新型帶肋預應力管樁幾何參數優化數值模擬★

劉 寬 蔣元海 牛志榮

0 引言

預應力管樁具有單樁豎向承載力高，施工工期短、貫穿能力強等優點，在國內外的基礎工程已得到了廣泛的應用，尤其在我國沿海地區。但是，預應力管樁在處理深層軟土地基時，樁側摩阻力取值偏低，對于以摩擦樁設計為主的預應力管樁極其不合理，受設計規范和經濟成本方面影響，也不宜通過增加樁長來提高承載力。為解決這一問題，浙江天海管樁有限公司成功研制出一種新型的樁基礎——新型帶肋預應力管樁[1]。作為一種新型樁型，相對于管樁而言，新型帶肋預應力管樁承載力提高，節約材料，降低成本，工程實踐效果明顯[2，3]。

為了進一步研究新型帶肋預應力管樁的工作機理和承載性能，本文利用有限元軟件MIDAS/GTS以浙江地區某工程新型帶肋預應力管樁為例，通過改變樁型幾何參數，在同等條件下進行數值模擬研究。

1 樁土共同作用有限元模擬

本文采用MIDAS/GTS有限元軟件，該軟件是針對巖土而開發的一款專業軟件，具有強大的前處理和后處理功能，計算精度高，能夠滿足數值模擬的要求，因此該軟件完全可以對新型帶肋預應力管樁進行模擬，以便對樁和土之間的作用影響作出詳細的分析。

1.1 樁土模型參數

計算模型中，土層分布依據現場土質條件確定。樁周土模擬范圍:土體模型取厚度30 m、寬度為直徑10 m的圓柱體，共5層不同土體從上到下依次為:①粉質粘土4.55 m、②粉質粘土4.72 m、③砂質粘土4 m、④砂質粘土9.43 m、⑤淤泥質粉質粘土7.3 m。根據勘測結果選取土體材料參數，見表1。新型帶肋預應力管樁參數:樁長15 m、混凝土強度等級C65、彈性模量3.65×104N/mm2、泊松比0.18、肋距1 m、節部外徑0.25 m、非節部半徑0.23 m、內徑0.1 m。樁體位于土體中心。

表1 土體參數

在計算模型中其他參數不變的情況下，主要分析五種不同橫向凸肋中部寬度的管樁，其寬度分別為40 mm，60 mm，100 mm，120 mm，160 mm。

1.2 本構模型

在有限元分析時，考慮土體的非線性特征，土體破壞準則選用Druker-Prager屈服準則，該屈服準則是對Mohr-coulumb屈服準則給予近似，修正了Von Mises屈服準則;而且該模型考慮了由于屈服而引起的體積膨脹，但不把溫度變化的影響考慮在內[4]。對于新型帶肋預應力管樁而言，樁土接觸面的非線性對整體沉降問題影響不可忽略，故而考慮其接觸面處兩種材料變形的不連續性，所以采用 Goodman單元模擬樁土接觸單元[5，6]。

2 計算結果及分析

考慮樁對樁周圍土體的影響范圍，土體取直徑10 m，深度30 m的圓柱體，樁體位于土體中心處。土體和樁體采用三維實體單元，樁—土接觸單元采用Goodman單元，土體破壞準則選用Druker-Prager屈服準則。

2.1 Q—S曲線圖

利用MIDAS/GTS對不同橫向凸肋中部寬度的新型帶肋預應力管樁分九級加載過程進行模擬，加載時以250 kN的級差由500 kN加載至2500 kN，共九級。

記錄分析每一級荷載下的樁頂位移，并作樁頂沉降對比如圖1所示。

圖1 不同橫向凸肋中部寬度管樁樁頂沉降對比圖

從圖1中可以看出:樁頂沉降量隨橫向凸肋中部寬度增大而減小，同時以40 mm管樁為基準，隨著管樁的橫向凸肋中部寬度的增大，承載力提高百分比依次為 4.2%(60 mm)，6.4%(100 mm)，10.2%(120 mm)，16.8%(160 mm)，因此增大管樁的橫向凸肋中部寬度可以增大極限承載力。

各級荷載工況下的樁軸力沿樁身呈非均勻分布狀態，樁頂至樁端軸力逐漸減小;隨著橫向凸肋中部寬度的增大，樁軸向荷載減小趨勢越來越大，在最后一級荷載2500 kN的作用下，樁端軸向荷載隨橫向凸肋中部寬度增大分別為235 kN，130 kN，82 kN，62 kN，10 kN，分別占最后一級加載值的 9.4%，5.2%，3.2%，2.5%，0.4%。分析可知當橫向凸肋中部寬度越大時，單節樁肋部橫向凸肋凈距離就越小，則橫向凸肋之間發生力的相互作用也就比較多，樁土之間影響的范圍就比較大。當橫向凸肋中部寬度越小時，單節樁肋部橫向凸肋凈距離就越大，相互之間的影響就越小。同時由于負摩阻力的作用，樁身軸應力從下往上轉移，樁身軸應力隨著距樁頂深度變化都是呈現拋物線變化。

圖2 樁端阻力與總荷載比較圖

2.2 荷載分擔曲線圖

由圖2和圖3可知在樁土作用過程中，隨著橫向凸肋中部寬度增大，肋部端阻力對承擔軸力作用就越明顯，側摩阻力就越大，樁端阻力值就越小。說明在其他參數不變的情況下，增大橫向凸肋中部寬度，肋部端阻力也將增大，從而增大側摩阻力，使之成為摩擦樁。

圖3 樁側摩阻力與總荷載比較圖

3 結語

通過MIDAS/GTS對新型帶肋預應力管樁的單樁靜載試驗的數值模擬，模擬不同寬度橫向中部凸肋新型帶肋預應力管樁，得出不同寬度橫向中部凸肋下新型帶肋預應力管樁Q—S曲線和荷載分擔曲線圖，分析Q—S曲線、荷載分擔曲線圖及軸力的變化情況，從不同角度來說明橫向凸肋中部寬度對豎向承載性能的影響，得到以下結論:

1)樁頂沉降量隨橫向凸肋中部寬度增大而減小，同時隨著管樁的橫向凸肋中部寬度的增大，承載力提高，因此增大管樁的橫向凸肋中部寬度可以增大極限承載力。

2)樁軸力沿樁身呈非均勻分布狀態，樁頂至樁端軸力逐漸減小;隨著橫向凸肋中部寬度的增大，樁軸向荷載減小趨勢越來越大，最后成為摩擦樁。

[1]熊厚仁，牛志榮，蔣元海，等.新型帶肋預應力管樁承載特性試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2009(2):32-35.

[2]XIONG Houren，NIU Zhirong，JIANG Yuanhai，et al.The Critical Research on Numerical Simulation of Interaction Mechanisms of Ribs on the New Prestressed Pipe-Pile with Ribs，International Conference on Technology of Architecture and Structure，China，Shanghai，2009:278-287.

[3]熊厚仁，牛志榮，蔣元海.豎向荷載作用下新型帶肋預應力管樁的數值模擬研究[J].建筑結構，2010，40(10):107-109.

[4]錢德玲，張文彥，曹光暄，等.基于GTS對單樁靜載試驗的有限元模擬分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2009，32(2):234-237.

[5]齊良峰，簡 浩，唐麗云.引入接觸單元模擬樁土共同作用[J].巖土力學，2005，26(1):127-130.

[6]毛堅強.接觸問題的一種有限元解法及其在巖土工程中的應用[J].土木工程學報，2004，37(4):70-75.