預測泡沫混凝土勁性樁極限承載力可行性研究
——基于指數曲線擬合法

孔秋平

(1.福建永強巖土股份有限公司 福建龍巖 364000; 2.福建省巖土與環境企業工程技術研究中心 福建龍巖 364000)

0 引言

泡沫混凝土是通過發泡機的發泡系統將發泡劑充分發泡，并將泡沫與水泥漿料均勻混合，經泵送系統進行現澆施工或模具成型。泡沫混凝土是一種利廢、環保、節能、低廉且具有不燃性的材料[1]。利用泡沫混凝土的密度、強度可調，在澆注成型的泡沫混凝土樁內插入預應力管樁可形成泡沫混凝土勁性樁。對鋼筋混凝土樁的單樁豎向極限承載力的獲得方式較多，其中工程上最常用的方法是靜載試驗法。但實際工程中，一般采用工程樁進行靜載試驗。然而，靜載試驗往往未能達極限破壞狀態，導致實測數據不完整，對單樁豎向極限承載力的判定不準?，F國內外許多學者進行了大量的試驗研究，提出采用多種曲線擬合預測極限承載力，其中常用的是指數曲線擬合法。本文在總結前人研究的基礎上，結合工程試驗，采用指數曲線擬合泡沫混凝土勁性樁靜載數據，預測勁性樁的極限承載力，并與數值模擬值及實測靜載值進行對比分析，探討采用指數曲線預測泡沫混凝土勁性樁極限承載力的可行性。

1 現場試驗分析

1.1 試驗場所概況

試驗場地位于龍巖某廠房，場地及其附近地勢較緩，屬低丘緩坡地，為殘坡積丘陵地貌，侵蝕基準面與地面標高差大，地下水埋藏較深。

場地分布厚層素填土，平均厚度16.25m，主要由粘性土組成，內含少量強風化角礫，填土近8年，土層如圖1典型地質剖面圖所示。土層物理力學性質指標如表1所示。

表1 土層物理力學性質指標

圖1 試驗場地典型地質剖面圖

1.2 靜載試驗

1.2.1靜載試驗數據

為便于分析同一工況條件下泡沫混凝土勁性樁，本次試驗樁最長10m，樁處于同一層土層中，相當于摩擦樁。試驗分為A、B、E 3組，為無芯樁、等芯樁及短芯樁，外芯為800mm直徑的泡沫混凝土樁，抗壓強度6MPa，內芯為PHC500-100-AB管樁，強度C80。試驗樁參數如表2所示，帶內芯勁性樁成樁后樁頭如圖2所示。

表2 泡沫混凝土勁性樁試驗一覽表

圖2 泡沫混凝土勁性樁成樁

對以上幾組試驗樁進行靜載試驗，獲得樁頂荷載與樁頂沉降數據，并繪制各試驗樁Q～S曲線圖，如圖3所示。

圖3 各試驗樁Q～S曲線圖

1.2.2指數曲線擬合法樁極限承載力預測[2-3]

根據范德溫(Vander vecn)提出的基本假設，Q～S曲線是符合指數方程：

Q=a×(1-e-bs)

其中，a、b為所求參數。根據以上曲線擬合靜載測試數據，如圖4～圖6所示。

圖4 A組Q～S指數曲線擬合

圖5 B組Q～S指數曲線擬合

圖6 E組Q～S指數曲線擬合

根據指數曲線擬合，可求得a和b參數值，同時預測樁頂沉降40mm對應的荷載值為極限承載力Q40,計算結果如表3所示。

表3 根據指數曲線預測的極限承載力和有關參數

2 勁性樁數值模擬分析

根據表1的土層參數，對以上3組試驗樁采用abaqus進行數值模擬，需要在樁身與土層以模擬二者相互移動時產生的法向和切向作用。為了建模以及計算方便，對法向采用硬接觸，切向采用摩擦系數為0.4的摩擦接觸。泡沫混凝土及內芯管樁結構單元參數如表4所示，模型圖如圖7所示。

通過模擬加載，繪制Q～S曲線，并提取變形最大的40mm對應樁頂荷載為單樁極限承載力值，如圖8各組試驗樁數值分析Q～S曲線及表5各試驗樁數值模擬極限承載力值。

表4 結構單元材料參數

圖7 模型網格劃分圖

圖8 各組試驗樁數值模擬Q～S曲線

表5 各組試驗樁數值模擬極限承載力值

3 勁性樁極限承載力分析

對勁性樁進行指數曲線擬合及數值分析、實際靜載所得的極限承載力對比分析，如表6所示。

根據表6對比分析，A組為素泡沫混凝土樁，相比有芯樁的極限承載力小約6.0%，可見插入芯樁可顯著提高單樁承載力。B組為等芯樁，E組為短芯樁。B組極限承載力較E組提高約6.5%，即每米芯長極限承載力增加約80kN。通過對靜載數據采用指數曲線擬合預測，單樁極限承載力值與數值分析所獲極限承載力值較接近，誤差在1.50%～2.42%，與實測靜載值誤差在2.22%～6.0%，可見指數曲線可較好地預測勁性樁的單樁極限承載力，可作為施工單位施工前的承載力預測，并對靜載試驗進行對比檢驗。

表6 指數曲線擬合、數值分析、實際靜載的極限承載力匯總表

4 結論

通過對泡沫混凝土勁性樁靜載數據的指數曲線擬合，擬合相關系數達0.97以上，相關性較好，此見指數曲線擬合可用于勁性樁的單樁極限承載力預測。

指數曲線擬合對比實際靜載試驗及數值分析所獲的極限承載力的誤差較小，進一步表明指數曲線擬合可較好地預測勁性樁的單樁極限承載力，可為該種樁型的單樁極限承載力預測提供一定的借鑒或者一種預測分析方法。

本試驗對無芯、等芯和短芯樁進行試驗分析，雖然有一定代表性，但對于長芯樁試驗、芯長對承載力的影響還有待于進一步研究。