預應力混凝土管樁承載力計算和數值分析

黃彬

摘要： 預應力混凝土管樁豎向承載力的確定是工程界關注的問題，學術界對預應力混凝土管樁的豎向承載力的研究也比較多。目前國外關于預應力混凝土管樁豎向承載力的經驗公式不多，國內也沒有一種計算方法十分精確。如果按照現行規范的經驗公式來確定管樁單樁豎向承載力其結果往往比通過靜載荷試驗所得的試樁結果要低很多，從而造成工程成本的大量增加。本文結合遼寧盤錦某工程建設，通過靜載荷試驗、理論計算、數值模擬等方法分析預應力混凝土管樁的受力性狀和獨特的承載機理。

Abstract： The determination of the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile is a concern in the engineering field. There are many academic researches on the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile. At present， there are few abroad empirical formulas about the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile， and there is no accurate calculation method in China. If the vertical load capacity of the single pile is determined according to the empirical formula of the current code， the result is often much lower than that obtained by the static load test， which results in a large increase in the cost of the project. In this paper， combined with the project construction in Panjin， Liaoning， the static load test， theoretical calculation， numerical simulation and other methods are used to analyze the stress characteristics and the unique bearing mechanism of prestressed concrete pipe pile.

關鍵詞： 預應力管樁；單樁豎向承載力；靜載荷試驗；數值分析

Key words： prestressed pipe pile；vertical bearing capacity of single pile；static load test；numerical analysis

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0159-03

0 引言

預應力混凝土管樁具有成樁質量易控制、施工簡便，單樁承載力高，工程造價低，節能、環保等諸多優點。目前在許多地區已得到越來越廣泛的應用。但由于開口管樁結構的特殊性，其沉樁和承載機理較為復雜，國內外許多學者對此做了大量的研究。鑒于此，本文針對盤錦地區的一個工程實例，依據沉樁施工資料，對預應力管樁靜載荷試驗結果進行了具體分析，并討論了產生此結果的原因，為其他類似工程的設計施工提供技術參考。

1 工程概況

本施工場地位于遼寧盤錦，大地構造位置處于新華夏第二沉降帶，堆積了厚達6000～8000m的新生界陸相地層。地貌單元屬遼河河口三角洲，地勢平坦，地貌單一，地層主要由第四系全新統海陸交互相沉積物組成。各土層統計物理力學指標、樁基參數指標如表 1所列。

2 靜載荷試驗

①1#、2#樁：當荷載分別加到1800kN時，累計下沉量分別為12.47mm、12.46mm。當荷載分別加到1890kN和1880kN時，樁急速下沉，荷載已經加不上去，千斤頂已自動卸載，樁已喪失承載力，終止加載。此時1#、2#樁的累計總沉降量分別為45.75mm和46.26mm，如表2-1。單樁豎向抗壓極限承載力，取Q-S曲線陡降段前一級荷載為1800kN，如圖1和圖2。

②3#樁：當荷載加到1800kN時，累計下沉量為12.13mm。當荷載加到1990kN時，樁急速下沉，荷載已經加不上去，千斤頂已自動卸載，樁已喪失承載力，終止加載。此時3#樁的累計總沉降量為47.41mm。單樁豎向抗壓極限承載力，取Q-S曲線陡降段前一級荷載為1900kN，如圖3。

3 單樁豎向承載力計算

按規范中給出的參考數據合理取值。通過計算得到的計算結果均低于靜載荷試驗值。計算結果如表2。

4 數值模擬分析

4.1 地基特性

除了管樁樁身混凝士材料外，樁周有多層土體，所以在定義材料屬性性窗口中，定義多個土層屬性。在該對話框的窗口中，定義各種材料的彈性模量、飽和容重、泊松比、粘聚力、內摩擦角等。

4.2 材料特性

不論是二維還是三維計算模型，都需要有一個合理的網格劃分方法和網格密度把握，樁土結構涉及到的模型幾何形狀較規則，因而采用合理的網格劃分方式可以使計算來得方便。樁土材料力學性能見表3。

4.3 荷載和邊界條件

根據現場預應力管樁實測資料管樁可以承受1800kN豎向荷載，本模型對管樁樁頂施加1800kN壓力，并對樁頂面所有節點進行耦合，使樁頂面集中力轉化為均布荷載，荷載分13級進行加載，每級加載140kN。對模型邊界進行約束Ux=0，Uz=0。

4.4 理論計算、有限元分析與現場載荷結果分析

為驗證數值模擬的結果是否能夠正確反映管樁樁身荷載傳遞規律，選取現場的靜載荷試驗數據，并用有限元對現場情況進行數值模擬。圖5為l#、2#、3#樁的靜載荷數據曲線和有限元模擬靜載荷試驗曲線的對比情況。

在加荷的初始階段，沉降值與實際值較相近。實測情況的最后階段，荷載達到一定值時，沉降值會有一突然增大的現象，數值會變得非常大，這表明樁土在這一時刻的平衡關系被打破，樁體承載力達到極限。由此可以看出，有限元數值分析在實際工程中有著較好的實用性。

5 結果對比分析

靜載荷試驗過程與勘察報告中所反應的土層的力學性狀基本一致。根據根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗確定預應力混凝土管樁的單樁承載力時，計算值和現場實測值較接近，且偏于安全。預應力管樁屬于端承摩擦樁，樁身承載力較多的依靠側摩阻力提供。在試樁施工過程中，因沉樁時間很短，樁側阻力發揮作用較小，靜載荷試驗反映出來的壓力值主要來自于樁端阻力，其側阻力的發揮較少，樁的極限承載力還沒有完全發揮出來。

參考文獻：

[1]JGJ94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[2]JGJl06—2003，建筑基樁檢測技術規范[S].

[3]施峰.PHC管樁荷載傳遞的試驗研究[J].巖土力學，2004，26（1）.

[4]張忠苗.樁基工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[5]侯勝男，劉陜南，蔡忠祥，黃紹銘.高強度預應力混凝土管樁擠土效應的影響分析預應力管樁單樁水平承載力的試驗判定標準探討[J].巖土工程學報，2013（S1）.