勁性復合樁的承載力分析

陸俊俊　（合肥工業大學，安徽合肥230009）

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勁性復合樁的承載力分析

陸俊俊（合肥工業大學，安徽合肥230009）

勁性復合樁基作為一種重要的基礎形式，它具有承載力高、沉降小、造價低等優點。以禹洲地產南京雨花臺項目為研究背景，通過承載力設計值計算、現場試驗以及ANSYS有限元模擬分析，對等芯勁性復合樁承載力和荷載傳遞機理進行了分析比較。分析得出：勁性復合樁單樁豎向抗壓承載力實驗值與有限元值相符，偏差較小，且遠大于單樁豎向抗壓承載力設計值；勁性復合樁在樁身未發生破壞的情況下，其樁側摩阻力和樁端阻力分別承擔豎向荷載的90%和10%。

等芯勁性復合樁；靜荷載試驗；有限元；荷載傳遞規律

1　概述

許多沿海以及內陸河流地區，廣泛分布著軟弱土，此類土在外部荷載作用下，地基的承載力低，沉降大，且沉降持續時間較長。勁性復合樁基作為一種重要的基礎形式，它具有承載力高、沉降小、造價低等優點。

勁性復合樁自20世紀90年代在我國首次應用以來，不少學者對其進行了研究分析。2003年董平等[1]運用有限元軟件分析研究了勁性復合樁在豎向荷載作用下樁周土與樁內外芯的應力比，發現勁性復合樁的工作方式接近摩擦樁。2008年盛桂琳等[2]以某工程為依托，通過ANSYS建立三維有限元模型，對勁性復合樁單樁復合樁基在豎向荷載作用下的工作性狀進行了數值分析。2011年陳華順等[3]以某公路試驗段工程為依托，長芯勁性復合樁荷載傳遞機理和樁側摩擦力進行了探討，提出了長芯勁性復合樁荷載傳遞和擴散的雙層模式，并分析了雙層模式中各層地基的荷載傳遞機理和工作機理。

本文以禹洲地產南京雨花臺項目為研究背景，通過承載力設計值計算、現場試驗以及ANSYS有限元模擬分析，對等芯勁性復合樁承載力和荷載傳遞機理進行了分析比較。

2　工程概況

該工程位于江蘇省南京市雨花臺區，該地區屬于新近沉積土場地，上面覆蓋的土層主要為飽和的淤泥質粉質粘土、呈“千層餅狀”的粉質粘土與粉砂互層土。根據場地的地質條件和建筑物的特點，如果采用鉆孔灌注樁，成樁過程中的泥漿對周圍環境污染比較嚴重，且成樁的質量難以保證；如若采用常規壓樁工藝的管樁，由于場地上部存在很厚的淤泥質粘土層，壓樁過程中“擠土效應”會比較明顯，且目前國內施工機械難以穿過3層粉細砂層，成樁困難。因此該項目選用等芯勁性復合樁基礎。

3　靜荷載試驗

3.1試樁設計

本次靜荷載試驗選用樁徑為900mm的等芯勁性復合樁，芯樁為600PHC-A-130型預應力混凝土管樁（見圖1）。其中水泥參量宜為12%～18%，外芯層厚度為150mm。

圖1　樁身構造詳圖

3.2試樁豎向抗壓承載力計算

根據《勁性復合樁技術規程》（JGJ/T327-2014）[4]4.3節中的相應對勁性復合樁豎向抗壓承載力進行計算，其計算結果如表1所示。

根據《預應力混凝土管樁設計圖集》中的PHC管樁樁身承載力與裂縫控制指標表格，可以查到600PHC-A-130型管樁的樁身軸心受壓承載力設計值（未考慮壓強影響）R=4824kN。綜合以上承載力計算結果，預估的單樁豎向抗壓承載力特征值取3100kN。

1#勁性復合樁單樁豎向抗壓承載力計算　表1

3.3試驗加載

按照《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）[5]和《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ206-2014）[6]中的有關條文，靜荷載試驗每級加載量為預估極限荷載的1/10，第一級可按2倍分級荷載加載，故本次試樁靜荷載試驗每級加載量為600kN，第一級加載量為1200kN，最終加載量不小于6200kN。每級荷載加載后間隔5min、10min、15min各讀表一次，以后每隔15min讀表一次，累計滿1h后每隔30min讀表一次。加載終止條件為：

①某級荷載作用下，樁的沉降量為前一級荷載作用下沉降量的5倍，且樁頂總沉降量超過80mm；

②某級荷載作用下，樁的沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經24h尚未達到相對穩定。

3.4實驗結果的整理和分析

1#試樁的實驗數據經整理得出的Q-S曲線如圖2所示。試樁在荷載逐級加載的過程中，其沉降曲線的斜率逐漸增加，當荷載加載到6200kN后，沉降曲線尾部斜率在荷載增加的情況下極具增大，直至樁身失去工作性能。

4　ANSYS有限元模擬

4.1有限元模型建立與求解

4.1.1計算模型

該勁性復合樁豎向承載力問題為中心對稱問題，取1/4樁進行計算，模型結構如圖3所示，其中樁的結構和尺寸和靜荷載試驗試樁相同。同時，根據豎向荷載的影響范圍，模型樁周土的取值范圍為：縱向深度50m，水平方向取邊長為4.8m的正方形。

圖2　1#試樁Q-S曲線

圖3　1/4模型結構圖

4.1.2材料參數

模型中的土體采用Drucker-Prager（DP）材料，其模型計算中的材料參數如表2所示。

模型計算中的材料參數　表2

4.1.3單元的選取和劃分

本次有限元模型采用SOLID45單元來對其進行模擬。樁土接觸屬于邊界非線性問題，有限元建模時在樁與土之間引入面—面接觸單元模擬樁與土之間的剪力傳遞和相對滑移。本文選擇剛體—柔體的接觸單元來模擬樁土交界面的非線性。

關于試件的單元網格劃分，本次模擬均采用映射網格劃分，樁身網格尺寸為10mm×10mm×10mm。該模型網格劃分如圖4所示，該模型共劃分了62602個單元，其中進行攪拌樁被劃分成了30552個單元。

圖4　有限元網格劃分示意圖

4.2有限元模型計算結果分析

4.2.1豎向位移結果分析

本章1#試樁進行了有限元模擬分析，分析過程中通過分級加載計算出相對應的豎向位移，并將其繪制成Q-S曲線如圖5所示。其后將有限元分析結果與靜荷載試驗結果置于同一坐標系中進行比較，如圖6所示。可以看出ANSYS有限元模擬分析得出的Q-S曲線與靜荷載試驗得出的Q-S曲線存在一定的偏差，但是總體上的走勢還是較為接近的。

圖5　1#模型樁Q-S曲線

圖6　1#樁Q-S對比曲線

4.2.2勁性復合樁樁側摩阻力、端阻力的分配情況

通過ANSYS運算求解得出樁側阻力和端阻力，根據勁性復合樁樁側、端摩阻力荷載分配情況（如圖7）可觀察得：樁側摩阻力和端阻力隨著豎向荷載的增加大體呈線性變化，樁側摩阻力的增長幅度遠遠大于樁端阻力；樁身在未發生破壞的使用情況下，勁性復合樁的樁側摩阻力和樁端阻力分別承擔豎向荷載的90%和10%。

圖7　1#模型樁樁端、側摩阻力荷載分配情況

5　結論

本文通過對試樁的靜荷載試驗以及ANSYS有限元計算分析，對勁性復合樁進行了分析研究，綜合本文的研究內容可以得出以下結論：

①勁性復合樁樁身在未發生破壞的使用情況下，其樁側摩阻力和樁端阻力分別承擔豎向荷載的90% 和10%，屬于摩擦樁；

②本文中靜荷載試驗是在南京雨花臺區進行的，為勁性復合樁在相似巖土條件地區的應用提供了理論依據和試驗資料。

[1]董平，秦然，陳征宙.混凝土芯水泥土攪拌樁的有限元研究[J].巖土力學，2003，24（3）： 344-348.

[2]盛桂琳，魯書甜，鮑鵬，趙捷.勁性攪拌樁承載力的主要影響因素分析和計算公式探討[J].河南大學學報，2008，38（1）：96-100.

[3]陳華順，孫元奎，李挺.長芯勁性樁樁側摩阻力計算方法探討[J].水運工程，2011，12（5）：40-44.

[4]JGJ/T327-2014，勁性復合樁技術規程[S].

[5]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[6]JGJ106-2014，建筑樁基檢測技術規范[S].

TU473.1+1

A

1007-7359(2016)03-0135-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.049

陸俊俊（1990-），男，江蘇海門人，合肥工業大學在讀碩士，研究方向：結構工程。