超流態混凝土灌注樁承載特性分析

楊 興 宇

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

超流態混凝土灌注樁承載特性分析

楊 興 宇

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

以ABAQUS軟件為工具，建立了超流態混凝土灌注樁的有限元模型，分析了該樁型在不同因素影響下單樁沉降的變化規律，進一步揭示超流態混凝土灌注樁的承載特性。研究結果表明，在粘土層中設計使用超流態混凝土灌注樁時，為了充分發揮樁基的承載能力，需要設計15 m～20 m樁長，400 mm～600 mm的樁徑。

承載特性，超流態混凝土灌注樁，樁頂沉降，有限元模型

0 引言

近些年來，超流態混凝土灌注樁由于其承載能力強、成樁質量好、施工振動小、造價便宜等優點，在黑龍江地區被廣泛應用[1]。但是在超流態混凝土灌注樁的設計過程中，設計人員仍在使用普通鉆孔灌注樁的計算理論和承載特性[2,3]，其理論研究嚴重滯后于實踐。因此需要對該樁型的承載特性進行研究，為該樁型的進一步推廣奠定基礎。

本文主要做了以下兩方面的工作：

1)收集整理哈爾濱西城晶華二期項目的勘察、設計和驗樁資料，使用ABAQUS軟件[4]，建立了超流態混凝土灌注樁的有限元模型。通過對比模擬結果和實測結果，驗證了所建模型的合理性。

2)研究了超流態混凝土灌注樁在三種主要因素(樁長、樁徑、樁周土體彈性模量)影響下的單樁沉降的變化規律[5,6]，進一步揭示了超流態混凝土灌注樁的承載特性。

1 超流態混凝土灌注樁有限元模型的建立

1.1 計算參數的選擇

現以哈爾濱西城晶華二期項目25號樓的樁基礎工程為例，該工程采用超流態混凝土灌注樁，樁和各層土體的具體參數見表1,表2。

表1 樁的計算參數取值

表2 土的物理力學性質指標

1.2 模型的基本假定和有限元模型的建立

為了使研究的問題得到簡化，需要對樁和土體的模型做出如下假定：

1)樁身假定為線彈性體，土體假定為理想的彈塑性體。

2)由于鋼筋對豎向荷載作用下超流態混凝土灌注樁的承載特性幾乎沒有影響，故在建立模型時，不考慮鋼筋的影響，即假定樁中沒有鋼筋籠，為純混凝土樁。

根據上述假定和樁與土體的參數，建立超流態混凝土灌注樁的有限元模型，可以得到模型的應力和位移云圖，如圖1所示。

1.3 計算結果與分析

1.3.1 靜載實驗實測值與軟件模擬值的比較

使用ABAQUS軟件，模擬施工現場靜載實驗的加載過程，將各級荷載作用下的軟件模擬沉降值和實測沉降值進行對比，可得到實測沉降和模擬沉降的對比曲線，如圖2所示。觀察圖2中的曲線可知，模擬生成的曲線和實測曲線基本吻合。當加載至1 600 kN時，圖中沒有出現明顯的轉折段和拐點，且最大位移值都沒有達到《建筑樁基檢測技術規范》中規定的40 mm的極限值，可以判定該樁的樁底土體還沒有到達極限狀態。

1.3.2 樁頂與樁端位移的比較

在實際工程中，樁頂的沉降量通常為樁身的壓縮量和樁端處的沉降量之和。而樁身的壓縮量可使用式(1)求得：

SS=ΔPtL/EpAp

(1)

其中，SS為樁身的壓縮量;Δ為綜合系數;Pt為樁頂的豎向荷載;L為樁的長度或樁的入土長度;Ep為樁材料的彈性模量;Ap為樁體的橫截面面積。對于超流態混凝土灌注樁，當長徑比L/d<40時，取Δ=1/2。當長徑比L/d≥40時，取Δ=1/3。本文中L/d=47.5，故取Δ=1/3。

從模型的分析結果豎向位移云圖與mises應力云圖中可以發現，在荷載加載到1 600 kN的過程中，樁身的豎向應力隨著樁進入土體的深度的增大而逐漸變小，樁身的沉降也隨著樁進入土體的深度的增大而不斷降低。當加載到最后一級荷載時，我們可以看到樁頂的位移為9.24 mm，樁端位移為6.43 mm。而通過上述的樁身壓縮量公式計算可知：實際樁的壓縮量為2.69 mm。由表3中對比可知，現場測量的值和模擬計算的結果基本一致。證明了所建的模型是合理的。

表3 沉降的模擬值和實測值

1.3.3 樁側摩阻力發揮特性

在模型的分析結果中，提取各深度對應的側阻力值(CSHEAR1)，繪制出圖3所示超流態混凝土灌注樁的側阻力曲線圖。從圖3中能夠看出，樁側摩阻力隨深度變化的曲線出現了兩個峰值，第一個峰值位于-1.8 m處，處于粉質粘土層中，當荷載加載到1 280 kN時，出現了峰值57.6 kPa，之后隨著樁體頂部的加載量的繼續增大，樁側摩阻力卻在不斷的降低，說明此時的樁和樁周土的接觸面已屈服。規范中給出了粉質粘土中，超流態混凝土灌注樁的極限側摩阻力值的取值范圍為42 kPa～62 kPa，故滿足規范的要求。而在勘察報告中，提供了粉質粘土層中的樁側的極限摩阻力值為55 kPa，可以發現，模擬值、規范值和勘察報告提供的側摩阻力極限值非常接近，這說明了所建模型的有效性和精確性。

2 超流態混凝土灌注樁承載特性分析

2.1 樁長對超流態混凝土灌注樁承載特性的影響

假設樁徑為400 mm，樁的彈性模量為30 GPa，樁周土體假定為表4中的粘土，分別建立樁長為10 m，15 m，20 m，25 m時，超流態混凝土灌注樁的有限元模型。提取模擬結果，可繪制不同樁長對應的荷載—沉降關系曲線，如圖4所示。

表4 樁周土體的物理力學參數

由圖4可知，在同一樁頂荷載的作用下，隨著樁長的增長，樁的沉降量在不斷減小，但這種減小的幅度在不斷下降。當加載到1 600 kN時，10 m樁和15 m樁的最終的沉降值相差3.7 mm。而20 m樁和25 m樁的沉降值僅相差0.7 mm，兩條曲線基本重合，這說明在粘土中，當超流態混凝土灌注樁的樁長達到20 m后，增大樁長已無法有效提升樁基的承載力。因此在粘土層中，設計15 m～20 m的超流態混凝土灌注樁較為合適。

2.2 樁徑對超流態混凝土灌注樁承載特性的影響

假定樁的彈性模量為30 GPa，樁長為20 m，樁周土體假定為表4中的粘土，分別建立樁徑為400 mm，500 mm，600 mm，700 mm時，超流態混凝土灌注樁的有限元模型。提取模擬結果，可繪制不同樁徑對應的荷載—沉降關系曲線，如圖5所示。

由圖5可知，當樁頂荷載相同時，樁的直徑越大，樁頂的沉降量就越小。觀察樁徑為600 mm和700 mm樁的沉降曲線發現，兩條曲線接近重合，說明當樁徑達到600 mm后，繼續增大樁徑已無法有效提升樁基的承載能力。因此在粘土層中，設計樁徑為500 mm～600 mm的超流態混凝土灌注樁較為合適。

2.3 樁周土體彈性模量對超流態混凝土灌注樁承載特性的影響

在本節中，假設樁的長度為20 m，樁的直徑為400 mm，樁的彈性模量為30 GPa，樁周土體假定為表4中的粘土，土體的彈性模量分別取12 MPa,24 MPa，36 MPa，來建立超流態混凝土灌注樁的有限元模型，在模擬結果中提取各級荷載作用下樁頂沉降的數值，可總結繪制出不同樁周土體彈性模量對應的荷載—沉降關系曲線圖，如圖6所示。

從圖6中可知，當樁頂施加的荷載相同時，樁頂的沉降量隨著土體彈性模量的增大而顯著減小。因此在施工中，可以通過強夯等手段，增大地基土的彈性模量，從而達到減小樁基沉降，增大樁基承載力的目的。

3 結語

1)通過模擬研究可知，超流態混凝土灌注樁的側阻力承擔了絕大多數的上部荷載，因此超流態混凝土灌注樁應該是一種端承—摩擦樁。

2)在粘土層中，采用樁徑為400 mm～600 mm、樁長為15 m～20 m的超流態混凝土灌注樁，可以最大程度的發揮出樁基的承載能力，并避免由于樁長和樁徑過大導致的施工難度增大和成本增加。

3)在施工過程中，可以通過強夯，增大地基土的彈性模量，使樁側摩阻力得到更充分的發揮，從而達到減小樁基沉降，增大樁基承載力的目的。

[1] 周鳳林,張秋媛.孔底注漿超流態混凝土樁新施工技術研究[J].山西建筑,2011,37(19):45-46.

[2] DB 23/T360—2010，鉆孔壓灌超流態混凝土樁基礎技術規程[S].

[3] 左秉旭,林 芳.超流態混凝土灌注樁工藝特點及承載力計算分析[J].探礦工程,2008(5):47-51.

[4] 費 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2010:3-5.

[5] 劉興華.單樁豎向荷載傳遞的性狀分析及工程應用[D].西安：長安大學碩士學位論文,2007:8-10.

[6] 李偉偉.長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁承載特性研究分析——基于ABAQUS有限元軟件[D].合肥:合肥工業大學碩士學位論文,2011:8-16.

Bearing characterstics analysis of superfluid concrete pouring pile

Yang Xingyu

(SchoolofCivilEngineering,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China)

Using the finite element software ABAQUS established superfluid concrete pile model, and the change law of the settlement of single pile under different factors is analyzed, further reveal the bearing characteristics of super flow concrete pile. The study found that when the superfluid concrete pouring pile is used in the clay layer, in order to give full play to the bearing capacity of pile foundation, it is necessary to design 15 m～20 m pile length and 400 mm～600 mm pile diameter.

bearing characteristics, super flow concrete pouring pile, pile top settlement, finite element model

1009-6825(2017)21-0050-03

2017-05-04

楊興宇(1992- )，男，在讀碩士

TU473.1

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