郝屹峰，張毅磊，唐小雨，范一丁

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

在工程中，填芯管樁在非填芯管樁的基礎(chǔ)上利用樁芯中空的特點(diǎn)，采用填芯工藝對(duì)管樁進(jìn)行處理，使原有管樁力學(xué)性能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。與單純的管樁相比填芯處理增大樁體剛度、提高管樁性能，與實(shí)體樁比較則更加經(jīng)濟(jì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在樁基縱向振動(dòng)數(shù)值研究方面，早在20世紀(jì)70年代，Blaney[1]、Banerjee等[2]就分別開(kāi)始利用軸對(duì)稱有限元法和邊界元法對(duì)樁基的縱向振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析；Angelides等[3]采用非線性的有限元程序開(kāi)展了樁土振動(dòng)特性的研究；Sen等[4]基于邊界元法，考慮非均質(zhì)土在縱向動(dòng)力荷載條件下對(duì)單樁、群樁動(dòng)力特性進(jìn)行研究；Y K Chow 等[5]通過(guò)有限元程序編寫建立樁-土數(shù)值模型，來(lái)分析樁土間動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，涌現(xiàn)許多實(shí)用的數(shù)值軟件。季勇志[6]采用ANSYS軟件對(duì)碼頭樁基進(jìn)行模擬并與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證軟件在樁基檢測(cè)方面的可靠性。

在填芯管樁研究方面，李悅等[7]對(duì)不同填芯材料的PHC管樁參數(shù)進(jìn)行靜力試驗(yàn)，并分析了抗震性能的影響；吳聲揚(yáng)[8]利用管腔中空對(duì)大直徑隨鉆跟管樁進(jìn)行填芯處理增大樁體剛度，對(duì)不同工況填芯的長(zhǎng)度、強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值分析。總之，填芯管樁的工程應(yīng)用逐漸增多相關(guān)靜力學(xué)研究給實(shí)際工程提供了不少理論支撐，但在動(dòng)力學(xué)方面特別是縱向振動(dòng)問(wèn)題上，填芯管樁與非填芯管樁的動(dòng)力特性對(duì)比研究較少。因此，本文結(jié)合ANSYS數(shù)值模型對(duì)不同參數(shù)的填芯管樁和非填芯管樁的樁頂速度時(shí)域響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

1 (非)填芯管樁數(shù)值模型建立及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

1.1 數(shù)值模型建立

基于ANSYS17.0建立(非)填芯管樁-非均質(zhì)土模型，考慮到樁周土體徑向非均勻和縱向成層性，建立樁土圓柱體模型因圓柱體模型的對(duì)稱性，同時(shí)也為了減少模擬時(shí)的計(jì)算量，采用LS-DYNA程序建立1/4(非)填芯管樁-土結(jié)構(gòu)體模型，針對(duì)該模型系統(tǒng)選用SOLID185，即三維8結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體(在節(jié)的X，Y，Z方向可以模擬可塑、超彈性、應(yīng)力加勁、蠕變以及彈塑性體等相關(guān)材料)，圖1為模型及網(wǎng)格劃分。

圖1 1/4非填芯管樁-土模型

由于樁頂激振力Q(t)較小，將樁體本身、樁側(cè)土體以及樁端土體均看作線彈性變化，作低應(yīng)變問(wèn)題處理。(非)填芯管樁-土系統(tǒng)在耦合振動(dòng)時(shí)將對(duì)應(yīng)的樁側(cè)土體和樁身視為位移連續(xù)，在模型中采用VGLUE將整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)接觸面粘結(jié)成一個(gè)整體，以保證網(wǎng)格化后，各部分幾何體相關(guān)接觸面上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變變化一致。在精度方面采用h-method，通過(guò)減小單元尺寸加密網(wǎng)格劃分來(lái)提高精度，使有限元模擬在后續(xù)求解計(jì)算時(shí)結(jié)果更為精確。

1.2 模型參數(shù)設(shè)置

本模型將(非)填芯管樁置于樁周土體幾何中心，在施加脈沖前對(duì)模型初始條件及約束條件進(jìn)行定義，考慮土體徑向非均質(zhì)內(nèi)部圈層區(qū)域(近樁)設(shè)為5層每層0.1 m，外部區(qū)域(遠(yuǎn)樁)半徑為20 m。因(非)填芯管樁在土體中僅發(fā)生縱向位移(徑向位移忽略)，需對(duì)樁底土進(jìn)行約束，樁端(含虛土樁)土體以及樁側(cè)土體外表面定義為無(wú)反射邊界條件。樁頂則采用均布荷載形式，考慮低應(yīng)變問(wèn)題，故在樁頂面的節(jié)點(diǎn)組元上施加半正弦脈沖，如圖2所示。

圖2 半正弦脈沖圖

2 填芯管樁與非填芯管樁頂動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值計(jì)算

2.1 非填芯管樁與不同填芯剪切波速的填芯管樁樁頂動(dòng)力響應(yīng)對(duì)比

建立土體非均質(zhì)數(shù)值模型，管樁內(nèi)徑0.2 m，外徑0.3 m，樁長(zhǎng)為12 m，填芯高度取5 m，土塞高度取2 m，其他參數(shù)如表1所示。

表1 (非)填芯管樁土相關(guān)參數(shù)(填芯縱向剪切波速)

將非填芯管樁與不同填芯剪切波速的填芯管樁分別進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)圖3。

(a)填芯Vt=3800 m/s

(b)填芯Vt=4000 m/s

(c)填芯Vt=4200 m/s圖3 (非)填芯管樁樁頂速度時(shí)域響應(yīng)數(shù)值解對(duì)比(填芯剪切波速)

由圖3可知，當(dāng)填芯剪切波速不同各段曲線區(qū)別較小，總體來(lái)說(shuō)非填芯管樁與填芯管樁之間在結(jié)構(gòu)上的差異性在樁頂時(shí)域響應(yīng)曲線可以反映出來(lái)，由于填芯的存在使曲線在同向反射后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較明顯的反射后面圍繞穩(wěn)定值上下浮動(dòng)振幅呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明填芯使管樁的整體力學(xué)性質(zhì)變好，使樁頂時(shí)域響應(yīng)曲線反射明顯，且相對(duì)非填芯管樁而言信號(hào)明顯提前，能量消散較快。

2.2 非填芯管樁與不同填芯高度的填芯管樁與樁頂動(dòng)力響應(yīng)對(duì)比

除了填芯剪切波速之外，填芯高度對(duì)管樁本身也會(huì)產(chǎn)生影響，本文結(jié)合數(shù)值模型進(jìn)行非填芯管樁與填芯管樁與樁頂速度時(shí)域響應(yīng)對(duì)比分析。建立內(nèi)徑0.1 m，外徑0.3 m，樁長(zhǎng)12 m的數(shù)值模型，樁端土厚度取5 m，不考慮土塞效應(yīng)，其他相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 (非)填芯管樁土相關(guān)參數(shù)(填芯高度)

圖4為非填芯管樁分別與不同填芯高度填芯管樁數(shù)值解對(duì)比，當(dāng)填芯為12 m時(shí)，管樁腔體內(nèi)均被填滿可近似為實(shí)心樁，通過(guò)二者之間樁頂速度時(shí)域響應(yīng)數(shù)值解對(duì)比可知，隨著填芯高度的變化曲線產(chǎn)生不同程度的變化，總體來(lái)說(shuō)與非填芯管樁的樁頂時(shí)域曲線呈現(xiàn)較明顯區(qū)別，具體表現(xiàn)為填芯之后同向峰值明顯增大，反向峰值略微減小，信號(hào)減小所消耗時(shí)間短等特點(diǎn)。

(a)填芯3 m

(b)填芯6 m

(c)填芯9 m

(d)填芯12 m圖4 (非)填芯管樁樁頂速度時(shí)域響應(yīng)數(shù)值解對(duì)比(填芯高度)

3 結(jié) 論

1)非填芯管樁與不同填芯剪切波速的填芯管樁進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)填芯剪切波速不同各段曲線區(qū)別較小，非填芯管樁與填芯管樁之間在結(jié)構(gòu)上存在差異，但填芯的存在使曲線在同向反射后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較明顯的反射，相對(duì)非填芯管樁而言信號(hào)明顯提前，說(shuō)明填芯使管樁的整體力學(xué)性質(zhì)變好。

2)非填芯管樁與不同填芯高度的填芯管樁對(duì)比，隨著填芯高度的變化曲線產(chǎn)生不同程度的變化，總體來(lái)說(shuō)與非填芯管樁的樁頂時(shí)域曲線呈現(xiàn)較明顯區(qū)別，具體表現(xiàn)為填芯之后同向峰值明顯增大，反向峰值略微減小，信號(hào)減小所消耗時(shí)間段等特點(diǎn)。

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