新型高分子聚合物板桩结构分析

韦源源，杨 过，龚俊杰，童任远

(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

板桩作为一种常用的挡土结构，在水利、建筑等工程中有着广泛的应用，当前常用的板桩主要有钢板桩、木桩、钢筋混凝土预制桩等[1]。随着高分子材料的发展，利用新型高分子材料代替传统材料应用于板桩成为当前研究、应用的热点。新型高分子聚合物板桩相对传统板桩具有质量轻、方便施工、环保、耐腐蚀等优点，在水利工程建设中将会有较多的应用[2-3]。由于新型高分子聚合物板桩的设计、应用尚未成熟，没有设计标准可参考，因此对于其结构性能研究具有重要意义[4-5]。

1 高分子聚合物板桩结构设计

高分子聚合物板桩是以PVC为主材料，配以多种功能型化学助剂经原位聚合、挤出成型而制成的产品[6],其结构形式主要分为“π”型板以及方桩两种，如图1所示。每块板、桩设计有独立的“C”型、“T”型接头，板、桩通过接头的任意拼装组合使结构获得不同抗弯刚度，以满足不同挡土高度的设计要求，板、桩组合形式如图2所示。

图1 高分子聚合物板桩模型

图2 高分子聚合物板、桩组合形式

2 高分子聚合物板桩挡土性能分析

2.1 高分子聚合物板桩材料性能试验

为了了解产品材料性能并为结构分析提供参数，对生产的高分子聚合物板桩取样进行力学性能试验。根据国家标准GB/T1040.2—2006《塑料拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》、GB/T9341—2008《塑料弯曲性能的测定》测定板桩材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲弹性模量等参数，试验结果如表1所示。

表1 高分子聚合物板桩材料性能参数试验结果

2.2 高分子聚合物板桩结构受力分析

根据高分子聚合物板桩的运用特点、挡土高度、施工工艺及其设备条件、周边相近条件支护工程的工程经验、施工周期等情况考虑该板桩主要采用悬臂式支护结构，如图3所示。

图3 板桩支护结构

基于土力学理论，参照《钢板桩支护技术规程》对高分子聚合物板桩进行受力分析，主要考虑板桩一侧无水压力作用、一侧挡土的工况，该工况下板桩主要承受侧向土压力、下曳力以及自重[7]，侧向土压力、下曳力示意图如图4所示。

图4 侧向土压力、下曳力示意图

(1)对于地下水位以上板桩和地下水位以下板桩侧向土压力计算公式分别为：

Fep,k=KαγsZ

.

(1)

Fep,k′=Kα[γsZw+γs′(Z-Zw)]

.

(2)

其中：Fep,k为地下水位以上侧向主动土压力标准值，kN/m2；Kα为主动土压力系数，根据土质情况取1/3；γs为地下水位以上回填土的有效重度,kN/m3；Z为地面到计算截面处的深度，m；Fep,k′为地下水位以下侧向主动土压力标准值，kN/m2；Zw为地面到地下水位的距离，m；γs′为地下水位以下回填土的有效重度，kN/m3。

(2)下曳力计算公式为：

TA=μ(Fep,K1+Fep,K2)/2.

(3)

其中：TA为板桩单位面积上的平均下曳力标准值，kPa；μ为板桩与回填土间的摩擦因数，根据土质情况取0.26；Fep,K1为板桩顶部侧压力标准值，kPa；Fep,K2为板桩底部侧压力标准值，kPa。

3 高分子聚合物板桩结构有限元分析

为了研究高分子聚合物板桩的挡土性能，利用有限元分析软件ANSYS Workbench模拟板桩在不同组合、不同挡土高度下的应力、变形情况，考察高分子聚合物板桩的实际使用效果。有限元分析工况如表2所示。

表2 有限元分析工况

3.1 高分子聚合物板桩模型

建立高分子聚合物板桩三维模型，对模型进行网格划分，纯板组合形式下，挡土高为1 m时的高分子聚合物板桩有限元分析模型如图5所示,共划分为2 192 612个节点、1 299 751个单元。

图5 高分子聚合物板桩有限元分析模型

3.2 有限元计算结果

对板桩施加侧向土压力及下曳力，得到纯板组合形式下不同挡土高度的板桩变形和应力云图，如图6和图7所示。由有限元计算结果可知，在纯板组合形式下，挡土高度为1 m时，板桩最大变形为4.674 mm，最大应力为1.441 MPa；挡土高度为2 m时，板桩最大变形为52.177 mm，最大应力为10.951 MPa。

图6 纯板组合形式下不同挡土高度时板桩变形云图

图7 纯板组合形式下不同挡土高度时板桩应力云图

不同板桩组合形式下，不同挡土高度时板桩的最大变形和最大应力值如表3所示。

表3 不同板桩组合形式下不同挡土高度时的有限元分析结果

4 结论

通过有限元分析可以发现新型高分子聚合物板桩在挡土过程中整体应力较小，纯板组合挡土2 m，应力最大为10.951 MPa，远小于材料的拉伸强度；变形最大为52.177 mm，与传统钢板桩、混凝土挡土墙等相比变形大，但能满足工程需求。所以新型高分子板桩在挡土过程中满足强度、刚度要求。