談荷載箱位置的變化對(duì)長(zhǎng)樁自平衡試樁法的影響

孫全勝 宋金良

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

自平衡試樁法是最近幾年新興起來(lái)的檢測(cè)單樁豎向承載力的試驗(yàn)方法，其具有測(cè)試方法簡(jiǎn)單靈活、占地面積小、節(jié)省材料以及測(cè)試時(shí)間短等多方面優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在全國(guó)多地區(qū)及城市得到了推廣應(yīng)用。在該試驗(yàn)中，影響確定單樁豎向極限承載力的因素很多，其中荷載箱的放置位置的合適與否將會(huì)直接影響最終的試驗(yàn)值，因此應(yīng)著重進(jìn)行考慮。

1 自平衡試樁法的基本原理

自平衡測(cè)試方法是在距離樁端一定的距離處與鋼筋籠處焊接荷載箱，荷載箱的位置按檢測(cè)目的埋設(shè)，一般埋設(shè)在自平衡點(diǎn)處。在試驗(yàn)時(shí)通過(guò)樁基自身反力平衡的原理來(lái)達(dá)到測(cè)試的目的。在加載的過(guò)程中，由于油管是通過(guò)荷載箱的連接到達(dá)樁頂?shù)?，所以在加壓時(shí)，首先樁身受力處是在荷載箱的位置處。在荷載箱處通過(guò)液壓泵向樁體提供一對(duì)大小相等方向相反的作用力，則在荷載箱以上的樁段產(chǎn)生的摩阻力為樁側(cè)負(fù)摩阻力，下段樁產(chǎn)生的為樁側(cè)正摩阻力。隨著壓力的逐漸增大，荷載箱逐漸被推開，在最后一級(jí)荷載下樁基達(dá)到極限狀態(tài)，從上述可以看出在荷載箱下段的樁體完全和傳統(tǒng)靜載法一樣［1］。根據(jù)加載及向上、向下位移的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以繪出向上、向下Q—S曲線，如圖1所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)所測(cè)得的上段樁與下段樁的側(cè)摩阻力與樁端阻力之和即為樁的近似極限承載力，若要得到精確值還需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。在試驗(yàn)前將鋼筋傳感器埋設(shè)在樁的不同的土層處，通過(guò)量測(cè)預(yù)先埋置在樁體內(nèi)的鋼筋傳感器，通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化公式便可求得在各級(jí)荷載作用下各樁截面的樁身軸力及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規(guī)律，由于加載裝置簡(jiǎn)單，多根樁可同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。加載裝置及自平衡實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖1 自平衡測(cè)試法Q—S圖

圖2 樁基承載力自平衡試驗(yàn)示意圖

2 工程概況

本工程地點(diǎn)位于哈爾濱市道里區(qū)一座高架橋，橋跨結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁，根據(jù)高架橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及橋位處的地質(zhì)情況，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)為直徑1.5 m，樁長(zhǎng)58 m，設(shè)計(jì)要求的單樁承載力特征值為6 500 kN，樁身局部穿越且樁端嵌入粉砂質(zhì)泥巖之中，屬于超長(zhǎng)鉆孔灌注樁。

3 基于ANSYS的樁基有限元模擬與分析

本文主要通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)該超長(zhǎng)樁進(jìn)行建立模型，模擬實(shí)際樁—土關(guān)系，并探討荷載箱分別位于自平衡點(diǎn)處、自平衡點(diǎn)以上及自平衡點(diǎn)以下對(duì)單樁極限承載力的影響。

3.1 有限元模型的建立

樁—土的ANSYS有限元模型是一類非線性的問(wèn)題，它既非幾何非線性也非材料非線性，而是一類邊界條件非線性問(wèn)題［2-5］，通過(guò)有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行樁—土接觸分析，模擬自平衡試樁實(shí)際的加載過(guò)程，從而獲得上、下段樁的Q—S曲線，然后通過(guò)轉(zhuǎn)化方法進(jìn)而轉(zhuǎn)換至樁頂從而獲得樁頂?shù)腝—S曲線，確定整個(gè)樁基的承載力。根據(jù)該工程的實(shí)際情況建立有限元模型如圖3所示。

圖3 模型單元圖

在建立完基本幾何模型，選擇好“接觸對(duì)”后對(duì)樁土共同體施加荷載，在施加荷載時(shí)注意與傳統(tǒng)抗壓樁的不同，通過(guò)通用后處理器進(jìn)行提取樁體的位移及應(yīng)力云圖。

3.2 荷載箱位置的變化對(duì)樁基的性狀影響分析

荷載箱的位置對(duì)于自平衡試樁法的最終試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要，對(duì)于荷載箱正好放置在自平衡點(diǎn)處的樁基測(cè)試所得的承載力為極限承載力，那么如果荷載箱沒(méi)有放置在自平衡點(diǎn)處對(duì)于樁基的承載力會(huì)有怎樣的影響，本節(jié)著重討論荷載箱放置在平衡點(diǎn)以上及以下時(shí)，對(duì)整個(gè)樁基承載力的影響。荷載箱位置不同情況下參數(shù)對(duì)比表見(jiàn)表1。

表1 樁基參數(shù)一覽表(不同的荷載箱位置)

利用ANSYS對(duì)不同的荷載箱位置進(jìn)行有限元建模得出在不同荷載箱位置處的荷載箱的位移云圖如圖4～圖9所示。轉(zhuǎn)化至樁頂?shù)奈灰迫绫?～表4所示。

圖4 N1樁1 300 kN荷載箱沉降圖

圖5 N1樁6 500 kN荷載箱沉降圖

圖6 N2樁1 300 kN荷載箱沉降圖

圖7 N2樁6 500 kN荷載箱沉降圖

圖8 N3樁1 300 kN荷載箱沉降圖

圖9 N3樁6 500 kN荷載箱沉降圖

由表2～表4的數(shù)據(jù)將N1～N3的數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下做出Q—S曲線如圖10所示。

在圖10中可以看出:若假設(shè)正好放置于平衡點(diǎn)上的樁基為極限承載力，那么放置于平衡點(diǎn)以上或者以下的樁基沒(méi)有達(dá)到極限承載力。反映在Q—S曲線上可以看出三條曲線中最下面的是放置于平衡點(diǎn)時(shí)的曲線，而沒(méi)有放置于平衡點(diǎn)時(shí)荷載—沉降曲線應(yīng)該在上面。

表2 N1樁基荷載—沉降表(荷載箱至樁底17.5 m)

表3 N2樁基荷載—沉降表(荷載箱至樁底18.5 m)

表4 N3樁基荷載—沉降表(荷載箱至樁底19.5 m)

圖10 荷載箱位置不同時(shí)樁頂荷載—位移曲線圖

造成這種現(xiàn)象的主要原因分析如下:

1)放置于平衡點(diǎn)以上計(jì)算承載力時(shí)，假設(shè)上下段樁基都能達(dá)到極限承載力，然而實(shí)際上這種情況下，下段樁并未達(dá)到極限承載力。那么通過(guò)前述計(jì)算分析可知這種情況下的極限承載力與放置于平衡點(diǎn)時(shí)的承載力的比值是一個(gè)小于1的常數(shù)。這也就說(shuō)明了放置于平衡點(diǎn)以上時(shí)樁基并未發(fā)揮其最大的潛能，Q—S曲線要在放置于平衡點(diǎn)的曲線上側(cè)。

2)放置于平衡點(diǎn)以下計(jì)算承載力時(shí)，也是假設(shè)上下段樁基都能達(dá)到極限承載力，而此時(shí)上段樁沒(méi)有達(dá)到極限承載力。計(jì)算出的承載力比值也是小于1的數(shù)值。Q—S曲線也要在放置于平衡點(diǎn)的曲線上側(cè)。

3)對(duì)于放置于平衡點(diǎn)上側(cè)與平衡點(diǎn)下側(cè)的比較，由于下段樁存在樁端阻力的影響，所以此時(shí)相對(duì)于放置于平衡點(diǎn)上側(cè)時(shí)測(cè)出極限承載力將會(huì)更小一些。這就是圖10所反映的情況即:曲線從上至下依次為:a.平衡點(diǎn)以下;b.平衡點(diǎn)以上;c.平衡點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該長(zhǎng)樁的有限元的模擬分析可得出以下結(jié)論:

1)荷載箱的埋設(shè)位置對(duì)單樁的極限承載力影響很大，當(dāng)荷載箱埋設(shè)在自平衡點(diǎn)處所測(cè)的單樁極限承載能力與工程實(shí)際能夠相符合，埋設(shè)的位置偏上或偏下均會(huì)使得所測(cè)的單樁極限承載能力偏小。

2)對(duì)于荷載箱埋設(shè)位置位于自平衡點(diǎn)上方和下方兩種情況而言，由于下段樁存在樁端阻力的影響，所以放置于平衡點(diǎn)下側(cè)相對(duì)于放置于平衡點(diǎn)上側(cè)時(shí)測(cè)出極限承載力將會(huì)更小一些。

3)在利用自平衡法對(duì)樁基檢測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際的地質(zhì)狀況準(zhǔn)確的計(jì)算并確定出自平衡點(diǎn)即荷載箱的埋設(shè)位置，這樣才能準(zhǔn)確的測(cè)得單樁的極限承載能力，進(jìn)而為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保證工程的安全。

［1］張 利，唐增旺.自平衡試驗(yàn)技術(shù)在樁基承載力檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2010，36(17):108-109.

［2］王先軍.ANSYS在模擬樁土接觸中的應(yīng)用［J］.森林工程，2006(3):49-51.

［3］劉 濤，楊鳳鵬.精通ANSYS［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］殷宗澤，朱 泓.土與結(jié)構(gòu)材料接觸面的變形及其數(shù)學(xué)模擬［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1994(16):79-80.

［5］黃昌禮，謝肖禮.樁與土的相互作用非線性有限元分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27(2):175-178.