PHC樁的極限承載力試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

劉正才，周 浪

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湘潭 411105)

參 考 文 獻(xiàn)

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PHC樁的極限承載力試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

劉正才，周 浪

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,湘潭 411105)

根據(jù)對PHC樁的靜載荷試驗(yàn)，揭示PHC樁在豎向靜載荷試驗(yàn)過程中沉降量變化規(guī)律，通過有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，闡述了模擬樁在靜載試驗(yàn)中荷載沉降過程，對比沉降量值與試驗(yàn)值，通過有限元分析軟件分析樁的極限承載力值.

PHC樁；承載力；沉降量；ABAQUS

0 引 言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC樁)是一種具有工廠化程度高、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、成樁質(zhì)量好、樁身強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)而在大量基礎(chǔ)工程中的樁型.

PHC樁的承載力，經(jīng)常要通過靜載試驗(yàn)才能得出，在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)者經(jīng)?？拷?jīng)驗(yàn)值，選取單樁承載力偏保守.由于PHC樁是擠土樁，在施工過程中，使得樁周土體密實(shí)度得到提高，實(shí)測值的樁側(cè)摩阻力往往比規(guī)范值和地質(zhì)報(bào)告推薦值大得多[1]，造成承載力的浪費(fèi).在工程試驗(yàn)中，基樁的承載力試驗(yàn)一般僅加載至承載力設(shè)計(jì)值的兩倍便終止，不會加載至基樁破壞來確定其極限承載力.利用已知的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合[6]，雖能進(jìn)行預(yù)測，但過程復(fù)雜.對于如何確認(rèn)PHC樁的極限承載力，可利用有限元模型模擬結(jié)合部分現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嘗試.

1 項(xiàng)目概況

本文中進(jìn)行了6根樁基靜載試驗(yàn)，工程地貌單元屬于剝蝕殘丘，覆蓋層為第四系人工填土、湖積及沖積物，基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖.根據(jù)本工程《地質(zhì)勘察報(bào)告》文件，在鉆探所達(dá)深度范圍內(nèi)，場地地層層序及地質(zhì)參數(shù)如表1所示.

表1 各地層巖土工程參數(shù)

建筑物采用高強(qiáng)混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)，以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑧作為建筑物樁基礎(chǔ)樁端持力層.

本工程采取的PHC樁型號為PHC500AB125，樁長10 m、11 m、12 m、13 m不等，編號及參數(shù)見表2.樁基設(shè)計(jì)極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為4000 kN.根據(jù)施工場地高程，將場地地質(zhì)分層絕對標(biāo)高轉(zhuǎn)換為相對標(biāo)高，繪制地質(zhì)情況及對應(yīng)樁號如圖1所示.

表2 PHC樁編號及參數(shù)

圖1 PHC樁及地質(zhì)土層情況

2 靜載承載力試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用荷載壓重平臺反力裝置，設(shè)備安裝見圖2.

圖2 靜載試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)過程中，加載按10級、9個(gè)時(shí)段進(jìn)行，分級荷載為預(yù)估極限承載力的1/10，第一個(gè)時(shí)段為分級荷載的2倍.每級荷載維持過程中的變化幅度小于分級荷載的10%.

本次檢測采用快速維持荷載法，每個(gè)時(shí)段沉降值按第5 min、15 min、30 min測讀樁頂沉降量，以后每隔15 min測讀一次.測讀時(shí)間累計(jì)為1 h時(shí)，若最后15 min時(shí)間間隔的樁頂沉降量增量與相鄰15 min時(shí)間間隔的樁頂沉降量增量相比明顯收斂時(shí)，可加下一級荷載.

當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量或某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍，且總沉降量超過40 mm，終止加載[3-6].

卸載按5級進(jìn)行.每級卸載量為分級荷載的2倍，逐級等量卸載.每級荷載維持時(shí)間為15 min，按第5 min、15 min測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載.卸載至零后，應(yīng)測讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為2 h，測讀時(shí)間為第5 min、15 min、30 min，以后每隔30 min測讀一次.測得荷載沉降值見表3.

表3 現(xiàn)場試驗(yàn)加載及對應(yīng)的沉降量

根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，提取最大沉降量，回彈量，得出各樁的回彈率值見表4.

表4 回彈量

根據(jù)六根樁荷載試驗(yàn)條件得出承載力，繪制出相應(yīng)的荷載-沉降量曲線見圖3.190#樁與327#樁的樁側(cè)土質(zhì)情況相近，各土層厚度也相差小，樁長均為11 m，相應(yīng)的荷載-沉降量曲線具有可比性.267#樁與290#樁的樁側(cè)土質(zhì)情況相近，各土層厚度也相差不大，樁長均為12 m，相應(yīng)的荷載-沉降量曲線具有可比性.

圖3 荷載-沉降量曲線圖

由以上回彈值及回彈率大小可知，回彈率在15%～30%，沉降量越大，回彈量也越大.根據(jù)現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，施加荷載達(dá)到4000 kN時(shí)，未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，沉降量也小于40 mm.故所有荷載并未達(dá)到承載能力極限狀態(tài)，地基承載力仍有富余.

3 有限元建模數(shù)值分析

樁與土體彈性模量相差大，在荷載作下，樁身一般牌彈性階段，在分析過程中，樁體按彈性材料考慮.ABAQUS中土的本構(gòu)模型較多，常用的Porous elastic模型、Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager模型、Mohr-Coulomb模型、Clay plasticity模型以及Cam-clay模型等[7-8].假定土體的變形由線彈性階段變形和非線性階段變形組成.土體模型取樁半徑的50倍區(qū)域，線彈性階段采用理想彈性模型，非線性階段采用Mohr-Coulomb模型.樁-土接觸采用摩擦罰接觸.邊界條件為：模型底部固定約束，模型外側(cè)徑向的位移約束見圖4.

圖4 模型分區(qū) 圖5 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分過程中，樁與土體均使用CAX4R單元，在靠近樁土接觸4倍樁徑范圍內(nèi)，網(wǎng)格密度與樁體相同，其余部位網(wǎng)格寬度為樁體網(wǎng)格的兩倍大小.

分析過程：第一步進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡；第二步采用表面載荷形向樁頂施加豎向壓強(qiáng)荷載，按荷載試驗(yàn)步逐步分級加載.第三步提交計(jì)算提取樁頂位移進(jìn)行后處理.提交作業(yè)后得出經(jīng)迭代計(jì)算，進(jìn)行可視化處理，有限元分析結(jié)果見圖6.

圖6 樁頂位移值

根據(jù)190#樁與327#樁的樁側(cè)土質(zhì)情況相近，各土層厚度也相差較小，樁長均為11 m，267#樁與290#樁的樁側(cè)土質(zhì)情況相近，各土層厚度也相差不大，樁長均為12 m.因此針對樁長L=11 m和樁長L=12 m分別建立了有限元模型.提取樁頂豎向位移值，見表5.

表5 模擬樁沉降量

取s=40 mm對應(yīng)沉降量為極限荷載值時(shí)，Aba-11 m樁底極限荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5434 kN，Aba-12 m樁底極限荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5479 kN.根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ106-2008附錄B預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁基本參數(shù)表可知，PHC500AB125樁的樁身極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為4190 kN[2].故樁基的極限承載力可取樁身極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值4190 kN，本場地的地基承載力有較大富余.根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，繪制相關(guān)荷載沉降量曲線，如圖7、圖8所示.

圖7 樁長l=11 m荷載沉降曲線

根據(jù)荷載沉降曲線圖，可知，建立的ABAQUS有限元模型中模擬樁極限承載力能較好的模擬樁與土的接觸問題，以及樁的受力情況，經(jīng)有限元模擬計(jì)算得出的荷載沉降曲線較實(shí)測值偏大.原因在于錘擊法施工的過程中，樁側(cè)土受到一定的擠壓，樁側(cè)承載力有所提高，并且樁底土受擠密壓實(shí)，樁端承載力有較大程度的提高.

圖8 樁長L=12 m荷載沉降曲線

4 結(jié) 論

(1)6根樁回彈率較接近表明樁底持力層性質(zhì)相當(dāng).施加荷載后沉降量相差較大，表明沉樁過程中存在一定的施工偏差.

(2)根據(jù)建立有限元模型分析提取的樁頂沉降量來看，表明本模型能較好的模擬實(shí)際受力情況.

(3)通過推廣有限元模型，可以建立模擬該場地不同直徑、長度的PHC樁，計(jì)算出可靠的單樁承載力極限值，有一定的適用性.

(4)PHC樁在工程設(shè)計(jì)中大量使用，需更多的研究方法和數(shù)據(jù)提高承載力極限值預(yù)測準(zhǔn)確性.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 施 峰.PHC管樁荷載傳遞的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004,26(1):95-99.

[2] JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].2008.

[3] JGJ106-2003建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].2003.

[4] 阮起楠.預(yù)應(yīng)力管樁[M].北京：中國建材工業(yè)出版社,2000.

[5] 邢皓楓等.PHC管樁錘擊施工效應(yīng)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(8):1208-1212.

[6] 郭宏磊.PHC樁的豎向極限承載力的預(yù)測[J].工程力學(xué),2004(1).

Research on Experiment and Numerical Simulation of PHC Pile

LIU Zheng-cai,ZHOU Lang

(School of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

In this paper, through the static load test of PHC pile,it reveals the settlement variation law of PHC pile in vertical static load test process. The finite element model is established by the finite element analysis software ABAQUS to simulate the load settlement process of PHC pile in the test,and compare settlement value and experimental value.By using finite element analysis software, this thesis tries to analyze the ultimate bearing capacity value of the pile.

PHC pile;bearing capacity; displacement;ABAQUS

2015-03-09

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(09JJ3126).

劉正才(1963-)，男，博士，教授,研究方向:土木工程.

TU473

A

1671-119X(2015)03-0075-04