PPRC勁性體在復合地基處理中的有限元分析

李偉

摘要：PPRC勁性體復合地基是一種新型的地基處理方法，目前對其的理論研究還不夠充分，為了詳細分析PPRC勁性體復合地基的承載特性，本文采用有限元分析軟件ANSYS根據(jù)某工程背景建立了PPRC勁性體復合地基有限元模型，以此為基礎對比分析PPRC勁性體和CFG樁，得出了結論，為PPRC勁性體的推廣應用提供理論依據(jù)。

Abstract： Precast Pipe-pile of Reinforced Concrete composite ground is a new method of ground treatment， and the theoretical research on it is not enough at present. In order to analyze the bearing characteristics of PPRC composite ground in detail， in this paper， finite element analysis software ANSYS is used to establish a finite element model of PPRC composite ground based on a project background， on the basis of this， the conclusion is obtained by comparing and analyzing the PPRC and CFG pile， which provides a theoretical basis for the popularization and application of PPRC.

關鍵詞： PPRC勁性體；沉降；復合地基；有限元分析

Key words： Precast Pipe-pile of Reinforced Concrete；settlement；composite ground；finite element analysis

中圖分類號：TU470 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）06-0125-02

1 概述

預制混凝土勁性體簡稱PPRC勁性體，是一種預應力高強度混凝土管樁，樁身采用先張法預應力鋼筋和抗壓強度大于C60的混凝土，單樁承載力高，能充分發(fā)揮樁和樁間土的作用，有效減小地基沉降。和目前廣泛使用的CFG樁相比，具有樁身混凝土強度高、單樁承載力高、造價低、節(jié)省工期等優(yōu)點，在工程建設方面有很大的應用前景。

PPRC勁性體復合地基屬于剛性復合地基，由預制混凝土勁性體和樁間土共同承擔上部荷載，適用于處理黏性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥質土等地基，具有承載力高、調整幅度大、沉降變形小、沉降穩(wěn)定較快等特點。在上部荷載作用下，由PPRC勁性體承擔主要荷載。勁性體屬于擠土樁，樁周摩阻力能得到充分發(fā)揮，端阻力隨著荷載作用的時間及樁側阻力發(fā)揮的程度而逐漸增高。同時，樁頂褥墊層發(fā)揮調節(jié)作用，使樁間土與樁身進入共同工作狀態(tài)，逐漸形成復合地基。

本文根據(jù)某具體工程實例，采用ANSYS軟件對PPRC勁性體復合地基進行有限元計算，同CFG樁就承載特性和變形特性進行對比分析，得出了結論，為工程實際應用提供參考。

2 ANSYS模擬分析的基本假設和有限元模型

2.1 基本假設

①同一種材料為均質、各項同性；

②樁體為線彈性體，符合廣義虎克定律；

③土體為Druker-Prager理想彈塑性模型；

④樁與樁間土之間無相對滑移。

2.2 有限元分析模型

本文主要根據(jù)PPRC單樁問題進行有限元建模分析，因為單樁模型簡單，各影響因素之間干擾較少，有利于分析影響因素的作用。由于PPRC勁性體屬于管樁，所以為了方便計算，把樁按面積相等簡化為方形。并考慮到對稱性，取1/4模型進行建模分析，樁身和土體模型均采用六面體八節(jié)點單元solid45單元，網(wǎng)格劃分時在樁頂和樁端網(wǎng)格加密，模型邊界水平方向取20倍樁徑，豎直方向為2倍樁長。考慮樁土之間的接觸，設置接觸單元，接觸面上樁體目標面為target170單元，土體接觸面為conta173單元。在模型邊界水平方向施加全部約束，在底部施加z方向約束，對稱面對稱約束。

根據(jù)工程的實際情況，PPRC勁性體樁徑400mm，樁長19m，單樁有限元模型各種材料的參數(shù)見表1。有限元模型見圖1。

3 有限元結果及分析

3.1 根據(jù)現(xiàn)場單樁復合地基承載試驗結果進行有限元加載分析，得到PPRC勁性體復合地基的荷載沉降曲線如圖2所示，當樁頂荷載加到400kPa時，理論計算沉降量是11.06mm。現(xiàn)場單樁復合地基承載試驗的結果如表2，實際的平均沉降量是11.18mm，理論值與實際值相差無幾，基本相符，可以驗證PPRC勁性體復合地基有限元模型的合理性和正確性。

3.2 CFG樁復合地基因其良好的特性在工程中被廣泛應用，為此選取了相同樁徑和樁長的CFG樁進行有限元建模分析，在相同條件下和PPRC勁性體進行對比分析。CFG樁有限元模型同圖1基本一致，只是樁身彈性模量和樁截面面積略有不同。兩種樁的有限元沉降計算結果如表3，圖3給出了兩種樁的荷載沉降曲線。

由圖3可以看出，當剛開始加載時，PPRC勁性體和CFG樁產(chǎn)生的沉降變化趨勢基本相同，幅度差別很小，隨著荷載的增加，樁開始主要承擔上部荷載，CFG樁產(chǎn)生的沉降量逐漸大于PPRC勁性體產(chǎn)生的沉降量，并且兩個沉降值之間的差距逐漸增大，PPRC勁性體對地基沉降的作用效果逐漸明顯。而在同一荷載值作用下，PPRC勁性體因樁身彈性模量大，單樁承載力高，其沉降量也要比CFG樁小。因此，相對于CFG樁，PPRC勁性體能更有效的減小地基沉降。

3.3 樁土應力比n是表征復合地基承載特性的重要參數(shù)。通過圖4的荷載樁土應力比對比曲線可以看出，荷載越大，兩種復合地基的樁土應力比越大。在荷載作用初期，荷載均勻傳遞到樁和樁間土，樁土應力比變化不大，隨著荷載的增加，樁上應力加劇，PPRC勁性體因其剛度遠大于CFG樁，樁體承擔應力更多，并且樁土應力比在加載過程中變化幅度比CFG樁更大，在荷載較大超過300kPa后，土體的承載作用逐漸發(fā)揮，樁土應力比增長幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。在外荷載作用下，PPRC勁性體的樁土應力比始終要高于CFG樁，樁體能更多的承擔荷載。

4 結論

同CFG樁相比，PPRC勁性體作為復合地基的豎向增強體，樁身彈性模量大，樁間土承載力可以得到充分發(fā)揮，產(chǎn)生的變形更小，能起到更好的減小沉降的效果。同時，單樁承載力更高，提高了復合地基的承載能力。因此，在進行地基處理設計時，同樣的條件下，選擇PPRC勁性體比CFG樁更具有工程價值。

參考文獻：

[1]劉鴻權.預制混凝土勁性體PPRC在復合地基的應用[J].工程建設與設計，2016（05）：67-70.

[2]王瑞芳，雷學文.CFG樁復合地基沉降數(shù)值分析[J].建筑科學，2003（02）：38-41，45.

[3]劉勝群，吳建奇，陳玉平.ANSYS有限元軟件在CFG樁復合地基中的應用[J].鐵道建筑，2006（12）：66-69.

[4]蔡寧.CFG樁復合地基承載特性影響因素分析[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2011，43（06）：784-789.

[5]葉觀寶.地基處理[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009：225-237.endprint