預(yù)應(yīng)力混凝土管樁豎向承載特性數(shù)值模擬研究

郭佳誠, 吳道祥

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司,安徽 合肥 230088;2.合肥工業(yè)大學(xué),安徽 合肥 230009)

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型工藝進(jìn)行制作,具有樁身強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)效益好以及工程造價(jià)便宜等特點(diǎn),應(yīng)用廣泛,是大量基礎(chǔ)施工和地基處理中使用最為常見的樁型。WU J T等[1]結(jié)合高速公路對(duì)PHC管樁加固軟土地基進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。周佳錦等[2]通過現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)對(duì)比研究了軟土地區(qū)預(yù)應(yīng)力竹節(jié)樁與管樁的承載力特點(diǎn)。姜彥彬等[3]對(duì)高速公路的軟土地基采用數(shù)值模擬的方法,得到了管樁復(fù)合地基的承載和變形特性。律文田等[4]則通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行觀察,在管樁樁身和土層埋設(shè)應(yīng)變計(jì),對(duì)軟土地區(qū)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(qū)土層條件下的管樁承載特性可以有效促進(jìn)管樁在本地區(qū)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)

樁基靜載荷試驗(yàn)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn),相關(guān)試驗(yàn)條件及參數(shù)如下:S1樁位于合肥市經(jīng)開區(qū)新橋機(jī)場(chǎng)附近,場(chǎng)地第四紀(jì)地貌型態(tài)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(qiáng)度等級(jí)C80,樁端持力層為Q3黏土層;S2樁位于合肥市濱湖新區(qū)南寧路與廬州大道交叉口東南角,其第四紀(jì)地貌型態(tài)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(qiáng)度等級(jí)C80,樁端持力層為Q3黏土層。

當(dāng)S1試驗(yàn)樁荷載最大加至3 360 kN時(shí),樁頂最大沉降量為42.16 mm,曲線未出現(xiàn)陡降,取S=40 mm對(duì)應(yīng)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(yàn)樁的豎向抗壓極限承載力荷載可取3 317 kN。當(dāng)S2試驗(yàn)樁荷載最大加至1 725 kN時(shí),樁頂最大沉降量為47.73 mm,曲線出現(xiàn)陡降,發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值為1 650 kN。取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(yàn)樁的豎向抗壓極限承載力可取荷載1 650 kN。

2 軟件數(shù)值模擬

采用ABAQUS軟件對(duì)上述2根管樁進(jìn)行數(shù)值模擬,應(yīng)用平衡樁土地應(yīng)力的方法[6],初始地應(yīng)力平衡結(jié)果達(dá)到最低的精度要求[7],得到樁S1和S2在最后一級(jí)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(jīng)達(dá)到極限破壞狀態(tài)。將樁S1和樁S2數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖1-圖2所示。

圖2 S2管樁QS曲線對(duì)比

樁S1實(shí)測(cè)曲線與數(shù)值模擬曲線均為緩變型,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近,曲線形態(tài)一致,部分荷載工況下數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定誤差。樁S2實(shí)測(cè)曲線為陡變型,數(shù)值模擬曲線為緩變型,前3級(jí)荷載工況下,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近,從第4級(jí)荷載工況開始,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在很大誤差,最后一級(jí)荷載工況下二者樁頂累計(jì)沉降量較為接近。

上述研究結(jié)果可以看出:數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)載荷試驗(yàn)結(jié)果之間存在一定誤差,對(duì)于緩變型QS曲線誤差相對(duì)較小,對(duì)于陡變型QS曲線二者曲線形態(tài)相差很大,無法體現(xiàn)出QS曲線的陡降過程。一方面,由于數(shù)值模擬涉及的土體參數(shù)和樁身參數(shù)較少,不能對(duì)所有的樁身極限承載力影響因素進(jìn)行綜合考量。指標(biāo)參數(shù)主要從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果中獲取,由于土體試樣的數(shù)量存在一定限制無法體現(xiàn)土體參數(shù)在空間分布的變異性;另一方面,模型中有關(guān)參數(shù)無法通過試驗(yàn)或者其他方法確定,依賴于前人的經(jīng)驗(yàn)[8-11]進(jìn)行選取,與實(shí)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(cè)土層物理力學(xué)指標(biāo)以及樁頂荷載工況等不變的條件下,對(duì)不同的樁長、樁徑、土層彈性模量以及樁土摩擦系數(shù)取值等情況進(jìn)行模擬,探討各變量對(duì)管樁承載性能的影響。

3.1 樁長的影響

管樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(shù)固定為tan(0.75φ)。不同樁長管樁豎向應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

圖3 不同樁長管樁豎向應(yīng)力應(yīng)變圖

從圖3中可以看出:樁長為10 m時(shí),對(duì)應(yīng)樁端土體存在較大變形,樁土變形影響范圍較小,樁側(cè)土體變形量也較少。樁長增加到15 m,樁土變形影響范圍擴(kuò)大,樁側(cè)3 m深度范圍內(nèi)土體豎向沉降量增加。當(dāng)樁長為20 m時(shí),樁土變形影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,整個(gè)樁長深度范圍內(nèi)土體豎向沉降量增加,此時(shí)管樁能夠調(diào)動(dòng)更多的樁側(cè)和樁端土體來承擔(dān)上部荷載。樁端以下土體均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,并向四周逐漸擴(kuò)散,隨著樁長的增加,樁端土體應(yīng)力集中現(xiàn)象漸漸減弱,樁周土體應(yīng)力增加。

樁長為10 m對(duì)應(yīng)的管樁極限承載力為2 487.3 kN,樁長為15 m對(duì)應(yīng)的管樁極限承載力為3 274.1 kN。當(dāng)樁長為20 m時(shí),管樁未達(dá)到極限狀態(tài),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(cè)土體樁-土作用影響范圍增大,樁端附近發(fā)生應(yīng)力擴(kuò)散,樁側(cè)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(qiáng)度等級(jí)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(shù)固定為tan(0.75φ)。不同樁徑管樁豎向應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 不同樁徑管樁豎向應(yīng)力應(yīng)變圖

從圖4中可以看出:樁徑為400 mm和500 mm時(shí),對(duì)應(yīng)樁頂累計(jì)沉降量均明顯偏大,樁徑為600 mm時(shí),對(duì)應(yīng)樁頂累計(jì)沉降量為44.12 mm。隨著管樁樁徑的增加,樁頂累計(jì)沉降量急劇減少,管樁承載力能力不斷增強(qiáng)。樁徑為400 mm時(shí),對(duì)應(yīng)樁土發(fā)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(cè)1 m深度范圍內(nèi)土體豎向沉降量增加。樁徑為600 mm時(shí),樁土變形影響范圍進(jìn)一步增大,樁側(cè)3 m深度范圍內(nèi)土體豎向沉降量增加。樁端以下土體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,并向四周逐漸擴(kuò)散,隨著樁徑的增加,樁端土體應(yīng)力集中現(xiàn)象漸漸減弱,周圍土體應(yīng)力增加。

當(dāng)樁徑為400 mm時(shí),管樁極限承載力為1 600 kN。當(dāng)樁徑為500 mm時(shí),管樁極限承載力為2 560 kN。當(dāng)樁徑為600 mm時(shí),管樁極限承載力為3 339.1 kN。與樁長的影響規(guī)律一樣,隨著樁徑的增大,樁端土體和樁側(cè)土體樁-土作用影響范圍擴(kuò)大,相比于樁長的變化,樁徑的改變導(dǎo)致的樁-土作用影響范圍和程度相對(duì)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(qiáng)度等級(jí)為C80,樁長固定為15 m,樁徑固定為600 mm,樁-土摩擦系數(shù)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(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。

圖5 不同土層彈性模量管樁豎向應(yīng)力應(yīng)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(xiàn)明顯變化。土層彈性模量增大,樁土豎向位移呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。隨著土層彈性模量的變化,樁土豎向應(yīng)力的大小和應(yīng)力集中現(xiàn)象影響范圍基本保持不變。

當(dāng)土層彈性模量取2倍的壓縮模量時(shí),管樁極限承載力為3 339.1 kN。當(dāng)土層彈性模量分別取2倍和3倍的壓縮模量時(shí),管樁未達(dá)到極限狀態(tài),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(cè)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(yīng)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(cè)土體的影響。

3.4 樁土摩擦系數(shù)的影響

管樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(shù)分別為tan(0.65φ)、tan(0.75φ)、tan(0.85φ)。不同樁-土摩擦系數(shù)管樁豎向應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 不同樁-土摩擦系數(shù)管樁豎向應(yīng)力應(yīng)變圖

從圖6中可以看出:隨著管樁樁土摩擦系數(shù)的增加,樁頂累計(jì)沉降量逐漸減少,管樁承載力能力不斷增強(qiáng)。取0.65倍摩擦角時(shí),對(duì)應(yīng)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(shí),樁土位移影響范圍增大,樁側(cè)3 m深度范圍內(nèi)土體豎向沉降量增加;取0.85倍摩擦角時(shí),樁土位移影響范圍進(jìn)一步增大,樁側(cè)6 m深度范圍內(nèi)土體豎向沉降量增加。

取0.65倍摩擦角時(shí),管樁極限承載力為3 056.7 kN;取0.75倍摩擦角時(shí),管樁極限承載力為3 339.1 kN;取0.85倍摩擦角時(shí),管樁未達(dá)到極限狀態(tài),管樁極限承載力不低于3 360 kN。隨著樁土摩擦系數(shù)的增加,樁端土體和樁側(cè)土體樁土作用影響范圍增大,樁端土體應(yīng)力大小基本保持不變。此時(shí)管樁承載力大小的改變主要是由于樁側(cè)土體的影響,提高樁土接觸面之間的摩擦系數(shù),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(jié) 論

(1)與靜載試驗(yàn)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(duì)于緩變型曲線較為適用,但對(duì)于陡變型曲線,二者曲線形態(tài)相差較大,數(shù)值模擬存在一定誤差,無法與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)完全匹配。在今后的研究過程中,對(duì)于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),可以將土體參數(shù)視為符合某種分布的隨機(jī)變量,采用相關(guān)分布函數(shù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算,結(jié)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(shù)值模擬更加符合實(shí)際工程情況,從而提高模擬結(jié)果的可靠性。

(2)隨著樁長、樁徑的增加,樁頂累計(jì)沉降量隨之減小,樁端和樁側(cè)土體的豎向位移減小,影響范圍擴(kuò)大明顯,樁端土體應(yīng)力集中現(xiàn)象漸漸減弱,管樁承載力不斷增強(qiáng)。隨著土層彈性模量和樁土摩擦系數(shù)增大,樁頂累計(jì)沉降量隨之減小,樁端和樁側(cè)土體的豎向位移減小。樁端土體應(yīng)力大小和影響范圍基本保持不變,應(yīng)力集中現(xiàn)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(shù)以及選擇力學(xué)性質(zhì)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。