水平单调加载下新型组合式螺旋锚复合地基基本力学性能

刘利民,王治伟,高明德,叶永明,阎 石,张曰果

(1. 辽宁电力勘测设计院有限公司,辽宁 沈阳 110179; 2. 沈阳建筑大学 土木工程学院,辽宁 沈阳 110168)

0 引言

关于普通锚地基在水平荷载作用下的基本力学性能的研究已经取得丰硕的成果,主要集中在锚盘与土体相互作用[5]、轴向承载力[6-7]、受力性能和破坏机制[8-12]、刚度和变形性能[3,13]、临近埋深[14-15]等方面,但缺少大型试验验证[16]。一些学者对螺旋锚地基水平振动特性[17-18]和特殊气候条件下的性能等进行了研究[19-20]。研究成果均表明,在水平荷载作用下,锚盘(锚杆)与土体之间的相互作用对其受力性能和破坏机理有重要影响;在加载过程中, 土体的应力状态及其分布规律也在不断变化; 通过临界埋深率可以区分浅埋和深埋2种截然不同的受力状态等。其中,其水平承载力和刚度相对较低已经成为共识,该问题有待于进一步解决。然而,由于土体受力机理复杂性与高度非线性等原因,目前还没有一种有效的解决方法。

本文提出一种新型组合式螺旋锚(简称组合锚)基础,并进行了组合锚复合地基水平单调递增加载试验和全过程有限元分析,重点研究破坏模式、水平极限承载力和刚度及主要影响因素等,并与普通锚地基的水平静力性能进行对比分析。

1 组合锚地基原位静载试验

1.1 组合锚的组成与施工方法

所提出的组合锚的组成形式如图1所示。施工时,先旋进小螺旋锚到指定埋深,如图1(a)所示;后旋进大螺旋锚,挖出大螺旋锚内土体并在高度为L/3和2L/3处焊接两层连接钢筋,如图1(b)所示;再在大螺旋锚钢筒内灌注C25混凝土;最后,形成局部组合螺旋锚,如图1(c)所示,其特点是具有较大的水平承载力和刚度。

图1 新型组合锚基础示意图Fig. 1 Schematics of an innovative composite helical anchor foundation

1.2 试验现场地质条件

试验目的是验证所提出的组合锚地基的强度和变形性能,为此,选取某输电线路工程中的一组组合锚地基为原位试验对象,对其进行了原位水平循环加载试验。试验场地如图2所示,主要地层岩土参数如表1所示。

图2 螺旋锚基础原位试验现场Fig. 2 Test site of helical pile foundation in-situ表1 螺旋锚地基试验土质参数Table 1 Soil parameters in the helical anchor foundation test土质类别密度/(kg/m3)弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)剪胀角/(°)黏聚力/kPa粉质黏土1 920800.328310

1.3 试验工程概况

试验用组合锚大小锚外径分别为600、140 mm,锚长9.8 m,钢制锚杆等级为Q355B,大小锚杆用等级为C25的混凝土连接,桩端的椎体为实心,锚盘旋转360°,小锚盘螺距为0.35倍直径,大锚盘螺距为0.25倍直径,组合锚基础外形结构设计图如图3所示。其中,大小螺旋锚的筒壁厚度为8 mm,锚盘板厚为10 mm。

图3 新型组合锚基础设计图Fig. 3 Design drawing of the innovative composite helical anchor foundation

为了验证所设计的组合锚是否满足设计需求,设计院根据工程经验和国外相关标准及最新的螺旋锚设计规范,制定了试验计划,当水平最大位移达到25 mm且最大水平荷载达到70 kN时,可以停止试验,可以满足工程需求。

1.4 试验检测设备及方法

组合锚水平加载试验采用RS-JYC桩基静载荷测试分析系统,自动加载、判稳和卸载,全过程自动实时记录。采用XZBZ70超高压油泵、1 000 kN千斤顶提供水平推力。采用单向多循环加载法,由2根相同组合锚相互对顶进行。分级荷载为14 kN,逐级等量加载。每级加载后恒载4 min,测读水平位移,然后卸载至0,停2 min后测量水平位移。如此循环5次,完成一级荷载的位移观测。试验不得中间停顿,直至达到终止加载条件,水平加载试验原理如图4所示。

文化是指人类在社会历史发展过程中制造的物质财富和精神财富的总和,是一个复合体，包括知识、信仰、道德、法律、艺术、风俗以及人作为社会成员而获得的能力和习惯。班级文化建设是指班级成员创设文化环境、文化制度、文化关系等来熏陶和培育集体成员的一系列活动，它是班级成员在多种文化相互吸纳相互促进的文化过程。它是班级全体师生共同创造的财富，是全体师生共同劳动的结晶，也是一个动态的、发展的系统工程，它的主体是学生。

图4 水平加载试验原理图Fig. 4 Test schematic under lateral loading表2 水平荷载-位移关系主要参数Table 2 Key parameters of lateral load-displacement relationship最大荷载/kN对应水平位移量/mm70 kN对应水平位移量/mm1548.651.90

1.5 试验结果及分析

当组合锚地基水平加载试验加载至154 kN时,考虑到此荷载已完全满足工程要求,终止试验。试验所得的水平荷载-时间-位移曲线与水平荷载-位移曲线如图5所示,其中,图5(a)中的δ为组合锚顶部水平位移量,P和t分别为水平荷载和加载时间;图5(b)中水平位移量为施加每个分级荷载循环5次的平均值,水平荷载-位移关系主要参数表如表2所示。

图5 水平荷载-时间-位移曲线Fig. 5 Horizontal load-time-displacement curve

试验结果表明,组合锚地基抗推刚度较普通螺旋锚有显著增加。另外,该荷载-位移曲线明显分为2个阶段,第1阶段为0～70 kN,该阶段表现出明显的线性特征,可认为土体在弹性范围内工作;第2阶段为70～154 kN,该阶段表现出一定的非线性特征,刚度略有减小,变形增长加快。该水平荷载-位移曲线可用于验证有限元分析模型的有效性。

2 普通螺旋锚水平承载能力

为了说明螺旋锚基础的水平受力机理,绘制出普通螺旋锚基础在水平荷载作用下处于承载能力极限状态时的受力简图,如图6所示。通常,螺旋锚所受到的水平阻力包括锚杆水平阻力、螺旋锚盘上下偏转边的阻力、锚盘表面的摩擦阻力。利用静力平衡方程,可以求出螺旋锚的旋转点位置X和极限荷载P[3],假设X位于第2块和第3块锚盘之间,则

P=cud(18X-10.5d-9l)

(1)

X=-e+[(324d2e2+36dM)0.5/18d]

(2)

式中,cu为黏土的抗剪强度;M的值按文献[3]计算,其他符号的物理意义如图6所示。

图6 普通螺旋锚承载能力极限状态下受力简图[3]Fig. 6 Schematic of ordinary helical anchor under ultimate lateral bearing capacity state

螺旋锚地基水平抗推剪承载力随埋入深度和土层抗剪强度的增加而增加,亦随锚盘数量的增加而增加。另外,由于所提出的新型组合锚地基相当于局部增加了锚杆直径,对提高水平阻力有显著效果。

3 有限元计算与结果分析

由于组合锚地基受力较为复杂及全过程受力分析的需要,通过大型有限元软件ABAQUS对本次试验进行数值计算,建立组合锚地基有限元模型并进行分析,旨在验证有限元模型的正确性和有效性,并分析水平荷载作用下强度和变形等基本规律。

3.1 有限元模型的建立

螺旋锚的形式和具体尺寸如图3所示,在建立组合锚地基有限元模型时,采用相对复杂的螺旋锚盘建模方式,利用旋转方式建立锚盘模型,如图7所示。

图7 螺旋盘有限元模型Fig. 7 Helical plate finite element model

大小锚杆用C25混凝土连接,锚杆与混凝土采用接触绑定形式。建立土体模型时,分层建模,用实体切割实体的方法将土体切出锚杆、锚盘的形状进行接触设置。锚与土表面相互作用采用通用接触,接触属性切向行为取罚函数,摩擦系数取0.14[16],法向行为采用“硬”接触。整体计算模型为一个圆柱形,直径为5 m,高19.8 m, 整体单元共计34 822个,节点总数共计44 745个,单元类型为六面体C3D8R。将土体模型的边界距离设置为10倍以上的锚盘直径,以消除土体边界条件的影响。在模型底部完全固定,上表面完全自由,侧面只允许沿竖向平移,但不允许转动,设置约束条件为U1=U2=UR3=0。锚杆顶部设置耦合点来施加荷载,再进行地应力平衡设置。网格划分时,对螺旋锚周围一定范围内土体采用网格加密处理。土体网格划分如图8所示。

图8 土体网格单元划分Fig. 8 Soil mesh element division

3.2 模型参数的选取

在模型验证环节,模型尺寸和材料属性均与试验相同。土体亦采用六面体C3D8R实体单元。假设土体为均质、连续、各向同性弹塑性的材料,其本构关系和强度准则服从Mohr-Coulomb模型,杨氏模量为80 MPa。锚盘和锚杆均采用弹塑性本构模型,混凝土采用规范建议的模型。钢材和混凝土的材料参数如表3所示。

表3 钢材和混凝土材料参数表Table 3 Parameters of steel and concrete materials

3.3 有限元模型的正确性验证

在进行有限元建模时,在锚杆顶端耦合点施加水平单调递增位移,通过位移控制进行受力分析,得到组合锚的水平荷载-位移曲线,并将模拟曲线与现场试验曲线进行对比,如图9所示。

图9 组合锚地基水平荷载-位移对比曲线Fig. 9 Comparison curves of lateral load and displacement of composite helical anchor foundation

在模拟过程中,螺旋锚受到的最大水平位移设置为50 mm。由图9可见,在位移为8 mm之前,试验与模拟吻合较好,说明有限元的模拟是正确的。在位移为8 mm之后,两结果有一定的误差,尤其在因满足工程需要而停止试验前。对比试验和全过程有限元分析的结果,两曲线的趋势是一致的,但试验荷载仅达到极限荷载约70%,还有足够大的安全储备。

3.4 组合锚地基水平承载力与刚度及破坏模式

为了对比组合锚地基与普通锚地基在水平荷载作用下基本力学性能的差异,分别建立了2个有限元模型,如图10所示。2个模型除顶部大螺旋锚部分不同外,其他部分均相同。

图10 普通式与组合锚示意图Fig. 10 Schematics of ordinary and composite helical anchor foundations

在单调递增水平荷载下组合锚地基荷载-位移曲线,如图11所示。

图11 单调递增水平荷载下组合锚地基荷载-位移曲线Fig. 11 Force-displacement curve of composite helical anchor foundation under monotonic lateral loading

该曲线由3个部分组成:1)从加载位移开始到第1拐点(P1/Pu≈ 30%),范围在P/Pu≈ 0～30%之间,抗剪刚度较大,外荷载主要由螺旋锚上部的大锚杆承担。螺旋锚结构的最大Mises应力(约57.3 MPa)出现在锚端顶部。此时,土体屈服区如图12(a)所示,通过等效塑性应变PEEQ提供屈服标识AC Yield,说明周围土体屈服范围较小,绝大多出处于弹性状态;2)从第1拐点P1到第2拐点(P2/Pu≈ 90%)之间,范围在P/Pu≈ 30%～90%之间,属于正常使用阶段,刚度逐渐降低。螺旋锚结构的最大Mises应力(约271.1 MPa)出现在大锚杆锚端下部,螺旋锚结构仍处于弹性状态;此时,大锚盘上部与下部土体屈服区域已大部分连通,并且连通到了地表,形成了贯通带,如图12(b),可以认为土体将进入临近剪切破坏状态。3)从第2拐点P2到承载力极限状态(Pu)之间,范围在P/Pu≈ 90%～100%之间,属于临近破坏状态。螺旋锚结构的最大Mises应力(约356 MPa)出现在大锚杆锚端下部,材料仍处于弹性状态;此时,大锚盘上、下部土体的屈服范围更大、更广,如图12(c),更大范围土体发生剪切破坏。在下锚盘处周围,存在螺旋锚“提拉效应”,但在两锚盘之间土体屈服区域没有形成贯通带,可以认为土体产生局部剪切破坏,显示出深埋破坏的特点。

组合锚地基水平承载力极限状态应力云图如图13所示。为了说明在承载能力极限状态下,组合锚各部件对极限承载能力的贡献,分别提取各部件所分担的水平内力。结果表明,水平承载力达到极限值Pu为179.7 kN。其中,大锚杆和小锚杆分别承担极限水平荷载约59.2%(106.4 kN)和18.6%(33.5 kN),大锚盘和小锚盘(总和)分别占极限水平荷载约0.4%(0.7 kN)和25.5%(45.9 kN)。为了简化分析过程,对于锚盘水平摩擦力,首先求出该面上的竖向平均应力,在乘上该面投影面积,再乘摩擦系数;对于大、小锚杆,直接提取接触应力导致的合力。计算过程中有一定的误差,最终计算结果比实际结果大约3.8%。由此可见,增设大锚杆是其水平承载能力提高的主要原因。

图13 组合锚地基水平承载力极限状态应力云图Fig. 13 Stress cloud of lateral ultimate bearing capacity of composite helical anchor foundation

另外,为了比对组合锚地基和普通锚地基在水平加载下基本力学性能的异同,将相关的荷载-位移曲线放在同一图中,如图14所示。

图14 普通锚与组合锚地基水平荷载-位移曲线对比图Fig. 14 Comparison curves of lateral load and displacement of ordinary and composite helical anchor foundations

与普通锚地基相比,组合锚地基的水平承载能力提高了2倍,初始剪切刚度提高了约4倍,剪切刚度为单位水平变形需要力的大小,即P-δ曲线的原点斜率,水平静力性能有了显著的改善。其中,大锚杆发挥了重要作用。另外,影响组合锚地基水平承载力与刚度及破坏模式因素较多,主要包括组合锚形式、组合锚材性和土体特性等。其中,组合锚埋深率(埋置深度l和锚盘直径d的比值)、锚体和土质材性的影响较大。由于篇幅限制,这里不再赘述。

4 结论

提出一种新型组合锚复合地基,并分别进行了现场原位循环水平加载试验和单调递增水平加载下的有限元分析,取得如下主要结论。

1)在水平极限荷载状态下,新型组合锚地基的破坏始于大螺旋锚下部土体的剪切破坏。

2)与同样的普通锚相比,新型组合锚地基的水平静力性能有了显著的改善,其水平承载力提高了约2倍,初始水平抗剪刚度提高了约4倍。

3)大锚杆对水平抗剪承载力的贡献约占总量的60%。大锚杆的设置是提高组合锚地基水平承载力和刚度的主要原因。