預制混凝土管樁樁—板結構的抗彎性能研究

馬 杰 戴元志 李怡彬

(1.南京河西工程項目管理有限公司，江蘇南京 210000;2.江蘇河海工程技術有限公司，江蘇南京 210098; 3.玉溪農業職業技術學院，云南玉溪 653100)

0 引言

我國軟土地基分布廣泛，軟土特性復雜多變，如長江三角洲地區為沖積、湖積相及濱海相淤泥質粘土，黃淮地區主要為沖積、洪積相淤泥質粉質粘土、粉土，東南沿海地區主要為濱海相、瀉湖相淤泥、淤泥土。在復雜的軟土地基上修建建筑物(構筑物)時，不僅要保證其穩定性，還要對其變形和工后沉降進行嚴格的控制。因此，工程建設前往往需要對軟弱地基進行加固，而預制混凝土管樁就是一種有效的地基加固方法。

預制混凝土管樁是采用張拉預應力工藝和離心成型法制成的一種空心筒體細長混凝土預制構件，按外徑分為300 mm，400 mm，500 mm，600 mm，800 mm，1 000 mm，1 200 mm，1 300 mm和1 400 mm等不同的規格，目前使用的管樁以400 mm，600 mm外徑居多。按照鋼筋含量可將管樁分為A型、AB型、B型、C型。管樁全是工廠化生產，常用節長8 m～12 m，也可根據實際情況進行尺寸定制［1］。

管樁施工完成后往往在樁頂澆筑混凝土板，形成樁—板結構［2，3］。加至樁—板結構上的荷載通過板分配給樁和樁周土，如此一來，管樁受力中心常常不在樁身軸線上，即產生偏心荷載。作為空心樁，管樁的抗彎性能差，偏心荷載下產生的樁身彎矩不容忽視。因此，實際應用中，控制管樁承載性能的可能是樁身彎矩而非豎向承載力。

文章結合某實際工程，通過工程地質勘查報告獲得場地土層的物理力學參數，通過大型的三維有限元數值軟件ABAQUS建立數值模型，計算了預制預應力混凝土管樁樁—板結構在豎向荷載下產生的樁身彎矩，從而揭示了樁身彎矩對管樁設計使用的影響。

1 工程概況

某工程場地位于臨海灘涂地帶，分布著大范圍淤泥類軟土。部分建筑物(構筑物)基礎采用填土(堆填碎石)地基，未對深部及臨海側軟土進行加固處理。使用過程中，場地堆載速率過快，堆載量過大，無間歇期，無分層壓實處理，平均堆載厚度遠超過了淤泥類軟土的承載能力，導致地基土產生失穩滑移，外側地面隆起，地基上建筑物地面多處開裂，致使建筑物無法正常投入使用。除此之外，距離原有建筑物外側5 m處，擬新建一條施工通道，供施工車輛和行人使用。鑒于場地已發生明顯破壞，需對場地進行勘探，根據地質勘探結果選擇合適的地基加固方案對場地進行處理，以滿足原有構筑物與新建施工通道的(新荷載)正常工作。

2 場地工程地質情況與加固方案

擬建場地西側為丘陵山地，該場地原為養殖塘、淤泥淺灘，大部分已回填，回填土主要為宕渣，碎塊石含量超過50%，回填土厚度差異較大，一般在5 m～7 m，局部可達9 m以上。擬建場址西高東低，實測地面標高一般為－0.20 m～6.40 m。根據勘察野外鉆探、原位測試及室內試驗所取得地基土物理力學性質指標，將勘探深度內巖土體劃分為6個工程地質層組，細分為9個工程地質亞層，自上而下分述如下:素填土、淤泥、淤泥質黏土、含碎石粉質黏土、全風化凝灰巖、強風化凝灰巖、中風化凝灰巖。擬建場地表面局部分布有素填土，成分主要由粘性土混碎塊石組成，平均厚度一般為5.0 m～7.0 m，土質不均，結構松散，性質差，穩定性差，對場址地基穩定性有一定影響，設計施工時應采取合理措施。場址普遍分布淤泥及淤泥質土，場址軟土地基土承載力特征值一般為50 kPa～60 kPa，軟土厚度一般在1 m～32.5 m，具天然含水量及孔隙比高、壓縮性大、強度低、滲透性差、高靈敏度、易觸變、沉降量大且沉降歷時長等特點。軟土厚度不均，加之基巖面分布傾斜，在場地堆填土厚度達到和超過所能承受的極限高度后，場地地基土必然產生失穩滑移。

結合場地特性與建設方案，擬對施工通道下方進行預制混凝土管樁樁—板結構加固，該加固一方面用于支撐施工通道的豎向荷載，另一方面用于阻止滑動破壞繼續發展。具體加固方案為:四排梅花形布樁的預應力混凝土管樁樁—板結構，樁徑為600 mm，排間距為1.3 m，四排樁自左向右分別為 P1，P2，P3和P4，樁長以打至強風化巖層為準。板厚為0.5 m，板寬為5.2 m。

3 數值模型建立

3.1 模型建立

場地加固前，通過三維有限元軟件對擬采用的加固方案進行驗證，計算使用達索SIMULIA公司開發的ABAQUS有限元軟件［4］。圖1給出了計算模型的網格劃分圖。取場地其中一個剖面(垂直于施工通道延伸方向)建立數值模型，模型長40.2 m(由30 m構筑物、5 m間距和5.2 m加固寬度組成)，模型寬度取兩排樁厚度(約1.3 m)，模型深度為47 m。土層分布簡化為直線，土層通過Mohr-Coulomb本構模型進行描述，樁—板結構采用線彈性本構模型。根據該場地地質勘察報告，計算參數取值如表1所示。

三維模型的單元劃分全部采用六面體。模型中坐標系的x方向為邊坡方向，y方向為施工通道延伸方向，z方向為重力方向。對模型底面的x，y，z三方向進行位移約束，對x方向的兩個邊界面的x方向水平位移進行約束，對y方向的兩個對稱邊界面的y方向水平位移進行對稱約束。計算中的基本步驟為:

1)建立有限元幾何模型，簡化土層，進行材料參數的選取及邊界條件、初始條件的施加，劃分網格;

2)對原有土層進行初始地應力平衡，平衡后加上填土，進行計算，分析未加固的地基變形，檢驗模型;

3)簡化模型，在設計位置處加入管樁樁—板結構，施加施工通道荷載(100 kPa)，計算樁的承載力和變形，分析樁—板結構中樁身軸力和樁身彎矩特性。

表1 土層計算參數

圖1 有限元模型的網格劃分圖

3.2 模型驗證

為了驗證模型和參數的合理性，文中建立了原來場地的計算模型，建立的數值模型及計算后的變形示意圖如圖2所示。從圖3中可知，在基巖斜坡對應的地面處出現明顯的滑動破壞。該計算結果與目前場地的實際情況相吻合，從而驗證了模型的合理性。然而，計算得到的破壞位置較實際出現裂縫的位置偏斜坡下游，該結果可能由計算模型中土層簡化所致，但誤差在可控范圍內。

圖2 模型驗證

3.3 計算結果分析

計算中對板頂施加100 kPa的均布荷載，荷載通過板傳遞給樁和樁間土。通過軟件后處理功能，得到樁—板結構板頂荷載—沉降曲線、樁身軸力和樁身彎矩結果。

圖3為計算得到的荷載—沉降曲線。由于樁端支撐在強風化凝灰巖上，100 kPa荷載作用下，樁—板結構板頂的最大沉降量不足10 mm，約為1.7%D(D為樁徑)。計算得到的荷載—沉降曲線幾乎為直線，說明樁端土仍處于彈性階段。鑒于豎向荷載下樁基的極限承載力常取5%D，所以設計方案符合承載力要求。

圖4為自左向右四排樁樁身軸力分布曲線。由于樁—板結構左右兩側邊界條件不同(主要是左側為土，右側為邊界)，在板的協調作用下，樁身軸力分布大相徑庭。主要表現為第一排樁軸力變化較大，第二、三、四排樁受力相近。四排樁的軸力均沿樁身增大，表明樁側為負摩阻力，該結果產生的原因是:樁身支撐在強風化巖石上，樁身本身的壓縮量和下沉量很小，而樁周土在自重和板底荷載的綜合作用下，沉降較大，大于樁體沉降。

如前所述，樁端支撐在持力層上，樁身自身的壓縮和沉降較小，在結構形式和土層分布的共同作用下，樁身將產生彎矩。圖5為樁身彎矩分布曲線。從圖5中可知，彎矩沿深度減小，說明樁端持力層有一定的固定樁端的作用。第一排樁的樁身彎矩最小，第四排樁的樁身彎矩最大。換言之，在場地采用樁—板結構加固時，樁身會產生大的彎矩，若該彎矩大于混凝土管樁的抗彎剛度，那么該地段不便于使用預制混凝土管樁。

圖3 荷載—沉降曲線

圖4 樁身軸力曲線

圖5 樁身彎矩分布

GB 13476—2009先張法預應力混凝土管樁第5.2混凝土有效預壓應力值［1］規定預應力管樁的抗彎剛度，見表2。其中樁徑為600 mm、壁厚為110 mm的預應力混凝土管樁(A類)的抗裂剛度為167 kN·m，極限抗彎剛度為250 kN·m。仍不能滿足文中計算的管樁樁身抗彎要求，因此，管樁樁—板結構使用時，不僅要滿足承載力要求，更重要的是驗證樁身抗彎剛度。

表2 管樁抗彎性能［1］

4 結語

預制預應力鋼筋混凝土管樁是一種廣泛使用的軟基加固方法，管樁往往結合鋼筋混凝土板使用，加至板頂的荷載通過板傳遞給樁和樁周土，樁頂常常受偏心荷載作用，因此產生樁身彎矩。文中通過某軟基加固工程，通過三維有限元軟件ABAQUS計算了四排梅花形布樁的預制混凝土管樁樁—板結構。計算結果顯示:管樁荷載—沉降曲線滿足承載力要求;管樁樁身軸力分布滿足管樁剛度要求;然而，管樁樁身產生大的彎矩，超過了設計管樁的抗彎剛度，因此不能滿足抗彎要求。由該計算結果可知，管樁設計時，既要驗證承載力，又要考慮樁身抗彎。