有孔管桩力学性能有限元数值分析

乐腾胜，雷金波，郭杨，高坤，陈小川，张骏

（1.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063）

1 引言

随着桩基工程技术的迅速发展，预应力管桩在工程上得到广泛推广应用，但施工过程挤土效应对场地环境带来的恶劣影响与国家关于“绿色施工”政策条款要求的冲突尤为明显[1]。针对上述问题，课题组于2010年率先研发了桩身开孔技术，申请了专利“一种用于深厚软基处理的PTC型带孔管桩ZL201020105398.2”[2]。

近年来，诸多专家学者针对该问题主要开展了管桩开孔技术的理论分析、模型试验、现场试验和有限元分析，取得了系列的研究成果。赵黎明[3]对海上风电工程大直径管桩施工过程易发生长距离溜桩现象，采用在桩身开孔的技术措施来排出桩内气体，推导出桩身开孔尺寸计算公式，经工程应用验证能够有效地解决溜桩带来的工程隐患，为软弱地质夹层的海上风电项目施工提供参考。陈大江[4]通过采取在钢管桩桩身开孔的技术措施来优化海上风电工程传统单桩基础外套笼方案连接海底电缆施工工艺，降低了施工造价成本，保护了缆线材料，简化了施工工艺，为今后海上风电海底电缆施工保护设计提供参考。万梦华[5-7]基于圆孔扩张理论，通过理论分析和工程算例的对比分析，得出了有孔管桩沉桩时桩周超静孔隙水压力随径向距离、沉桩速率、深度、开孔孔径及时间之间的消散规律，推导出了解析解，为工程推广应用提供了理论依据。唐晓武[8]在假设开孔管桩孔洞内液体流动满足Poiseuille方程且等应变假设成立的前提下，推导出了时变荷载作用下地基的径竖向组合空压解析解。牛顺[9]借助有限元对透水管桩沉桩后的桩周土体固结进行计算，并与模型试验检测结果进行对比分析，研究扰动效应下不同开孔率、开孔半径、开孔数量对桩周土超静孔压的影响规律。邹永强[10]通过开展静压有孔管桩群桩效应大尺度室外模型试验，分析沉桩过程超静孔隙水压力与桩周土体物理力学特性变化。

大量研究工作表明，桩身开孔能够有效减小管桩沉桩挤土效应给场地环境带来的恶劣影响，但是同时也导致了桩身承载力的折减。对于如何设计桩身开孔，既能达到桩身承载力折减效果最小又能同时促进沉桩时桩周土体超静孔隙水压力消散效果最佳，对于这方面研究工作的报道较少。本文以钢管桩为研究对象，采用有限元数值分析的方法，探究竖向荷载作用下桩身开孔设计对桩身力学性能的影响，为促进管桩开孔技术的转化应用提供参考价值。

2 数值计算模型

本文以常用的Q235钢管桩为研究对象，弹性模量为 E=206×103MPa，泊松比为 v=0.3，密度为ρ=7.85g/cm3，抗压强度设计值f=215N/mm2，屈服强度fy=235N/mm2，材料属性选择理想弹塑性本构模型；钢管桩模型几何参数为长度为l=180mm，外径为D0=45mm，内径为D1=35mm，壁厚h=5mm，在沿桩轴向方向90mm处按照圆周间隔120°进行开孔，共设计孔径大小分别为D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm 三种型号，如图1所示。

图1 无孔和有孔设计钢管桩结构剖面示意图

钢管桩模型建立选择C3D8R类型单元，无孔管桩模型72500个结点，57600个单元；D2=10mm有孔管桩模型70725个结点，56040个单元；D3=15mm有孔管桩模型67815个结点，53616个单元；D4=20mm有孔管桩模型69960个结点，55264个单元。采用位移逐级加载控制的有限元数值分析方法来模拟竖向荷载作用下钢管桩力学性能，直至钢管桩结构发生屈服破坏现象。四种不同规格钢管桩结构发生屈服破坏应力云图如图2所示，位移云图如图3所示。

图2 桩身结构屈服破坏时应力云图

图3 桩身结构屈服破坏时位移云图

竖向荷载作用下四种不同规格钢管桩结构处于极限承载状态下的应力云图如图4所示，位移云图如图5所示。

图4 桩身结构极限承载时应力云图

图5 桩身结构极限承载时位移云图

3 桩身力学性能分析

有限元模拟分析桩体在竖向荷载作用下变形过程，通过控制增量步来观察钢管桩桩身变形状态，得出桩体变形由弹性逐渐发展到塑性，符合理想弹塑性本构模型特征。以无孔管桩和D4=20mm有孔管桩为例，钢管桩承载力大小随着管桩轴向应变的变化情况如图6所示。

图6 桩身承载力随着轴向应变的关系图

由图6可得，无孔和D4=20mm有孔两种不同型号的钢管桩桩身承载力随轴向应变的变化规律基本一致，且主要包括两个发展阶段。第一阶段，主要是发生线弹性变形，随着钢管桩桩身轴向应变的增大，桩身承载力不断增大，直到桩身结构发生屈服破坏，且斜率大小为钢管桩弹性模量与管桩横截面乘积。第二阶段，随着竖向荷载作用的增大，钢管桩桩身轴向压缩变形逐渐增大，桩身结构由线弹性变形发展到塑性变形，管桩轴向承载力由屈服荷载逐渐增大至极限荷载；继续施加竖向荷载，桩身承载力缓慢下降，此时钢管桩桩身结构发生了塑性破坏，如图5所示。

由图2可得，管桩桩身进行开孔设计，竖向荷载作用下钢管桩桩体孔间区域率先达到屈服破坏，且开孔孔径越大屈服效果越明显。由图3可得，钢管桩结构发生屈服破坏时，临近桩顶位置压缩变形较为显著。由图4可得，当钢管桩结构受力处于极限承载状态下，无孔管桩临近两端变形发生径向鼓起变形，有孔管桩在沿桩轴向方向90mm处发生径向鼓起变形。对比分析图4和图5得出，有孔管桩桩身结构超过极限承载状态时，桩身压缩变形主要发生在桩顶至开孔桩端，开孔至桩底桩端未继续出现明显压缩变形现象。提取四种规格钢管桩模型竖向荷载作用下桩身屈服荷载、极限荷载及桩顶压缩变形位移大小见表1。

竖向荷载作用下桩身力学性能指标汇总 表1

由表1可得，钢管桩桩身发生屈服破坏时，无孔管桩承受的屈服荷载最大，荷载大小为90599N；有孔管桩承受的屈服荷载随着开孔孔径的增大逐渐减小，且D4=20mm有孔管管桩承受的屈服荷载最小，荷载大小为73458N；相对于无孔管桩，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm的有孔管桩桩身屈服荷载大小折减情况分别为3.77%、9.33%、18.92%；钢管桩桩身处于极限承载状态时，无孔管桩承受的极限荷载最大，荷载大小为154354N；有孔管桩承受的极限荷载随着开孔孔径的增大逐渐减小，且D4=20mm有孔管管桩的屈服荷载最小，荷载大小为83780N；相对于无孔管桩，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm的有孔管桩桩身极限荷载折减情况分别为17.08%、31.41%、45.72%。因此，可以推测对钢管桩桩身进行开孔设计，一定程度上会使桩身承载性能发生折减现象，并且开孔孔径越大，折减越明显。

由表1可得，钢管桩桩身承载力处于极限状态时，无孔管桩桩顶压缩变形最大，位移大小为10.48mm，D2=10mm、D3=15mm、D4=20mm 有孔管桩桩顶压缩变形位移分别为4.78mm、3.14mm、1.65mm，无孔管桩桩顶压缩变形位移明显大于有孔管桩桩顶压缩变形位移，D4=20mm有孔管桩桩顶压缩变形位移最小，位移大小为1.65mm，说明开孔设计明显降低了钢管桩结构的抗压变形能力，即削弱了钢管桩的承载性能。

4 结论

①竖向荷载作用下，钢管桩轴向变形主要包括线弹性变形和塑性变形两阶段，符合理想弹塑性本构模型特征。

②钢管桩桩身结构进行开孔设计，随着开孔孔径的增大，钢管桩结构的抗压变形能力明显下降，钢管桩的极限承载力发生大幅度折减。

③钢管桩处于极限承载状态时，无孔管桩主要在桩身两端发生径向鼓起变形，有孔管桩主要在开孔处桩身截面发生径向鼓起变形，且逐渐由桩身中间向两端发展。

④钢管桩达到极限承载状态时，，有孔管桩桩身开孔段已发生塑性破坏，继续施加竖向荷载，桩身压缩变形主要发生在临近桩顶的位置，临近桩底部分变形不明显。

⑤本文研究的钢管桩数值模型近似短杆，主要考虑管桩结构材料破坏，而工程实践中使用的管桩更多的是类似长杆，二者在竖向荷载作用下桩身承载性能存在一定区别，下一步需要进行深入分析。