相应的位移恢复原位置的时间却在延后.7~. s 才发生 这说明桩基础的变形对荷载具有 -3 3 杨东岩 等 水平循环荷载作用下单桩基础承载性状数值分析 动力时间/s -1-1 图 3 t=~. s 时的水平位移时程曲线 Fig. 3 Time history curve of horizontal displacement at t=~. s.1 桩顶自由长度对承载性状的影响 图 给出了不同桩顶自由长度条件下桩身弯 矩和水平位移分布曲线 由图 a 可知 不同桩 顶自由长度条件下的桩身弯矩值随入土深度的增 加表现为先增大后减小的趋势 大弯矩主要分布 在桩埋深 ~1 m 处 桩顶和桩底的弯矩均接近 于 因此在工程设计中要充分考虑该深度范围内 土体的受荷作用 由图 b 可知 桩身位移随桩 顶自由长度的增大在逐渐增大 桩端底部位移反 向增大 桩身位移曲线 点的位置分别约在 1 m 1. m 11. m 处 可能的原因是土体在循环荷 载作用下发生软化导致位移 点明显下移 桩顶自由长度 m 桩顶自由长度 m 桩顶自由长度 m 1 桩顶自由长度 m 桩顶自由长度 m 桩顶自由长度 m 1 1 图 不同桩顶自由长度下桩身弯矩和水平位移分布曲线 Fig. Curves of bending moment and horizontal displacement of pile body under different free lengths of the pile

4 窑窑. 桩长径比对承载性状的影响 图 给出了不同桩长径比条件下桩身弯矩和 水平位移分布曲线 由图 a 可知 桩身弯矩随 着桩径的增加在逐渐增大 桩身最大弯矩深度在 上移 上移深度约为原来的.7% 因此特别需 注意桩身弯矩最大变化点处的加固措施 以防止 桩身性能损伤导致桩无法正常使用 由图 b 可 知 随着桩径的增加 桩顶水平位移从 mm 逐 渐降低到 11 mm 降低了近 7% 说明桩径的增 加大幅度提高了桩的水平承载性能 利于桩身稳 定 此外桩径的增加 减弱桩身反向挤压土体 利于桩-土相互作用 L/D=3 1 1 L/D=. L/D=3 1 1 L/D=. 1 L/D=1 1 L/D=1 1 L/D=1 L/D=1 1 图 不同桩长径比条件下桩身弯矩和水平位移分布曲线 Fig. Curves of bending moment and horizontal displacement of pile body under different length-diameter ratios.3 桩土刚度比对承载性状的影响 图 给出了不同桩土刚度比条件下桩身弯矩 和水平位移分布曲线 由图 a 可知 桩土刚度 比的增加 桩身弯矩影响的范围主要是在桩埋深 m 以下 且桩身最大弯矩深度由 9 m 下移到 1 m 而当桩土刚度比为 1 和 时 桩身弯矩 Ep/E=1 Ep/E=1 Ep/E=1 Ep/E= 刚度比的增加 桩身最大弯矩深度位置的下移必 然会导致桩身水平位移 点位置的下移 且在桩 深 ~1 m 范围内 桩身水平位移变动较为明显 - Ep/E=1 Ep/E=1 Ep/E=1 Ep/E= 1 1 图 Fig. 1 分布曲线几乎重合 说明此时桩身已足够抵抗外 荷载的变形 继续增大桩的弹性模量对桩身性状 的影响不大 由图 b 与图 a 对比可知 桩土 不同桩土刚度比条件下桩身弯矩和水平位移分布曲线 Curves of bending moment and horizontal displacement of pile body under different pile-soil stiffness ratios

5 杨东岩, 等 : 水平循环荷载作用下单桩基础承载性状数值分析 3 结语本文针对水平循环荷载作用下桩基础的承载性状进行了数值模拟, 探讨了桩顶自由长度 地基软弱土层厚度 桩长径比 桩土刚度比等影响因素对水平循环荷载作用下桩基础的承载性状的影响规律, 主要分析研究结果如下 : 1) 随着桩顶自由长度的增大, 桩身弯矩呈非线性增大, 桩身水平约束减小, 很大程度上降低了桩的水平承载力 ) 随着桩径的增加, 桩身最大弯矩深度上移深度约为原来的.7% 因此特别需注意桩身弯矩最大变化点处的加固措施, 以防止桩身性能损伤导致桩无法正常使用 此外桩径的增加, 减弱桩身反向挤压土体, 利于桩 - 土相互作用 3) 当桩土刚度比为 1 和 时, 桩身弯矩分布曲线重合, 说明此时桩身已足够抵抗外荷载的变形, 继续增大桩的弹性模量对桩身性状的影响不大 另外桩土刚度比的增加, 在桩深 ~ 1 m 范围内, 桩身水平位移变动较为明显 因此需在此深度范围内采取工程措施, 以防止位移过大进而影响桩身性能的发挥 参考文献 : [1] DEPINA I, LE T M H, EIKSUND G, et al. Behavior of cyclically loaded monopile foundations for offshore wind turbines in heteroge 原 neous sands[j]. Computers & Geotechnics, 1, :-77. [] 刘阳, 任青, 张良. 水平循环荷载作用下单桩桩顶位移变化模型试验研究 [J]. 水资源与水工程学报,1,7(3):-. LIU Yang, REN Qing, ZHANG Liang. Model test of pile-top dis 原 placement variation under effect of horizontal cyclic load[j]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 1, 7(3): -. [3] 蔡忠祥, 刘陕南, 高承勇, 等. 基于混凝土损伤模型的灌注桩水平承载性状分析 [J]. 岩石力学与工程学报,1,33(S): 3-. CAI Zhong-xiang, LIU Shan-nan, GAO Cheng-yong, et al. Analy 原 sis of lateral response of bored piles based on concrete damaged plasticity model[j]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engi 原 neering, 1, 33(S): 3-. [] 陈三姗. 循环水平荷载作用下桩基础的响应性状研究 [D]. 福州 : 福州大学,1. CHEN San-shan. Study on response characteristics of pile founda 原 tion under cyclic horizontal load[d]. Fuzhou: Fuzhou University, 1. [] 马志涛. 水平荷载下桩基受力特性研究综述 [J]. 河海大学学报 : 自然科学版,,3():-1. MA Zhi -tao. Study on behavior of pile foundation under lateral loading[j]. Journal of Hohai University: Natural Sciences,, 3 (): -1. [] 朱斌, 朱瑞燕, 罗军, 等. 海洋高桩基础水平大变位性状模型试验研究 [J]. 岩土工程学报,1,3():1-3. ZHU Bin, ZHU Rui-yan, LUO Jun, et al. Model tests on character 原 istics of ocean and offshore elevated piles with large lateral deflection [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1, 3 (): 1-3. [7] MATLOCK H. Correlation for design of laterally loaded piles in soft clay[c]//proceedings of nd offshore technology conference. Houston: [s. n.], 197: [] RAJASHREE S S, SUNDARAVADIVELU R. Degradation model for one-way cyclic lateral load on piles in soft clay[j]. Computers & Geotechnics, 199, 19(): 9-3. [9] ACHMUS M, KUO Y S, ABDEL-RAHMAN K. Behavior of monopile foundations under cyclic lateral load[j]. Computers & Geotechnics, 9, 3(): [1] BYRNE B W, LEBLANC C, HOULSBY G T. Response of stiff piles to long term cyclic loading[j]. G 佴 otechnique, 1, (): [11] PENG J,CLARKE B G,ROUAINIA M 援 Increasing the resistance of piles subject to cyclic lateral loading[j]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 11, 137(1) : 援 [1] BASACK Sudip. Design recommendations for pile subjected to cyclic load[j]. Marine Georesources & Geotechnology, 1, 33(): 3-3. [13] 汪传顺, 韩理安. 水平循环荷载下桩土共同作用的试验研究 [J]. 湖南交通科技,,3(1):1-13. WANG Chuan-shun, HAN Li'an. Experimental study on interac 原 tion of piles and soils under horizontal cyclic loading[j]. Hunan Communication Science & Technology,, 3(1): [1] 刘汉龙, 张建伟, 彭劼. PCC 桩水平承载特性足尺模型试验研究 [J]. 岩土工程学报,9,31():11-1. LIU Han-long, ZHANG Jian-wei, PENG Jie. Full-scale model tests on behavior of cast -in -place concrete pipe piles with large diameter under lateral loads[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 9, 31(): 11-1.