新型高分子仿木桩结构性能分析

张 竟，叶素飞

（1.扬州市城市规划设计研究院有限责任公司，江苏 扬州 225003；2.扬州市城市河道管理处古运河管理所，江苏 扬州 225003）

0 引 言

板桩墙是水利工程中广泛应用的一种挡土结构，传统板桩主要分为混凝土板桩、钢板桩和木板桩[1]，随着对高分子材料的研究，高分子板桩凭借成本低、寿命长、施工周期短等优点逐渐代替了传统板桩[2-4]。由于我国高分子材料板桩相关研究与西方发达国家相比起步较晚，许多理论还不完善，因此对高分子板桩结构性能研究具有重要的意义[5-6]。本文研究了一种新型高分子仿木桩，通过建立新型高分子仿木桩有限元分析模型，对仿木桩不同挡土高度下的结构性能及稳定性进行分析，为高分子材料板桩墙的进一步研究提供基础。

1 新型高分子仿木桩结构设计

新型高分子仿木桩是由高分子强化复合材料PVC 经多种添加剂混合后一次挤压成型的高强度新型板桩墙。仿木桩之间通过Ω 型凹凸接头进行连接，内部空心位置可以填充土，增加板桩墙的整体结构性能。新型高分子仿木桩如图1 所示。

图1 新型高分子仿木桩结构

为了对新型高分子仿木桩进行有限元仿真分析，首先对新型高分子仿木桩取样进行力学性能试验，根据试验测得新型高分子仿木桩材料力学性能参数如表1 所示。

表1 新型高分子仿木桩材料力学性能参数

2 高分子聚合物板桩结构受力分析

根据高分子聚合物板桩的运用特点、挡土高度、施工工艺及其设备条件、周边相近条件支护工程的工程经验、施工周期等情况考虑该板桩主要采用悬臂式支护结构，如图2 所示。

图2 板桩支护结构图

基于土力学理论，参照《钢板桩支护技术规程》，对高分子聚合物板桩进行受力分析，主要考虑板桩一侧无水压力作用，一侧挡土的工况，该工况下板桩主要承受侧向土压力、下曳力以及自重。各载荷的计算公式如下所示[7]：

(1)侧向土压力：

其中，Fep,k：地下水位以上侧向主动土压力标准值（kN/m2）；Ka：主动土压力系数，根据土质情况取1/3；γs：地下水位以上回填土的有效重度（kN/m3）；Z：地面到计算截面处的深度(m)；F＇ep,k：地下水位以下的侧向主动土压力标准值(kN/m2)；Zw：地面到地下水位的距离(m)；γ＇s：地下水位以下回填土的有效重度(kN/m3)。

其中，TA：板桩单位面积上的平均下曳力标准值(kPa)；μ：板桩与回填土间的摩擦系数，根据土质情况取0.26；Fep,K1：板桩顶部侧压力标准值(kPa)；Fep,K2：板桩底部侧压力标准值(kPa)。

图3 侧向土压力、下曳力示意图

3 新型高分子仿木桩有限元分析

为了研究新型高分子仿木桩在不同挡土高度下的结构性能及稳定性，为新型高分子仿木桩在水利工程中的实践应用提供理论基础，分别对不同挡土高度下的仿木桩桩土模型进行有限元结构性能和稳定性仿真。具体有限元仿真工况如表2 所示。

表2 新型高分子仿木桩有限元分析工况表

3.1 新型高分子仿木桩有限元分析模型

根据新型高分子仿木桩的结构以及不同分析工况，建立仿木桩与土层的有限元仿真模型，对仿真模型进行网格划分，如图4 所示为挡土高度1.0 m时仿真模型，共划分为7 894 657 个节点，4 696 965个单元。

图4 高分子聚合物板桩有限元分析模型

3.2 有限元计算结果

对板桩施加侧向土压力及下曳力，得到仿木桩在挡土高度为1.0 m 的最大变形为4.04 mm，位于板桩顶部；最大应力为1.18 MPa，位于板桩上与土层接触位置。

对挡土高度为1.0 m 时的仿木桩进行线性屈曲分析得到仿木桩结构的稳定性能，得到仿木桩挡土高度为1.0 m 时，最小载荷放大因子为62。

不同挡土高度时，板桩的最大变形、最大应力值以及保持稳定性的最小载荷放大因子如表3 所示。

表3 不同板桩组合形式下不同挡土高度时有限元分析结果

根据不同挡土高度下仿木桩的计算结果可知，仿木桩在不同高度下最大应力和最大变形随挡土高度变化的关系如图5 所示。

图5 仿木桩最大应力和最大变形随挡土高度变化曲线

根据仿木桩有限元分析结果可知，仿木桩最大应力和变形随着挡土高度的增加呈现几何式增长，在挡土高度为2 m 时，最大应力为9.99 MPa，小于材料的拉伸强度；最大变形为87.35 mm，与传统钢板桩和混凝土挡墙相比变形较大，但挡土高度小时，能够满足一定的工程要求；对仿木桩进行稳定性分析结果可知，仿木桩在不同挡土高度下，其载荷放大因子最小为12.75，所以仿木桩能够满足稳定性要求。

4 结 语

文章通过对不同挡土高度下的新型高分子仿木桩进行结构及稳定性分析，得到了其最大应力、最大变形以及稳定载荷放大因子随挡土高度变化的曲线，根据结果可知，新型高分子仿木桩最大应力为9.99 MPa，远小于材料的拉伸强度；其变形也能够满足一定的工程需求；且在不同挡土高度下的稳定性分析可知，新型高分子仿木桩满足稳定性设计要求。