預應力混凝土管樁豎向承載特性數值模擬研究

郭佳誠, 吳道祥

(1.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088;2.合肥工業大學,安徽 合肥 230009)

預應力高強度混凝土管樁采用先張預應力離心成型工藝進行制作,具有樁身強度高、經濟效益好以及工程造價便宜等特點,應用廣泛,是大量基礎施工和地基處理中使用最為常見的樁型。WU J T等[1]結合高速公路對PHC管樁加固軟土地基進行了現場試驗及數值模擬研究。周佳錦等[2]通過現場靜載試驗對比研究了軟土地區預應力竹節樁與管樁的承載力特點。姜彥彬等[3]對高速公路的軟土地基采用數值模擬的方法,得到了管樁復合地基的承載和變形特性。律文田等[4]則通過現場試驗進行觀察,在管樁樁身和土層埋設應變計,對軟土地區樁土特性展開研究。從上述的研究成果中可以看出,PHC管樁能夠較好的適用于不同土層和地貌單元,研究地區土層條件下的管樁承載特性可以有效促進管樁在本地區的應用和發展。

1 現場靜載荷試驗

樁基靜載荷試驗是確定單樁極限承載力最可靠的方法,本文選取S1和S2樁進行現場靜載荷試驗,相關試驗條件及參數如下:S1樁位于合肥市經開區新橋機場附近,場地第四紀地貌型態屬江淮丘陵地貌單元崗地微地貌單元,樁型為PHC-600(130)AB管樁,樁長11 m,混凝土強度等級C80,樁端持力層為Q3黏土層;S2樁位于合肥市濱湖新區南寧路與廬州大道交叉口東南角,其第四紀地貌型態屬江淮丘陵崗地微地貌單元,樁型為PHC-500(110)AB管樁,樁長7 m,混凝土強度等級C80,樁端持力層為Q3黏土層。

當S1試驗樁荷載最大加至3 360 kN時,樁頂最大沉降量為42.16 mm,曲線未出現陡降,取S=40 mm對應的荷載值作為該基樁的單樁豎向抗壓極限承載力[5],故S1試驗樁的豎向抗壓極限承載力荷載可取3 317 kN。當S2試驗樁荷載最大加至1 725 kN時,樁頂最大沉降量為47.73 mm,曲線出現陡降,發生明顯陡降的起始點對應的荷載值為1 650 kN。取其發生明顯陡降的起始點對應的荷載值作為該基樁的單樁豎向抗壓極限承載力[5],故S2試驗樁的豎向抗壓極限承載力可取荷載1 650 kN。

2 軟件數值模擬

采用ABAQUS軟件對上述2根管樁進行數值模擬,應用平衡樁土地應力的方法[6],初始地應力平衡結果達到最低的精度要求[7],得到樁S1和S2在最后一級荷載條件下,樁頂總位移均超過40 mm,說明在此之前管樁已經達到極限破壞狀態。將樁S1和樁S2數值模擬結果與實測結果進行對比,如圖1-圖2所示。

圖2 S2管樁QS曲線對比

樁S1實測曲線與數值模擬曲線均為緩變型,數值模擬結果與實測數據較為接近,曲線形態一致,部分荷載工況下數值模擬結果與實測數據存在一定誤差。樁S2實測曲線為陡變型,數值模擬曲線為緩變型,前3級荷載工況下,數值模擬結果與實測數據較為接近,從第4級荷載工況開始,數值模擬結果與實測數據存在很大誤差,最后一級荷載工況下二者樁頂累計沉降量較為接近。

上述研究結果可以看出:數值模擬結果與實測載荷試驗結果之間存在一定誤差,對于緩變型QS曲線誤差相對較小,對于陡變型QS曲線二者曲線形態相差很大,無法體現出QS曲線的陡降過程。一方面,由于數值模擬涉及的土體參數和樁身參數較少,不能對所有的樁身極限承載力影響因素進行綜合考量。指標參數主要從室內試驗結果中獲取,由于土體試樣的數量存在一定限制無法體現土體參數在空間分布的變異性;另一方面,模型中有關參數無法通過試驗或者其他方法確定,依賴于前人的經驗[8-11]進行選取,與實際取值之間可能存在差距。

3 管樁豎向承載力影響因素分析

以前述S1樁為例,在樁端、樁側土層物理力學指標以及樁頂荷載工況等不變的條件下,對不同的樁長、樁徑、土層彈性模量以及樁土摩擦系數取值等情況進行模擬,探討各變量對管樁承載性能的影響。

3.1 樁長的影響

管樁的混凝土強度等級為C80,樁長分別選取10 m、15 m、和20 m,樁徑固定為600 mm,土層彈性模量固定為2Es,樁-土摩擦系數固定為tan(0.75φ)。不同樁長管樁豎向應力應變如圖3所示。

圖3 不同樁長管樁豎向應力應變圖

從圖3中可以看出:樁長為10 m時,對應樁端土體存在較大變形,樁土變形影響范圍較小,樁側土體變形量也較少。樁長增加到15 m,樁土變形影響范圍擴大,樁側3 m深度范圍內土體豎向沉降量增加。當樁長為20 m時,樁土變形影響范圍進一步擴大,整個樁長深度范圍內土體豎向沉降量增加,此時管樁能夠調動更多的樁側和樁端土體來承擔上部荷載。樁端以下土體均出現應力集中現象,并向四周逐漸擴散,隨著樁長的增加,樁端土體應力集中現象漸漸減弱,樁周土體應力增加。

樁長為10 m對應的管樁極限承載力為2 487.3 kN,樁長為15 m對應的管樁極限承載力為3 274.1 kN。當樁長為20 m時,管樁未達到極限狀態,管樁極限承載力不低于3 360 kN。隨著樁長的增加,樁端土體和樁側土體樁-土作用影響范圍增大,樁端附近發生應力擴散,樁側摩阻力總是與樁身表面積成正比,因此采用更長的管樁可以有效提高其豎向承載能力。

3.2 樁徑的影響

管樁的混凝土強度等級為C80,樁長固定為15 m,樁徑選取400 mm、500 mm、600 mm,土層彈性模量固定為2Es,樁土摩擦系數固定為tan(0.75φ)。不同樁徑管樁豎向應力應變如圖4所示。

圖4 不同樁徑管樁豎向應力應變圖

從圖4中可以看出:樁徑為400 mm和500 mm時,對應樁頂累計沉降量均明顯偏大,樁徑為600 mm時,對應樁頂累計沉降量為44.12 mm。隨著管樁樁徑的增加,樁頂累計沉降量急劇減少,管樁承載力能力不斷增強。樁徑為400 mm時,對應樁土發生變形,樁土變形影響范圍較小,變形量也較少。樁徑增加到500 mm,樁土變形影響范圍增大,樁側1 m深度范圍內土體豎向沉降量增加。樁徑為600 mm時,樁土變形影響范圍進一步增大,樁側3 m深度范圍內土體豎向沉降量增加。樁端以下土體出現應力集中現象,并向四周逐漸擴散,隨著樁徑的增加,樁端土體應力集中現象漸漸減弱,周圍土體應力增加。

當樁徑為400 mm時,管樁極限承載力為1 600 kN。當樁徑為500 mm時,管樁極限承載力為2 560 kN。當樁徑為600 mm時,管樁極限承載力為3 339.1 kN。與樁長的影響規律一樣,隨著樁徑的增大,樁端土體和樁側土體樁-土作用影響范圍擴大,相比于樁長的變化,樁徑的改變導致的樁-土作用影響范圍和程度相對較小。采用樁徑更大的管樁,同樣可以有效提高其豎向極限承載力。

3.3 土層彈性模量的影響

管樁的混凝土強度等級為C80,樁長固定為15 m,樁徑固定為600 mm,樁-土摩擦系數固定為tan(0.75φ),土層彈性模量分別為2Es、3Es、4Es。不同土層彈性模量管樁豎向應力應變如圖5所示。

圖5 不同土層彈性模量管樁豎向應力應變圖

從圖5中可以看出:隨著土層彈性模量的變化,樁土變形影響范圍并未出現明顯變化。土層彈性模量增大,樁土豎向位移呈現出減小的趨勢。隨著土層彈性模量的變化,樁土豎向應力的大小和應力集中現象影響范圍基本保持不變。

當土層彈性模量取2倍的壓縮模量時,管樁極限承載力為3 339.1 kN。當土層彈性模量分別取2倍和3倍的壓縮模量時,管樁未達到極限狀態,管樁極限承載力均不低于3 360 kN。隨著土層彈性模量的增加,樁端土體和樁側土體樁土作用影響范圍基本保持不變,樁土豎向位移隨著土層彈性模量的增大而減小。樁端土體應力大小基本不變,隨著土層彈性模量的變化,管樁承載力大小的改變主要是由于樁側土體的影響。

3.4 樁土摩擦系數的影響

管樁的混凝土強度等級為C80,樁長固定為15 m,樁徑固定為600 mm,土層彈性模量固定為2Es,樁-土摩擦系數分別為tan(0.65φ)、tan(0.75φ)、tan(0.85φ)。不同樁-土摩擦系數管樁豎向應力應變如圖6所示。

圖6 不同樁-土摩擦系數管樁豎向應力應變圖

從圖6中可以看出:隨著管樁樁土摩擦系數的增加,樁頂累計沉降量逐漸減少,管樁承載力能力不斷增強。取0.65倍摩擦角時,對應樁土存在較大位移,樁土變形影響范圍較小;取0.75倍摩擦角時,樁土位移影響范圍增大,樁側3 m深度范圍內土體豎向沉降量增加;取0.85倍摩擦角時,樁土位移影響范圍進一步增大,樁側6 m深度范圍內土體豎向沉降量增加。

取0.65倍摩擦角時,管樁極限承載力為3 056.7 kN;取0.75倍摩擦角時,管樁極限承載力為3 339.1 kN;取0.85倍摩擦角時,管樁未達到極限狀態,管樁極限承載力不低于3 360 kN。隨著樁土摩擦系數的增加,樁端土體和樁側土體樁土作用影響范圍增大,樁端土體應力大小基本保持不變。此時管樁承載力大小的改變主要是由于樁側土體的影響,提高樁土接觸面之間的摩擦系數,采用更為粗糙的樁面形式,可以一定程度上提高管樁的豎向極限承載力。

4 結 論

(1)與靜載試驗相比,ABAQUS軟件在一定程度上可以模擬得到較為精確的QS曲線,對于緩變型曲線較為適用,但對于陡變型曲線,二者曲線形態相差較大,數值模擬存在一定誤差,無法與現場數據完全匹配。在今后的研究過程中,對于實際工程的設計計算時,可以將土體參數視為符合某種分布的隨機變量,采用相關分布函數進行概率統計計算,結合土體在漫長歷史沉積過程中所展示出的空間分布特性,使得數值模擬更加符合實際工程情況,從而提高模擬結果的可靠性。

(2)隨著樁長、樁徑的增加,樁頂累計沉降量隨之減小,樁端和樁側土體的豎向位移減小,影響范圍擴大明顯,樁端土體應力集中現象漸漸減弱,管樁承載力不斷增強。隨著土層彈性模量和樁土摩擦系數增大,樁頂累計沉降量隨之減小,樁端和樁側土體的豎向位移減小。樁端土體應力大小和影響范圍基本保持不變,應力集中現象影響范圍基本保持不變。

(3)增大樁長、樁徑可以明顯提高管樁的豎向極限承載力,提高樁土摩擦系數以及選擇力學性質更好的土層作為樁端持力層可以在一定程度上提高管樁的豎向承載性能。