大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)上拔受力性能的精細(xì)化有限元分析

大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)上拔受力性能的精細(xì)化有限元分析

1螺旋錨基礎(chǔ)的穩(wěn)定性分析旋轉(zhuǎn)錨基礎(chǔ)采用機械化施工，施工周期長。施工中無土，不需要泥漿池，對環(huán)境和環(huán)境的影響小。如果沒有維護(hù)周期，基礎(chǔ)施工可以結(jié)束。采用工藝預(yù)制法，基本質(zhì)量穩(wěn)定。所以，螺旋錨基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于輸電線路、民用建筑以及海洋工程等多項領(lǐng)域目前螺旋錨基礎(chǔ)在國內(nèi)外輸電線路領(lǐng)域中已進(jìn)行了一定的探索性應(yīng)用上述對螺旋錨的研究中，錨片的最大直徑為300mm，國內(nèi)目前工程中使用的螺旋錨錨片直徑一般都在360mm以下螺旋錨基礎(chǔ)的上拔承載力主要由錨盤端阻提供，錨盤直徑越大則端阻越大，理論上來說可以提供更大的承載力。但隨著錨盤直徑的增大，其自身的彎曲變形也同步增加，從而導(dǎo)致螺旋錨基礎(chǔ)在力的傳遞路徑等方面與小錨片基礎(chǔ)會有較大的差異。同時，群錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用下，各個單錨是否會相互干擾，以及干擾對上拔承載力的影響程度目前均未得到較系統(tǒng)的研究。綜上所述，本文基于在黏性土地區(qū)的多葉片大直徑單螺旋錨及群螺旋錨基礎(chǔ)靜載試驗，研究螺旋錨基礎(chǔ)的上拔承載力；建立螺旋錨基礎(chǔ)精細(xì)化有限元模型，通過與現(xiàn)場靜載試驗結(jié)果對比，驗證有限元模型的合理性；在此基礎(chǔ)上分析大葉片螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用下錨桿內(nèi)力以及側(cè)阻、葉片端阻的荷載分擔(dān)規(guī)律，闡明大錨片螺旋錨基礎(chǔ)力的傳遞路徑；并對比單錨和群錨在上拔承載力方面的相關(guān)性，從宏觀上分析群錨基礎(chǔ)中各個單錨的協(xié)同作用機制。2原地層環(huán)境分析本項目依托“河南駐馬店1000千伏特高壓變電站500千伏送出”工程，試驗場地選在線路的實際塔位附近，位于河南省駐馬店市上蔡縣蔡溝鄉(xiāng)。該地區(qū)處于淮河沖洪積平原地帶，地形平坦，地勢開闊，試驗場地如圖1所示。通過現(xiàn)場靜力觸探結(jié)果可知，地層土質(zhì)較均勻，從地表至31.5m深度處以粉質(zhì)黏土為主，可塑～硬塑，具中壓縮性。其中地表1.0～2.0m為耕土，深度14.5～16.5m范圍內(nèi)局部為粉土，土質(zhì)呈褐黃、褐灰、灰黃等色，含鐵錳氧化物，零星見小鈣質(zhì)結(jié)核與蝸牛殼碎片，夾粉土。本項目中試驗錨桿最大埋深位于9～12m，所以可將錨桿埋深范圍內(nèi)的土質(zhì)視為均勻分布的粉質(zhì)黏土。通過室內(nèi)土工試驗得到場地土層相關(guān)的物理和力學(xué)參數(shù)如表1所示。3縱軸靜載試驗與結(jié)果分析3.1原位現(xiàn)場螺旋錨盤及錨桿選型螺旋錨現(xiàn)場原位試驗布置如圖2(a)所示，現(xiàn)場采用塔位處的灌注樁基礎(chǔ)作為反力樁。本次共進(jìn)行了4個螺旋單錨和3個螺旋群錨上拔試驗，螺旋單錨位于反力樁間的三等分點，螺旋群錨位于反力樁的中間位置處?，F(xiàn)場將反力梁與灌注樁上的地腳螺栓相連，千斤頂位于反力梁頂部，通過千斤頂帶動傳力裝置為螺旋錨頂部施加拉力，如圖2(b)所示。螺旋錨抗拔靜載試驗采用快速荷載維持法在現(xiàn)場原位試驗中，單2為埋深9m的兩盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(a)所示。單4為埋深9m的三盤螺旋錨，具體尺寸如圖3(b)所示。單6為埋深12m的兩盤螺旋錨，加工尺寸同單2。單8初始設(shè)計為埋深12m的3盤螺旋錨，但在鉆入施工時由于土質(zhì)較硬，當(dāng)鉆入土層約9m時發(fā)現(xiàn)施工困難，現(xiàn)場臨時改為埋深為9m的三盤螺旋錨。螺旋錨錨盤和錨桿均采用Q345B級鋼材。群錨A和B三根錨桿與Z軸夾角分別為5°，25°和25°(偏轉(zhuǎn)方向見圖2)；群錨C三根錨桿與Z軸夾角均為15°，群錨露頭200mm，群錨埋深均為9m，錨盤和錨桿尺寸與單錨相同，如圖3所示。群錨承臺板厚度30mm，承臺板邊緣距離錨桿邊緣為50mm，錨桿頂部在承臺板上呈等邊三角形排布，間距為2.5倍錨桿直徑。3.2大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)荷載–位移關(guān)系分析對于單錨受拉的整個過程主要可以分為3個部分：開始加載階段，基礎(chǔ)的荷載–位移曲線近似為線性變化；中間階段的曲線為非線性變化；后期階段，荷載–位移曲線再轉(zhuǎn)變?yōu)榻凭€性變化。可見，大錨盤螺旋錨基礎(chǔ)的荷載–位移曲線特征與小錨盤的類似8號與4號均為3錨盤埋深為9m的螺旋錨基礎(chǔ)，根據(jù)試驗結(jié)果2號，4號和8號螺旋錨基礎(chǔ)的上拔–位移曲線比較接近，且均明顯低于6號螺旋錨基礎(chǔ)的曲線?？梢?，螺旋錨基礎(chǔ)上拔承載力隨著基礎(chǔ)埋深的增大而增加，受錨盤數(shù)量的影響不大。本項目研究中，錨盤的間距為3倍的錨盤直徑，螺旋錨基礎(chǔ)上拔承載力不受錨盤數(shù)量影響的結(jié)論與姚敬宇等群錨A和C施加的荷載采用本項目依托工程中直線塔的基礎(chǔ)作用力，群錨B上拔試驗中以荷載施加點豎向位移達(dá)到40mm為控制條件，試驗曲線如圖5所示。按照規(guī)范4側(cè)摩阻對上拔承載力的影響在原位試驗中，無法測得螺旋錨基礎(chǔ)上拔荷載作用下錨桿、錨盤的變形和內(nèi)力，也無法得到螺旋錨基礎(chǔ)周圍土所提供側(cè)摩阻對上拔承載力的作用。為了深入研究螺旋錨基礎(chǔ)的受力性能以及周圍土的變形特征，需要建立螺旋錨、土的整體精細(xì)化數(shù)值模型，對螺旋錨基礎(chǔ)和土進(jìn)行整體分析。4.1土體模型的接觸采用有限元軟件ABAQUS建立螺旋錨基礎(chǔ)與土的整體數(shù)值模型，如圖6所示。其中，在對螺旋錨盤與錨桿連接部分劃分網(wǎng)格時，需先將錨桿壁沿螺旋線進(jìn)行切割，以繪制出高質(zhì)量的網(wǎng)格，如圖6(a)所示。螺旋錨周圍一倍螺盤直徑內(nèi)的土單元劃分網(wǎng)格時加密處理，如圖6(c)所示，其網(wǎng)格尺寸與錨桿網(wǎng)格尺寸一致。土體模型的四周施加兩個水平方向的位移約束，土體模型的底部施加2個方向的位移約束；螺旋錨基礎(chǔ)與土體之間建立接觸，接觸面的本構(gòu)關(guān)系即為相互作用的力學(xué)模型，其中包括2個部分，分別是：接觸面的切向作用和法向作用為了消除土體邊界條件對計算結(jié)果的影響，土體模型的邊界距最近錨盤的邊界凈間距≥10倍的錨盤直徑，土體模型的厚度取螺旋錨埋入土體深度的2倍。螺旋錨基礎(chǔ)的錨盤呈螺旋狀分布，與其相接觸的土體單元網(wǎng)格劃分質(zhì)量較差，影響數(shù)值分析的效率和精度。為了提高計算效率和收斂性，通常將螺旋盤簡化成平盤進(jìn)行近似模擬將2種螺旋錨數(shù)值計算的荷載–位移曲線與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，如圖8所示，2種數(shù)值模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合均較好，最大偏差約5%。所以，采用平盤形式的螺旋錨基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果不僅合理可靠，而且由于網(wǎng)格劃分質(zhì)量好，計算效率高，后續(xù)數(shù)值分析中均采用平盤螺旋錨基礎(chǔ)。4.2模型參數(shù)的選擇有限元模型中土體單元采用莫爾–庫侖模型，具體土體參數(shù)見表1所示，膨脹角的取值為內(nèi)摩擦角的0.5倍4.3初始地應(yīng)力分析為了得到數(shù)值模型合理的初始條件，在對錨桿進(jìn)行上拔受力分析前，需要先對土體單元進(jìn)行地應(yīng)力平衡分析。無初始應(yīng)力土體單元在重力作用下會發(fā)生較大的豎向變形，造成錨桿與土體間的接觸分析難以收斂，計算效率低甚至無法完成地應(yīng)力平衡分析。因此，在進(jìn)行地應(yīng)力平衡分析中的第一步不激活錨桿與土之間的接觸面，完成第一次分析之后激活接觸面，然后再進(jìn)行一到兩次的地應(yīng)力平衡分析，以得到最終精確的初始地應(yīng)力場。并且在后續(xù)螺旋錨基礎(chǔ)上拔受力分析中保持接觸面的激活，定義摩擦因數(shù)為0.14。本項目采用讀入初始應(yīng)力的方式完成地應(yīng)力平衡分析，該方法適用范圍廣，但是無法在分析中考慮土體自重對錨桿的水平壓力。完成地應(yīng)力平衡分析之后，由于土體與錨桿之間沒有初始擠壓力，側(cè)阻在分析過程中表現(xiàn)不明顯。為了較真實地模擬螺旋錨基礎(chǔ)在土體中的受力過程，本文首次采用接觸面的過盈分析來模擬基礎(chǔ)和土體接觸面上初始擠壓效應(yīng)，過盈量取錨桿的半徑。4.4荷載–位移曲線模型在完成上述兩步分析之后，初始地應(yīng)力場如圖9所示。對螺旋錨頂部中心點施加荷載以模擬現(xiàn)場的加載過程，得到錨頂荷載–位移曲線。將數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10～13所示，兩者荷載–位移曲線擬合較好，數(shù)值模型是可靠的。其中，如圖10(b)所示，對于三盤單螺旋錨基礎(chǔ)在加載初期數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果完全重合，隨著荷載的增大，數(shù)值分析結(jié)果明顯大于試驗結(jié)果，且大于兩盤單螺旋錨基礎(chǔ)，有限元分析的結(jié)果與現(xiàn)有的研究結(jié)論是相符的圖11～13中的水平荷載作用下的數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較低，主要原因是現(xiàn)場對群錨承臺板焊接時需要挖除表層約0.5m厚的土為焊接提供操作空間，破壞了原狀土的特性，降低了土對錨桿的約束力。5縱載下螺釘臂的疲勞性能5.1錨盤側(cè)摩阻變化規(guī)律螺旋錨基礎(chǔ)通過錨桿將上部作用力傳遞至周圍土體中，作為該基礎(chǔ)類型的主要傳力路徑，錨桿在不同荷載大小下的內(nèi)力分布如圖14～16所示。由于錨桿直徑小、長度大，整體表現(xiàn)出細(xì)柔的特性，在上拔荷載作用下錨桿以軸力為主，其他的內(nèi)力相比可忽略不計。影響錨桿軸力的主要因素有2個：土體側(cè)摩阻和錨片端阻。對于螺旋錨基礎(chǔ)，作用在錨桿上的側(cè)摩阻隨著基礎(chǔ)頂部施加上拔位移的增加而發(fā)生較明顯的變化。當(dāng)基礎(chǔ)處于位移施加的初始階段，施加上拔位移較小，此時位于區(qū)段(1)的軸力圖斜率基本為0，說明此時側(cè)摩阻基本上沒有表現(xiàn)；隨著上拔位移的增大，區(qū)段(1)的斜率逐漸增大，說明土體對錨桿的側(cè)摩阻占整個基礎(chǔ)的抗拔承載力比重加大。其中，圖14,16中區(qū)段(1)軸力變化斜率相當(dāng)，且均大于圖15中區(qū)段(1)軸力變化斜率，說明錨盤數(shù)量的增多降低了錨桿側(cè)摩阻在基礎(chǔ)抗拔承載力中的比重。而對于圖14(a)中的區(qū)段(3)、圖15(a)中的區(qū)段(4)、圖16(a)中的區(qū)段(3)，該部分軸力都在0附近，說明該區(qū)段以上的錨桿側(cè)阻和錨盤端阻基本上已經(jīng)全部抵消掉了上拔力作用。錨盤間的錨桿軸力與區(qū)段(1)中的軸力保持的相似的變化規(guī)律。在整個加載過程中，錨盤始終參與抵抗外部上拔荷載，并且隨著錨盤數(shù)量的增加，錨盤所在截面處，錨桿軸力的突變值減小。5.2上拔荷載作用下的側(cè)摩阻變形通過上述對錨桿的內(nèi)力分析可知，錨桿側(cè)阻在基礎(chǔ)抗拔過程中發(fā)揮著重要的作用。如圖17～19所示，錨桿側(cè)向摩阻力的變化規(guī)律與上述分析的一致。隨著螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的整體拔出位移加大，由于土體與螺旋錨的接觸面存在摩擦力，從而導(dǎo)致螺旋錨周邊的土體會隨著基礎(chǔ)一同發(fā)生向上的壓縮變形。隨著拉力的增大，土體的豎向壓縮也隨之增大，土體越來越密實并且對螺旋錨基礎(chǔ)的擠壓力也越來越大，錨桿的側(cè)摩阻也隨之增大。但沿著錨桿長度方向，側(cè)摩阻并不是連續(xù)變化的，在錨盤附近錨桿的側(cè)摩阻通常會發(fā)生置零的突變。如圖17～19中的(b)所示，在上拔荷載作用下，錨盤會發(fā)生向上凸起的變形，變形后的錨片對周圍土體產(chǎn)生水平向外的擠壓，從而導(dǎo)致錨盤附近的土體與錨桿發(fā)生脫離(側(cè)向位移圖的箭頭向外)，脫離部分的錨桿側(cè)阻為0。并且對于區(qū)段(1)，錨桿的側(cè)阻在不同荷載等級條件下均呈現(xiàn)由0逐漸增大的變化趨勢，再加之上述錨盤附近的土體脫離，建議在計算螺旋錨基礎(chǔ)上拔承載力中錨桿側(cè)阻部分時需要進(jìn)行適當(dāng)折減。5.3錨桿長度對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響通過上述分析可知，螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載的作用下，主要由錨桿側(cè)摩阻和錨片端阻來提供抗力，如圖20所示。這兩部抗力占總抗拔力的比重隨著錨盤數(shù)量、基礎(chǔ)埋深的改變而發(fā)生變化，如圖21～23所示。螺旋錨基礎(chǔ)隨著埋深的加大，錨桿長度增加，錨桿與周圍土體的接觸面積增大。所以，基礎(chǔ)抗拔承載力中的側(cè)摩阻所占的比重加大。如圖21,23所示，對于兩盤9m埋深的螺旋錨基礎(chǔ)，錨盤端阻占總抗拔承載力的比重為77%～81%；對于兩盤12m埋深的螺旋錨基礎(chǔ)，錨盤端阻占總抗拔承載力的比重為68%～74%，降低了約8%。螺旋錨基礎(chǔ)隨著錨盤數(shù)量的增加，錨盤端阻占基礎(chǔ)總抗拔承載力的比重加大。如圖21,22所示，對于三盤9m埋深的螺旋錨基礎(chǔ)，錨盤端阻占總抗拔承載力比重為83%～88%，比兩盤9m基礎(chǔ)增大了約6%。螺旋錨基礎(chǔ)在上拔荷載作用增大的過程，不同錨片之間分擔(dān)的荷載基本是相等的，且錨片端阻分擔(dān)的荷載占螺旋錨基礎(chǔ)整個抵抗力的68%～88%5.4移曲線之間的關(guān)系通過上述分析可知，螺旋錨的上拔承載力主要由錨盤端阻和錨桿側(cè)阻提供，當(dāng)多個螺旋錨基礎(chǔ)通過承臺板連接組成群錨時，群錨的整體上拔荷載–位移曲線與單個螺旋錨的上拔荷載–位移曲線之間的關(guān)系如圖24,25所示。群錨是由3根單螺旋錨組成，將單螺旋錨對應(yīng)位移下的拉力放大3倍與群錨的相應(yīng)荷載進(jìn)行對比，如圖24(a),25(a)所示，相同位移下，3倍單錨上拔荷載與群錨上拔荷載相當(dāng)，說明本項目設(shè)計中的群錨基礎(chǔ)中各個單錨可以獨立發(fā)揮作用，相互之間干擾較小。在相同的水平位移下，將單錨對應(yīng)的荷載放大3倍與群錨對應(yīng)的荷載進(jìn)行對比，如圖24(b),25(b)所示，前者明顯小于后者。對于群錨基礎(chǔ)，承臺板與螺旋錨之間是焊接連接，螺旋錨端部的約束可以較大程度上減小基礎(chǔ)的水平位移。6數(shù)值模型驗證本文基于粉質(zhì)黏土地區(qū)大錨片螺旋錨基礎(chǔ)的現(xiàn)場靜載試驗和數(shù)值模擬，分析該類型基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的受力性能，得到以下結(jié)論：(1)螺旋錨基礎(chǔ)的上拔承載力主要有錨盤端阻和錨桿側(cè)摩阻組成，在數(shù)值分析中通過接觸面的過盈分析生成錨桿與周圍土體的初始擠壓力能夠較真實地反映螺旋錨基礎(chǔ)的實際受力，通過將數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比，驗證了數(shù)值模型的合理性。(2)螺旋錨基礎(chǔ)在受上拔荷載作用過程中，錨桿以軸向拉力為主，其剪力和彎矩很小，可以忽略不計。錨桿側(cè)摩阻隨著上拔位移的增大而增大，并且由于錨盤的變形對周圍土體產(chǎn)生水平向外的擠壓效應(yīng)，錨桿側(cè)摩阻會在錨盤附近發(fā)生置零突變。(3)螺旋錨基礎(chǔ)隨著埋深的加大，錨桿長度增加，錨桿與周圍土體的接觸面積增大，基礎(chǔ)抗拔承載力中的側(cè)摩阻所占的比重加大；螺旋錨基礎(chǔ)