芙蓉堤澇區預應力混凝土樁性能分析

田明征

(江西省建洪工程監理咨詢有限公司，江西 瑞昌 330096)

江西省氣象水文和地形地貌條件特殊，暴雨頻發，給下游人民生命和財產安全帶來嚴重威脅，因此洪澇災害防治一直以來都是全省災害治理的重點[1-2]。堤澇區堤防加固是當前防洪措施中應用最廣的方法，而預應力混凝土樁由于單位承載力造價低、成樁質量可控性強、質量檢測方便等優點，在我國堤防工程中得到廣泛應用[3-4]。目前國內外對預應力管樁的性能進行了部分研究。李紅星等[5]開展了砂土場地基礎的側向荷載、側向-扭轉耦合荷載、循環荷載現場試驗。根據柱頂傾角、泥面位移、扭轉角和基礎內的測試結果分析和對比了PHC短樁基礎的受力變形規律以及扭轉荷載的影響；陳驍等[6]采用MATLAB得到了PCCSSR最為經濟且力學性能優異的截面形式，還對PCCSSR的制作、安裝中存在的問題進行了分析。此外還有部分學者對無黏結和裝配式預應力混凝土結構進行了分析研究[7-8]。本文以芙蓉堤澇區預應力混凝土樁工程為例，結合現場單樁承載力測試數據，分析了不同因素對預應力管樁極限承載力的影響，并提出了降低樁身沉降的施工方法，研究結果可為相關堤防加固工程提供參考。

1 工程概況

彭澤縣芙蓉堤澇區治理工程芳湖泵站位于長江干堤(芙蓉堤)樁號8+950處，芙蓉新閘東側，總集雨面積為515.6km2，共劃分為1個治澇片，2016年7月大暴雨使澇區積水嚴重，給當地造成極大的經濟損失。經現場初勘查明，鉆探深度范圍內的土層可分為6個工程地質層：①填土層，可塑或可塑-硬塑狀，層底高程-1m；②粉質黏土層1：灰褐色，軟塑-可塑狀，層底高程-7m；③粉質黏土層2：灰褐色、灰黃色，可塑狀，層底高程-31m；④粉質黏土層3：灰黃色、黃色。以硬塑狀為主，局部可塑-硬塑狀，夾礓結石(較富集)，層底高程-39m；⑤輕砂壤土層：灰黃色，稍濕-濕。中密狀。夾礓結石局部夾粉質黏土，層底高程-69m；⑥黏土層：黃色、暗黃色，硬塑狀。無搖震反應，有光澤，干強度及韌性高。含氧化鐵粉末，夾礓結石(較富集)，層底高程-80m。

2 數值模型及計算參數

本次建立的混凝土樁數值模型如圖1所示。

圖1 混凝土樁數值模型

模型中網格劃分采用三角形劃分技術，使用的有限元網格由1359個單元和11632個節點構成。模型中地基土的厚度與實際勘測厚度保持一致，寬度為12m,深度為80m，混凝土樁直徑600mm，樁嵌長度為44.5m，邊界條件為地基左右兩側水平約束，底部邊界水平和豎向全約束，地基表面為自由面。此外，混凝土樁與地基結構之間采用接觸單元，切向摩擦系數為0.9，法向采用硬接觸，計算用對稱分析方法。在模擬初始階段，先以降溫法計算地基土的應力，以確定初始側壓系數K0。這個過程采用Jaky傳導公式來模擬，其中K0等于1-sinφ′，然后激活地下水位0.5m以下的地基單元。此外，需要將最初的位移重置為零，因為測量數據是在沒有任何干擾的情況下獲得的。最后，激活界面單元，施加軸向荷載，直到樁發生破壞。數值計算當中，預應力混凝土樁為線彈性樁材料，因此采用線彈性模型，地基土則簡化為彈塑性模型，采用莫爾-庫侖本構方程。本次數值計算參數見表1。

表1 數值計算參數

3 荷載沉降曲線分析

為驗證模型合理性，需要將現場樁基測試的位移荷載曲線與數值模型中的曲線進行對比分析。目前現場評估樁身軸向荷載承受能力方法主要為全靜載試驗，即維持荷載(ML)試驗?，F場測試試驗順序為加載、卸載和重新加載到預期荷載水平，之后繼續提高荷載，直至達到最大軸樁承載力。測試時先施加700kN(50%的工作負荷)初始加載值，其次是第二個、第三個、第四個和第五個加載循環，分別為1400kN(100%工作負荷)、2100kN(150%的工作負荷)、2800kN(200%的工作負荷)和3500kN(250%的工作負荷)，以達到液壓千斤頂的最大承載能力?，F場樁基測試結構如圖2所示。

圖2 現場樁基測試結構

現場測試的位移荷載曲線與數值模型中的曲線結果如圖3所示。

圖3 現場測試的位移荷載曲線與數值模型中曲線結果

試驗結果表明，現場測試數據與數值模擬中的荷載位移曲線(Q-S)十分符合，誤差總和不超過2%，因此認為本文所建模型合理。當采用Mazurkiecwicz理論，外推荷載-沉降曲線方法得出樁極限承載力為4110kN，而利用Davisson的方法得到了一個較小的結果，為3890kN，差異約為5%。

4 Q-S曲線的影響因素分析

4.1 樁側土摩擦系數

荷載位移曲線可以形象地反映樁基的實際工作狀況，能夠宏觀地反映樁土破壞機理和破壞模式，所以我們可以通過觀察荷載沉降曲線來分析研究樁體承載情況。為研究混凝土樁與地基土摩擦系數對Q-S曲線的影響，采用0.7、0.8、0.9、1四種摩擦系數進行研究。如圖4所示。

圖4 混凝土樁與地基土摩擦系數對Q-S曲線的影響

由圖4可知，同一軸向荷載下，樁土摩擦系數越大，樁身下沉位移越小，混凝土樁對軸向壓力的承載力越大。因此，在施工中采用摩擦性能較好的填土，可以增大樁基礎與地基土體之間的摩擦力，從而提高樁基的承載力。在本例中，4種摩擦系數的樁基極限承載力大小分別為2632、3124、3345、3955kN，而實際測量中的樁基最大承載力約為3890kN，因此在施工中，可以通過在淺層換填密實度較大的砂層，來提高極限承載力。

4.2 樁身嵌入深度

不同樁體嵌入深度的Q-S曲線變化情況如圖5所示。

圖5 不同樁體嵌入深度的Q-S曲線變化情況

由圖5可知，樁的嵌入深度越大，樁基的承載力越大，同一軸向荷載的沉降越小。這是由于除豎向重力外，地基土單元在天然狀態要達到平衡還需受水平側向壓力作用，而這一力的分解與土的豎向重力成正比。因此，混凝土樁作為地基土的一部分，其嵌入深度越深，所受到的側向壓力越大，承載力也隨之提高。但實際工程當中，樁身嵌入深度的增加必然會增加工程造價，因此需要在經濟和安全上做預算平衡。在本例中，當軸向荷載為1425kPa時，嵌入深度35m的樁基最先出現破壞，破壞時的位移為0.015mm，且這一深度在3種嵌入深度中Q-S曲線最陡，即受力后下沉最快。當嵌入深度為47.5m時，混凝土樁極限承載力為3971kN，破壞時的位移為0.026mm；而當嵌入深度為50m時，樁基承載力達到了4750kN，較實際測量中增大了18.1%。

4.3 混凝土樁材料

為討論混凝土材料對樁基荷載沉降曲線的影響，本文通過在混凝土樁中加纖維的方式來對樁的性能進行模擬分析。圖6為加纖維后的混凝土樁試樣。

圖6 加纖維后的混凝土樁試樣

由圖6可知，加纖維后混凝土樁的承載力有較大提升，同一軸向荷載下，加纖維后的混凝土樁承載力明顯大于不加纖維后的試樣。其增強機理為：在混凝土樁的制備過程中內部原來就存在缺陷，加入纖維后，纖維與基體間黏結緊密，形成的復合混凝土樁會減弱缺陷對于裂縫發生和發展的約束作用，降低內部裂縫端部的應力集中系數。

圖7為普通混凝土樁與加纖維后樁基的Q-S曲線結果。

圖7 現場測試與加纖維后數值模型中Q-S曲線結果

由圖7可知，纖維的數量與混凝土樁的承載力并非成正比關系，當纖維參量達到40%時，樁基承載力反而降低，因此在實際工程中應當對纖維的臨界參量進行優化。此例中，當纖維參量為30%時，樁基承載力最大，為4750kN，而纖維參量為10%和20%時的樁基承載力分別為4550和4680kN，比不加纖維的混凝土樁承載力提升了17%和17.4%，纖維參量為30%時提升了19%。

5 結論

預應力混凝土樁是我國堤防加固工程中應用最廣泛的加固結構之一。本文結合現場和數值分析結果得出樁土摩擦系數能夠顯著提高混凝土樁的承載力，因此，建議在施工淺層地基中采用摩擦性能較好的密實砂土來作為填土。此外，在混凝土樁加入纖維后，其承載力也有較大的提升，但纖維參量不易過多，本文得出纖維參量為30%時最優，這一比例下相比無纖維混凝土樁承載力能提升19%。最后，在工程預算允許范圍內，可以適當增加樁身嵌入深度來提高混凝土樁的承載力。