新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁幾何參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬★

劉 寬 蔣元海 牛志榮

0 引言

預(yù)應(yīng)力管樁具有單樁豎向承載力高，施工工期短、貫穿能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的基礎(chǔ)工程已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在我國(guó)沿海地區(qū)。但是，預(yù)應(yīng)力管樁在處理深層軟土地基時(shí)，樁側(cè)摩阻力取值偏低，對(duì)于以摩擦樁設(shè)計(jì)為主的預(yù)應(yīng)力管樁極其不合理，受設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)濟(jì)成本方面影響，也不宜通過(guò)增加樁長(zhǎng)來(lái)提高承載力。為解決這一問(wèn)題，浙江天海管樁有限公司成功研制出一種新型的樁基礎(chǔ)——新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁[1]。作為一種新型樁型，相對(duì)于管樁而言，新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁承載力提高，節(jié)約材料，降低成本，工程實(shí)踐效果明顯[2，3]。

為了進(jìn)一步研究新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁的工作機(jī)理和承載性能，本文利用有限元軟件MIDAS/GTS以浙江地區(qū)某工程新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁為例，通過(guò)改變樁型幾何參數(shù)，在同等條件下進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 樁土共同作用有限元模擬

本文采用MIDAS/GTS有限元軟件，該軟件是針對(duì)巖土而開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)業(yè)軟件，具有強(qiáng)大的前處理和后處理功能，計(jì)算精度高，能夠滿足數(shù)值模擬的要求，因此該軟件完全可以對(duì)新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行模擬，以便對(duì)樁和土之間的作用影響作出詳細(xì)的分析。

1.1 樁土模型參數(shù)

計(jì)算模型中，土層分布依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)條件確定。樁周土模擬范圍:土體模型取厚度30 m、寬度為直徑10 m的圓柱體，共5層不同土體從上到下依次為:①粉質(zhì)粘土4.55 m、②粉質(zhì)粘土4.72 m、③砂質(zhì)粘土4 m、④砂質(zhì)粘土9.43 m、⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土7.3 m。根據(jù)勘測(cè)結(jié)果選取土體材料參數(shù)，見(jiàn)表1。新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁參數(shù):樁長(zhǎng)15 m、混凝土強(qiáng)度等級(jí)C65、彈性模量3.65×104N/mm2、泊松比0.18、肋距1 m、節(jié)部外徑0.25 m、非節(jié)部半徑0.23 m、內(nèi)徑0.1 m。樁體位于土體中心。

表1 土體參數(shù)

在計(jì)算模型中其他參數(shù)不變的情況下，主要分析五種不同橫向凸肋中部寬度的管樁，其寬度分別為40 mm，60 mm，100 mm，120 mm，160 mm。

1.2 本構(gòu)模型

在有限元分析時(shí)，考慮土體的非線性特征，土體破壞準(zhǔn)則選用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則，該屈服準(zhǔn)則是對(duì)Mohr-coulumb屈服準(zhǔn)則給予近似，修正了Von Mises屈服準(zhǔn)則;而且該模型考慮了由于屈服而引起的體積膨脹，但不把溫度變化的影響考慮在內(nèi)[4]。對(duì)于新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁而言，樁土接觸面的非線性對(duì)整體沉降問(wèn)題影響不可忽略，故而考慮其接觸面處兩種材料變形的不連續(xù)性，所以采用 Goodman單元模擬樁土接觸單元[5，6]。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

考慮樁對(duì)樁周?chē)馏w的影響范圍，土體取直徑10 m，深度30 m的圓柱體，樁體位于土體中心處。土體和樁體采用三維實(shí)體單元，樁—土接觸單元采用Goodman單元，土體破壞準(zhǔn)則選用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則。

2.1 Q—S曲線圖

利用MIDAS/GTS對(duì)不同橫向凸肋中部寬度的新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁分九級(jí)加載過(guò)程進(jìn)行模擬，加載時(shí)以250 kN的級(jí)差由500 kN加載至2500 kN，共九級(jí)。

記錄分析每一級(jí)荷載下的樁頂位移，并作樁頂沉降對(duì)比如圖1所示。

圖1 不同橫向凸肋中部寬度管樁樁頂沉降對(duì)比圖

從圖1中可以看出:樁頂沉降量隨橫向凸肋中部寬度增大而減小，同時(shí)以40 mm管樁為基準(zhǔn)，隨著管樁的橫向凸肋中部寬度的增大，承載力提高百分比依次為 4.2%(60 mm)，6.4%(100 mm)，10.2%(120 mm)，16.8%(160 mm)，因此增大管樁的橫向凸肋中部寬度可以增大極限承載力。

各級(jí)荷載工況下的樁軸力沿樁身呈非均勻分布狀態(tài)，樁頂至樁端軸力逐漸減小;隨著橫向凸肋中部寬度的增大，樁軸向荷載減小趨勢(shì)越來(lái)越大，在最后一級(jí)荷載2500 kN的作用下，樁端軸向荷載隨橫向凸肋中部寬度增大分別為235 kN，130 kN，82 kN，62 kN，10 kN，分別占最后一級(jí)加載值的 9.4%，5.2%，3.2%，2.5%，0.4%。分析可知當(dāng)橫向凸肋中部寬度越大時(shí)，單節(jié)樁肋部橫向凸肋凈距離就越小，則橫向凸肋之間發(fā)生力的相互作用也就比較多，樁土之間影響的范圍就比較大。當(dāng)橫向凸肋中部寬度越小時(shí)，單節(jié)樁肋部橫向凸肋凈距離就越大，相互之間的影響就越小。同時(shí)由于負(fù)摩阻力的作用，樁身軸應(yīng)力從下往上轉(zhuǎn)移，樁身軸應(yīng)力隨著距樁頂深度變化都是呈現(xiàn)拋物線變化。

圖2 樁端阻力與總荷載比較圖

2.2 荷載分擔(dān)曲線圖

由圖2和圖3可知在樁土作用過(guò)程中，隨著橫向凸肋中部寬度增大，肋部端阻力對(duì)承擔(dān)軸力作用就越明顯，側(cè)摩阻力就越大，樁端阻力值就越小。說(shuō)明在其他參數(shù)不變的情況下，增大橫向凸肋中部寬度，肋部端阻力也將增大，從而增大側(cè)摩阻力，使之成為摩擦樁。

圖3 樁側(cè)摩阻力與總荷載比較圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)MIDAS/GTS對(duì)新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁的單樁靜載試驗(yàn)的數(shù)值模擬，模擬不同寬度橫向中部凸肋新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁，得出不同寬度橫向中部凸肋下新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁Q—S曲線和荷載分擔(dān)曲線圖，分析Q—S曲線、荷載分擔(dān)曲線圖及軸力的變化情況，從不同角度來(lái)說(shuō)明橫向凸肋中部寬度對(duì)豎向承載性能的影響，得到以下結(jié)論:

1)樁頂沉降量隨橫向凸肋中部寬度增大而減小，同時(shí)隨著管樁的橫向凸肋中部寬度的增大，承載力提高，因此增大管樁的橫向凸肋中部寬度可以增大極限承載力。

2)樁軸力沿樁身呈非均勻分布狀態(tài)，樁頂至樁端軸力逐漸減小;隨著橫向凸肋中部寬度的增大，樁軸向荷載減小趨勢(shì)越來(lái)越大，最后成為摩擦樁。

[1]熊厚仁，牛志榮，蔣元海，等.新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁承載特性試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2009(2):32-35.

[2]XIONG Houren，NIU Zhirong，JIANG Yuanhai，et al.The Critical Research on Numerical Simulation of Interaction Mechanisms of Ribs on the New Prestressed Pipe-Pile with Ribs，International Conference on Technology of Architecture and Structure，China，Shanghai，2009:278-287.

[3]熊厚仁，牛志榮，蔣元海.豎向荷載作用下新型帶肋預(yù)應(yīng)力管樁的數(shù)值模擬研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(10):107-109.

[4]錢(qián)德玲，張文彥，曹光暄，等.基于GTS對(duì)單樁靜載試驗(yàn)的有限元模擬分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，32(2):234-237.

[5]齊良峰，簡(jiǎn) 浩，唐麗云.引入接觸單元模擬樁土共同作用[J].巖土力學(xué)，2005，26(1):127-130.

[6]毛堅(jiān)強(qiáng).接觸問(wèn)題的一種有限元解法及其在巖土工程中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2004，37(4):70-75.