输电线路后注浆微型钢管桩基础注浆厚度研究

李春燕,徐运生,李占岭,王 胜

(1.华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071003; 2.中国电建集团 河北省电力勘测设计研究院有限公司,石家庄 050031)

目前,对微型钢管桩研究主要集中于房屋加固和边坡处理等工程.马周全[1]通过有限元分析对微型钢管桩的极限抗滑力进行研究.李湛等[2]通过钢管桩抗压静载检验，研究了微型钢管桩对既有建筑的加固作用.向波等[3]通过对微型钢管排桩结构现场堆载极限破坏试验,获取了支挡结构的桩身变形、桩身应变、土压力等数据,分析总结了钢管排桩承受水平载荷的受力变形规律.宗钟凌[4]提出了一种微型静压钢管桩注浆成桩工艺,并对成桩机理及特点进行了分析.但均未对后注浆微型钢管桩注浆厚度在输电线路中进行研究.本文通过大型通用有限元软件Abauqs对后注浆微型管桩进行有限元分析,后注浆微型钢管桩基础作用力参照国家电网典型设计2B7-ZM1-27铁塔的基础作用力,通过改变微型钢管桩的数量和注浆厚度,得出最优微型钢管桩的布桩数量和最优注浆厚度,从而达到经济、合理、安全.

1 模型尺寸

本文所用模型包括注浆厚度为10,15和20 mm、壁厚为2，3，4 mm的4根后注浆微型钢管桩,总模型数为9个.

后注浆微型钢管桩的模型大致分为上部主柱,主柱露头为200 m,主柱与承台相连,承台下部分别与微型钢管桩进行连接,微型钢管桩通过内部后注浆充满钢管与外部注浆包裹在微型钢管桩外部,外注浆包裹厚度分别为10,15和20 mm.后注浆微型钢管桩的尺寸：4根后注浆微型钢管桩承台长宽均为1 700 mm,高为500 mm；主柱长宽均为800 mm,高为1 200 mm.4根微型钢管桩横向和纵向的钢管间距为400 mm,钢管长为6 000 mm,直径159 mm,壁厚分为2，3和4 mm.具体布置型式如图1所示.

图1 4根微型钢管桩布置型式 Fig.1 Layout types of four miniature steel pipe piles

2 后注浆微型钢管桩模型设置

2.1 分析步的定义

本模型分析步的定义分为初始地应力平衡和静力分析.由于采用Mohr-Coulomb本构模型,因此,其他设置为非对称算法.

2.2 接触的定义

模型接触定义首先是钢管内部注浆与钢管内部表面的绑定约束定义,钢管外部与外注浆内部的绑定约束定义;其次是后注浆外部、承台、主柱和土的接触定义,主控面是后注浆、承台和主柱,从控面是土.其中的关键是地应力的平衡,采取的措施是在地应力分析步采取切向无摩擦和法向硬接触,在施加荷载后，外注浆与土体切向摩擦为0.4和法向硬接触,钢管与注浆间接触的切向摩擦为0.6和法向硬接触.

2.3 后注浆微型钢管桩和土体单元选取、网格划分、边界载荷的定义

后注浆微型钢管桩三维有限元模型采用C3D8单元,4根后注浆微型钢管桩网格数为8 644个,土体的网格数为53 572个,网格总数为62 216个.4根后注浆微型钢管桩内注浆、钢管、外注浆、承台主柱和土体网格划分如图2～图6所示.内注浆、钢管、外注浆、承台主柱和土体网格划分整体遵循在接触处划分较密,土体和桩接触之外网格划分较梳.荷载在主柱露头处施加x方向水平力Tx=29 000 N,y方向水平力Ty=24 000 N,上拔力T=257 000 N.

图2 内注浆网格Fig.2 Inner grouting grid

图3 钢管网格Fig.3 Steel pipe grid

图4 外注浆网格Fig.4 Outer grouting grid

图5 承台网格Fig.5 Platform grid

图6 土体网格Fig.6 Soil grid

3 力学特性分析

为分析不同注浆厚度的4根微型钢管桩的受力情况,现将有限元分析得到的位移和弯矩进行分析.

在水平力和上拔力作用下,不同注浆厚度的4根微型钢管桩横向位移表现为:10 mm注浆厚度的4根微型钢管桩最大正向水平位移为0.977 mm,最大负向水平位移为0.085 mm;15 mm注浆厚度的4根微型钢管桩最大正向水平位移为3.358 mm,最大负向水平位移0.090 mm;20 mm注浆厚度的4根微型钢管桩最大正向水平位移为0.890 mm,最大负向水平位移为0.365 3 mm.将不同注浆厚度最大正向水平位移和最大负向水平位移整理，如表1所示.

表1 不同注浆厚度最大正向和最大负向水平位移Tab.1 Maximum positive and negative horizontal

通过表1绘制不同注浆厚度的最大正向位移和最大负向位移,如图7所示.

图7 不同注浆厚度最大正向和负向位移Fig.7 Maximum positive and negative displacements

从图7中可知:注浆厚度为10和20 mm时,微型钢管桩最大正向位移较小;注浆厚度为15 mm时,微型钢管桩最大正向位移最大,此时最大正向位移随注浆厚度大致呈现二次抛物线的形式;注浆厚度为10和20 mm时，微型钢管桩位移最小.微型钢管桩最大负向位移随注浆厚度的增加而增加.对于最大正向位移,在注浆厚度10～15 mm时,微型钢管桩最大正向位移注浆增加是由于注浆离钢管较近,而注浆的变形大于钢管,导致微型钢管桩正向横向位移随注浆厚度增大而增大;而当注浆厚度在15～20 mm时,由于注浆外层离土较近且离钢管较远,而注浆变形小于土的变形,导致微型钢管桩最大正向位移注浆减小.对于最大负向位移,由于最大负向位移与力的方向相反,微型钢管对注浆的作用较小,注浆与土的接触更是考虑的重点,导致最大负向位移值随注浆厚度的增加而注浆增加.

由以上分析可知,在注浆厚度为10 mm时,微型钢管桩的最大正向水平位移和最大负向水平位移都较好,因此，从最大水平位移角度,优先选用注浆厚度10 mm的微型钢管桩.

图8 不同注浆厚度最大和最小竖向位移Fig.8 Maximum and minimum vertical displacement of

由图8可知，在水平力和上拔力作用下，不同注浆厚度的4根微型钢管桩竖向位移表现为:10 mm注浆厚度上拔最大位移为4.676 mm,上拔最小位移为3.162 mm;15 mm注浆厚度上拔最大位移为4.808 mm,上拔最小位移为2.206 mm;20 mm注浆厚度上拔最大位移4.948 mm,上拔最小位移3.513 mm.将不同注浆厚度最大竖向位移和最小竖向位移进行整理,如表2所示.

表2 不同注浆厚度最大竖向位移和最小竖向位移Tab.2 Maximum and minimum vertical displacement

由图8可知,注浆厚度在10～20 mm之间,微型钢管桩在水平力和上拔力作用下最大竖向位移随注浆厚度大致呈线性变化,且最大竖向位移随注浆厚度增大而增大,最小竖向位移随注浆厚度先减小后增大.通过竖向位移比较得出，10 mm注浆最大竖向位移最小,而15 mm注浆竖向位移总体较为均匀,20 mm注浆厚度最大竖向位移最大且总体位移不均匀.因此,从竖向位移来看,10 mm注浆厚度和15 mm注浆厚度最优.

从水平位移(见图8)和竖向位移(见图9)两者比较可以看出：最大负向水平位移与最大竖向位移呈近似对称关系,最大正向水平位移与最小竖向位移呈近似对称关系,从这个变化可以得出最大负向位移与最大竖向位移具有对应关系,最大正向水平位移与最小竖向位移也具有对应关系.由此可以得出,后注浆微型钢管桩的水平位移与竖向位移具有相关性,从某种程度上可以看出微型钢管桩的水平位移可以反映出其竖向位移.提取不同注浆厚度的Mx,My弯矩数据,绘制在z方向Mx的弯矩，如图9所示.

图9 沿z方向Mx弯矩图Fig.9 Mx moment diagram along z direction

由图9可知：不同注浆厚度情况下,微型钢管桩的弯矩随深度大致呈线性变化,且随着深度的增加弯矩值是逐渐减小的,在10 mm注浆厚度微型钢管桩与承台连接处弯矩出现正负交替的变化,而在注浆厚度为15和20 mm处弯矩波动较小.弯矩的正负交替变化对基础的受力是不利的,因此，可以考虑通过补强措施来减小弯矩波动.从本例的分析来看,通过在微型钢管桩与承台连接处适当增加注浆厚度来减弱正负交替的弯矩变化是有效果的.

因此可以得出：注浆厚度的变化对x方向的弯矩变化是较小的,仅仅在连接处弯矩出现变化,连接处可通过补强措施来消除.故分析注浆厚度对基础的影响时,可以不将注浆厚度影响x方向弯矩作为考虑的重点.

提取不同注浆厚度的Mx,My弯矩数据,绘制在z方向My的弯矩，如图10所示.由图10可知：My弯矩随微型钢管桩长度大致呈线性变化,注浆10 mm的微型钢管桩在连接处弯矩出现较大波动，且注浆15 mm和注浆20 mm的弯矩在连接处弯矩变化较小.My与上述Mx情况类似,均可通过连接处增加注浆厚度来提高补强措施得以解决.因此,注浆厚度对微型钢管桩弯矩的影响较小,不必作为主要方面进行考虑.

图10 沿z方向与My弯矩图Fig.10 My moment diagram along z direction

通过以上分析可以排除弯矩对注浆厚度的影响,现在考虑钢管直径和壁厚对注浆厚度的影响.通过大量的有限元数值模拟和理论分析,将钢管壁厚确定,得出数据绘制不同钢管直径最优注浆厚度随钢管直径变化,如图8所示.

图11 不同壁厚最优注浆厚度随钢管直径变化Fig.11 The optimum grouting thickness of different

式中:r为注浆厚度;d为钢管半径;r0为钢管壁厚.

通过分析得出的数据再反过来验证公式的适用性,最优注浆厚度、钢管直径和钢管壁厚较为准确,具有一定的普遍性.

4 结论

本文通过4根微型微型钢管桩进行力学特性分析,归纳出如下结论:

(1) 微型钢管桩的最优注浆厚度本质上是注浆、钢管和土的相对距离而决定的.

(2) 微型钢管桩在计算注浆厚度时主要考虑在水平力、上拔力作用下的水平位移和竖直位移,这两方面位移量作为受力考虑的主要方面.

(3) 弯矩Mx,My影响注浆厚度的效果较小,仅在钢管和承台连接处弯矩影响较大,可通过增加注浆厚度来减小弯矩影响,故选取最优注浆厚度可不予考虑弯矩Mx,My.

(4) 通过大量的有限元数值模拟,总结出适应于一般性的注浆厚度r、钢管半径d和钢管壁厚r0之间的数值关系,为后期设计人员优选微型钢管桩的注浆厚度，提出理论依据和优选范围.