水平荷载作用下砂土中非柔性桩的p-y曲线修正_薛佩佩.pdf
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1、第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 ():,水平荷载作用下砂土中非柔性桩的曲线修正*薛佩佩,王栋,*,郑敬宾,罗成喜(中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东 青岛 ;中国海洋大学海洋岩土工程研究所,山东 青岛 ;中国电建中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 )摘要:中国近海风机大多采用长径比 范围内的非柔性桩基础,而现有规范方法主要针对长径比大于 的柔性桩,对我国风机基础的适用性一直存在争议。本文利用有限元法研究砂土中非柔性桩的水平受荷响应,主要关注容许范围内的桩基倾斜,因此采用硬化土小应变本构模型描述砂土的应力应变关系。建立钢管桩土三维有限元模型进行变参数分析,探究土
2、体相对密实度、桩基直径对初始地基反力模量的影响;讨论了正切双曲线函数和双曲线函数描述土体弹簧刚度(即曲线)的合理性;最终提出了适用于砂土中非柔性桩的修正曲线表达式,并通过与三种不同砂土相对密实度与桩基组合工况下的有限元结果对比,验证了修正公式的合理性。结果表明:土体相对密实度、桩基直径与初始地基反力模量均呈正相关;双曲线函数更适合描述非柔性桩的曲线;修正后的公式提高了水平荷载作用下非柔性桩响应的预测精度。关键词:非柔性桩;初始刚度;曲线;砂土;有限元法中图法分类号:文献标志码:文章编号:():引用格式:薛佩佩,王栋,郑敬宾,等 水平荷载作用下砂土中非柔性桩的曲线修正 中国海洋大学学报(自然科学
3、版),():,():*基金项目:国家自然科学基金项目(,)资助 (,)收稿日期:;修订日期:作者简介:薛佩佩(),女,硕士生。:*通讯作者:海上风电近年来飞速发展,大直径单桩和导管架群桩是国内外海上风机最常用的两种基础形式。为保证海上风机正常工作,要求水平荷载作用下桩顶转角不能超过 。对于水平荷载下的桩基响应,目前工业界最常用的设计方法为曲线法,即将土体抗力简化为沿桩身分布的一系列非线性弹簧作用,弹簧发挥的水平抗力和桩侧位移分别用和表示。设计依托规范大多为 规范和 规范,但规范建议的砂土中曲线表达式主要基于长径比大于 的细长柔性桩现场试验结果。随着桩基长径比的减小,规范和 规范建 议的公式可
4、能 不再 适用,亟需发展合理方法估计小变形条件下非柔性桩的响应。桩径、土体弹性模量及深度对曲线的初始刚度均有较显著影响。在 小 幅 值 荷 载 作 用 下,等认为规范推荐的曲线低估了初始刚度,但 等和李卫超等的离心模型试验及 等的数值模拟给出了相反的建议。国内外至今仍未有统一的结论。中国海上风机桩基础的长径比大多在 之间,本文采用有限元方法,模拟砂土中该长径比范围内桩基的水平加载响应,考察四种常见曲线初始刚度表达式的合理性。有限元分析中采用硬化小应变土体本构模型描述砂土的应力应变关系。在大量变动参数分析基础上,提出了适用于砂土中非柔性桩的修正曲线表达式。现有曲线 规范推荐双曲正切形式的曲线,预
5、测水平荷载作用下砂土中桩的变形,表达式为:()。()式中:为土体深度;对于静力荷载,(),为桩径;为初始地基反力模量;为水平极限承载力,浅部与深部取值分别表示为 和:()。()。()期薛佩佩,等:水平荷载作用下砂土中非柔性桩的曲线修正其中:为土体有效重度;系数、和依赖砂土内摩擦角,具体可查 规范中、和与关系图获得。初始地基反力模量 的取值由砂土的内摩擦角确定:。()上式中采用角度表达。曲线的初始斜率即为初始刚度,与 关系如下式所示:。()规范和 规范虽然给出了 的表达式,但数据来自数量有限的现场和常规缩比尺模型试验。近年来,国内外基于更多的试验结果,建议了不同的 表达式,以下为三种代表性的表达
6、式:()等建议:()()()。()式中:为参考桩径,取为 现场试验的桩径 ;参数依赖砂土的相对密实度,一般为 。()等建议:()()()。()其中参考深度 。无量纲参数表示初始刚度随深度的变化率,建议取 。式()和()都是将 视为砂土内摩擦角的函数。()等则利用土体弹性模量计算:()()()。()其中:参考刚度为;为了无量纲化深度,引入 ;引 入 为 ,以 无 量 纲 化;为。参数取为 。等和 等 认为双曲线形式的曲线优于式(),他们借助离心机试验结果,提出了表达式:。()式中 仅取决于砂土内摩擦角与有效重度:()。()和 的离心机试验结果表明:式()中的表达式可采用 规范建议形式,即式()和
7、()。式()()为目前四种常用的修正曲线表达式。当采用这四种表达式与 规范分别预测实际桩泥面处位移时,彼此之间的差别可能高达 。以下将借助有限元分析,评估这些表达式对中密砂、密砂和致密砂中非柔性桩的适用性。有限元模型几何模型与水平抗力的提取采用有限元软件 建立钢管桩土三维模型,如图所示。考虑对称性,只需选取一半的桩土进行分析,以提高计算效率。为避免边界效应,沿加载方向的土体长度取为、土体宽度为、深度为 ,为桩基埋入土中的深度。为加载点与土体表面的距离,为施加在桩上的水平荷载,见图。钢管桩壁厚为。在有限元分析中将钢管桩等效为抗弯刚度和直径相同的实心桩。图桩土几何模型 设置界面单元描述桩与砂土之间
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