循环荷载作用下饱和黏土地基中单桩力学响应分析

2021-01-08杨华勋陈箫笛

工程技术研究 2020年22期

杨华勋，陈箫笛，亓良

（鲁东大学岩土工程重点实验室，山东烟台 264025）

目前世界范围内海洋工程建设越来越广泛，其基础不但承受自身重力的竖向荷载，还要承受来自海洋的波浪荷载、风荷载和船舶撞击等水平循环荷载的作用，水平循环荷载下桩基础的力学响应较为复杂，其与水平单调加载时桩基力学行为有明显差别。循环横向荷载作用下桩基础的力学响应也逐渐吸引了很多专家与学者的重点关注[1-3]。通过模型试验，Basack等[4]研究了荷载频率、循环次数和位移幅值等因素对桩基周围海相沉积黏土循环软化、弱化问题的影响，得出桩周软黏土软化、弱化程度随着加载频率的增加而增大，而随着循环次数增加反而减小的结论。通过有限元数值计算和大比尺模型试验，孙永鑫[5]对横向静力及循环加载情况下海上风机大直径桩的受力变形特性及桩土相互作用机制进行了探讨，为大直径海上风电桩基提供了一定的设计参考。对于承受循环荷载作用的桩体，国内外多数学者把桩体假设为线弹性模型，与实际桩基础受力差距较大，没有考虑桩身混凝土损伤和钢筋屈服的结构破坏形式，只是对桩周土体发生塑性失稳时桩基础的力学响应做了一定研究[6-9]。范庆来等[10]虽然考虑了桩身混凝土损伤和钢筋屈服对于静力荷载作用下海上单桩水平响应的影响，但是没有考虑循环荷载效应。文章通过对比考虑混凝土损伤和钢筋屈服的桩基模型与线弹性桩基模型，运用ABAQUS大型有限元分析软件，研究探讨单桩基础在水平循环荷载作用下的受力性状和变形规律。

1 数值分析模型的构建与对比

1.1 数值模型的构建

根据Huang等[11]开展的现场大直径单桩横向加载试验，建立相应的圆形桩基础模型，其桩体半径为0.75m，埋置深度d为34m，桩头高出地面0.9m。桩体纵长配筋26根直径32mm的螺纹钢筋。桩基持力层通过组合动态硬化塑性本构模型模拟[12-13]，桩体使用ABAQUS中内嵌的塑性损伤混凝土本构模型模拟，钢筋通过遵循Mises破坏准则的完全弹塑性本构模型模拟。桩体以及土体为C3D8R单元，钢筋为T3D2单元。在有限元数值模拟中，桩土界面接触特性采用“接触对”算法，接触面法向采用“硬接触”。为了减小边界效应对计算结果的影响，文章选取地基模型深度为41m，半径为24m。因为模型上部受横向循环荷载影响最大，塑性区主要集中于土体上部网格，所以要加密这部分网格实体单元密度，模型下部实体单元密度逐渐变疏，桩体从桩头到桩底采用均匀结构网格划分，具体见图1[14]。

图1 单桩基础模型

1.2 不同数值分析模型的对比

为了反映考虑钢筋屈服和混凝土损伤的必要性，现对比考虑混凝土损伤和钢筋屈服的情况与线弹性假设情况。对于塑性损伤混凝土本构模型，其受压屈服应力大小、对应的塑性应变与损伤因子的关系见表1，受拉屈服应力、起裂应变与损伤因子的关系见表2，混凝土的其他弹性参数见表3。

表1 受压屈服应力、塑性应变与损伤因子

表2 受拉屈服应力、起裂应变与损伤因子

表3 混凝土弹性参数

两种横向循环荷载水平下线弹性桩与可考虑钢筋破坏和混凝土开裂损伤的桩基对比见图2，由图2可知，随着荷载的增大，桩基础滞回圈包围面积也在增大。另外，线弹性情况在两种荷载幅值下的割线刚度分别为8.5kPa/mm、30.8kPa/mm，而考虑塑性损伤时的割线刚度分别为38.5kPa/mm、22.3kPa/mm。考虑混凝土塑性损伤情况的割线刚度降低速率明显高于线弹性情况，可见在实际工程实践中，尤其是在可能承受较大波流荷载、风荷载的情况下，考虑灌注桩中钢筋受拉屈服破坏特性和混凝土受拉、压塑性损伤是合理的。

图2 线弹性桩与CDP桩头水平位移

2 变动参数分析

2.1 荷载幅值的影响

水平循环荷载作为一种动荷载，荷载大小随时间的变化形式不尽相同。文章采用正弦波模拟循环水平荷载，公式如下：

式中：A为振幅；ω为荷载角频率，ω=2πf，f为荷载频率。对于波浪荷载，荷载频率f=0.1Hz，初始角度φ为0°。根据规范可知，水平受荷桩的极限承载力可通过Q-σs曲线趋于水平时的首个拐点横坐标值来确定。在文章的算例中，桩基的极限荷载可取为890kPa，分别取荷载幅值Qc=0.1Qmax、0.2Qmax、0.3Qmax、0.4Qmax、0.5Qmax及0.6Qmax作用于黏土中单桩桩顶，进而分析不同荷载幅值对于桩头横向位移的影响规律。

不同幅值下第100个循环时的荷载-位移曲线见图3。由图3可以看出，随着横向荷载幅值的增大，桩基础桩头的荷载与位移之间的关系曲线开始遵循强烈的非线性变化规律，滞回圈面积也随荷载幅值的变大而显著变大，并且割线刚度随着荷载幅值增大而降低，这可能是桩周土体刚度退化的影响范围随着荷载幅值的增大而增大的原因引起的。

图3 不同循环加载幅值第100次循环的荷载-位移曲线

在第100个循环时的桩身弯矩分布见图4，从图4中可以看出随着荷载幅值增大，桩身最大弯矩值迅速从340kN·m增加到2200kN·m，最大弯矩值大约出现在埋深0.16d处，且随着荷载增大略有降低。

图4 不同加载幅值下桩身弯矩

2.2 桩周土体强度的影响

为了探讨桩周土体强度对桩基础的力学响应的影响，现取土体不排水抗剪强度分别为80kPa、100kPa、120kPa和140kPa四种情况，并维持环境荷载大小及桩身配置参数不变。第100个循环时不同土体的不排水抗剪强度下的荷载-位移曲线见图5，由图5可以看出，随着桩周黏土体不排水抗剪强度的增大，桩顶的位移幅值从9mm降到约5.5mm，桩土耦合体系在循环过程中消耗的能量也在降低，主要表现为荷载-位移滞回曲线包围的面积变小，这是因为桩周土体发生的塑性变形区域在减小。