考慮固結作用的預應力管樁受力分析

■施茲國 ■浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006

1 引言

預應力管樁是我國公路工程軟土路基處理中常用的方法［1-4］，具有施工效率高、預壓時間短、變形沉降小的優點。在國外的公路軟基處理中，預應力管樁也得到了應用，但國外同行提出了一些需深入分析的問題，如軟土的固結與管樁的相互影響作用、管樁樁身受彎荷載作用對樁身強度的要求等。本文以工程實例為基礎，對這些問題采用數值分析方法進行了分析，并得出一些結論。

2 概況

該工程軟土路段路堤高5～8m，最寬處35m。軟土層自上而下為7.4m 泥炭土，10m 粘質粉土及基巖，地下水位在地面附近。設計采用PHC400 預應力管樁，正方形布置，間距2m。樁尖到基巖頂面，樁頂1.2m×1.2m 方形樁帽，上部設0.6m 碎石墊層。

對預應力管樁處理軟土路基中的軟土固結的問題和管樁樁身的受彎荷載作用大小的分析，采用軟土固結和預應力管樁受力變形變化的耦合分析方法進行有限元計算。

3 軟土固結和預應力管樁的耦合分析

耦合分析采用SIGMA/W 有限元分析軟件，采用平面應變四邊形單元，并考慮土體與樁體的變形和受力的相互影響。

3.1 建立模型

孔隙水壓力表明土體的固結程度，圖6 反映了在路基施工過程中土層中部土體的孔隙水壓力變化。每級荷載填筑時，土體的孔隙水壓力就會升高，但是很快就會下降。在后一級填筑開始之前已經恢復到正常水平。這表明在新增荷載下需要的固結，在加載之后很快就會完成。

圖1 固結應力應變分析耦合分析模型

其中［5］

圖2 固結應力應變分析耦合分析模型地層及單元(局部)

3.2 地層材料本構和參數

軟土采用改進Camclay 本構模型，可有效模擬軟土固結過程和變形過程［5］，參數取值見表1。粘質粉土層和路基填土采用Mohr-Coulomb 模型。基巖采用彈性材料模型，參數取值見表2。預應力管樁采用梁單元進行模擬，樁身截面積、彈性模量及抗彎性能見表3。

表1 軟土的材料參數

分9 個步驟，第一步模擬原始地應力，此時模型位移為0;第二步施工平臺填筑0.5m，施工PHC 管樁和樁帽;第三步施工土工布和碎石墊層，厚度0.6m。之后按照每周0.5m 的速度進行路基填筑，直到填筑至設計路堤高度。施工步驟見表4。每個步驟均模擬分析土的固結、內力和樁身的軸向力及彎矩。

表2 地層材料參數

表3 預應力管樁的材料參數

3.3 模擬計算步驟

模型的邊界條件包括滲流邊界條件和應力應變邊界條件。模型局部見圖2。

表4 模擬步驟

4 分析結果

分析模型如下圖1 所示，路基高度7m，寬35m，地層條件如前所述。

4.1 樁頂應力和位移

填筑至設計路堤高度時，路基范圍內的豎向應力見圖3。管樁處理的路基下方土體的應力幾乎沒有改變，路堤填土產生的荷載通過管樁傳遞到下部的持力層。這表明，管樁處理軟土路基的方式可以通過樁承載路堤荷載達到路基承載力的要求。

圖3 填筑完成后豎向應力分布(kPa)

圖4 樁頂應力隨施工步驟的變化

圖5 樁頂位移隨施工步驟的變化(向下位移為負值)

4.2 土體固結情況

葡萄酒中含有大量的有機酸，其中酒石酸和蘋果酸含量最高，導致酒體整體pH值較低，通常酒精發酵結束后，初酒的pH值約為3.2，因此要求篩選出的乳酸菌能夠耐受該酸度。我們按照方法1.2.3對45株乳酸菌進行了耐pH值能力測試，同時以商業乳酸菌株CH35（O.oeni）作為對照菌，進行pH值耐受性試驗，對照組pH值為6.2。pH值耐受性結果見表2。

圖6 空隙水壓力隨施工步驟的變化

4.3 樁身內力

選取路基中心線、坡腳的兩根樁對樁身內力做對比分析。圖7 表示了坡腳樁和中心樁的軸力隨樁長的變化。圖8 表示了坡腳樁和中心樁的樁身彎矩隨樁長的變化。

在路堤填土的作用下，坡腳附近樁身最大的彎矩為25kN-m，但此時其軸向力為最小，約190kN。中心線附近的基樁，其軸向荷載較大(580kN)，但是相對應的樁身彎矩較小。根據國家建筑標準設計圖集《預應力混凝土管樁》管樁偏壓N-M 曲線［7］(圖9)可知，當樁身彎矩小于50kN-m 時，彎矩對樁身的軸向承載力基本沒有影響。

圖7 不同位置處樁的樁身軸力(樁長0m 為樁尖)

圖8 不同位置處樁的樁身彎矩(樁長0m 為樁尖)

圖9 管樁偏壓N-M 曲線(部分)

在預應力空心管樁處理的軟土路堤段，管樁樁身所受到的彎矩對樁身承載力影響不大，一般情況可只考慮軸向承載力，特殊情況下，如填土高、樁間距大等，坡腳樁需要驗算樁身抗彎能力。

5 結論

公路工程軟基處理中，預應力管樁是一種有效的處理方法。在考慮土體固結和樁的相互作用下，通過有限元方法耦合分析得到了在施工過程中土體固結狀態及管樁樁身內力的變化。結果表明，由于管樁承擔了絕大部分荷載，樁間土受到的荷載很小，固結過程相對較快完成。因此，當預應力管樁達到穩定堅硬的持力層時，其所穿過的軟土層的固結影響很小。預應力管樁不僅受到軸向荷載的作用，在坡腳附近的管樁，還受到彎矩荷載的作用。根據結果分析，在公路工程的一般情況下彎矩荷載較小，可以不用單獨考慮。在特殊情況下，坡腳附近的管樁需要驗算抗彎和軸向綜合承載力。

［1］楊壽松，劉漢龍，周云東，等.薄壁管樁在高速公路軟基處理中的應用［J］.巖土工程學報，2004，(06):750-4.

［2］陳澤松，夏元友，芮瑞，等.管樁加固軟土路基的工作性狀研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，(S2):5822-6.

［3］王裕文，王篤高.預制管樁剛性復合地基在渝湛高速公路(粵境段)軟基處理的應用［J］.公路，2006，(07):312-4.

［4］王愛軍.預應力管樁復合地基在高等級公路軟基處理中的試驗研究［J］.中外公路，2009，(04):35-9.

［5］LTD G-S I.Stress-Deformation Modeling with SIGMA/W 2007［M］，2008.

［6］ATKINSON J H，P.L.BRANSBY.The Mechanics of Soils:an introduction to critical state soil mechanics［M］.London:Mc Graw Hill，1978.

［7］中國建筑標準設計研究院.預應力混凝土管樁［M］.國家建筑標準設計圖集，中國計劃出版社，2010.