鋼纖維混凝土樁靜載試驗數(shù)值模擬

歐陽芳, 韓建偉, 鄧小寧, 張建經(jīng)

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都　610031;　2.廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計院， 廣西 南寧　530221;　3.鄭州中核巖土工程有限公司， 河南 鄭州　450002)

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鋼纖維混凝土樁靜載試驗數(shù)值模擬

歐陽芳1, 韓建偉2, 鄧小寧3, 張建經(jīng)1

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都610031;2.廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計院， 廣西 南寧530221;3.鄭州中核巖土工程有限公司， 河南 鄭州450002)

[摘要]為了研究鋼纖維混凝土樁的承載性能，利用FLAC(3D)對鋼纖維混凝土樁的靜載試驗進行了模擬。使用模型試驗的參數(shù)建立分析計算模型。通過與試驗中的p-s曲線和樁身應(yīng)變的比較，驗證了模型的正確性。以此模型為基礎(chǔ)研究了樁周土體粘聚力和樁體摩擦角對鋼纖維混凝土樁變形的影響。由計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁周土體的粘聚力較小時，適當(dāng)增大樁周土體的粘聚力，有利于減小樁體發(fā)生塑形變形后的沉降量。適當(dāng)增大鋼纖維混凝土樁的摩擦角，有利于提高樁體的剛度，減小樁體發(fā)生塑性變形后的壓縮量。

[關(guān)鍵詞]鋼纖維混凝土樁; 粘聚力; 摩擦角; 變形

0引言

鋼纖維混凝土是將短的、不連續(xù)的鋼纖維隨機分布于混凝土中而形成的一種新型復(fù)合材料。鋼纖維的摻入對混凝土有阻裂、增強和增韌的作用。這使得鋼纖維混凝土具有如下的物理力學(xué)性質(zhì)： ①因鋼纖維的高彈性模量而使得鋼纖維混凝土具有較高的抗拉[1]、抗壓[2]和抗剪性； ②較好的抗裂性能[3]； ③良好的抗沖擊性能[4]以及較好的抗疲勞性能[5]； ④較好的韌性。1971年倫敦希思羅機場停車場的可卸式隔板第一次使用了鋼纖維增強混凝土作為結(jié)構(gòu)材料。檢查報告顯示，這些板在使用5 a后沒有開裂跡象[6]。自80年代起，鋼纖維混凝土已在我國道路[7]、橋梁[8]、隧道[3]、室內(nèi)結(jié)構(gòu)、飛機跑道[9]和水工堤壩[10]等結(jié)構(gòu)中獲得日益廣泛的應(yīng)用。

將鋼纖維用于預(yù)制混凝土樁中，就形成了鋼纖維混凝土樁。鋼纖維混凝土樁一經(jīng)投入使用，即顯示出了較好的應(yīng)用景[11-13]。然而至今為止，對鋼纖維混凝土樁的研究較少。本文借助于FLAC3D對鋼纖維混凝土單樁靜載試驗進行模擬，通過對比分析實測資料和計算結(jié)果的p-s曲線和樁身應(yīng)變曲線，驗證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)之上，分析了樁周土體粘聚力和樁體摩擦角對承受豎向荷載的樁體承載性質(zhì)的影響。

1建立分析模型

1.1分析模型

FLAC3D的計算分析模型參照試驗?zāi)Ｐ汀Ｓ蓪ΨQ性，在實際分析中，只取模型的一半，如圖1所示。模型外部尺寸為1.0m×1.0m×1.0m，固定模型四個側(cè)面和底面；樁長0.8m，直徑為4.5cm，樁體的底端支承在模型箱底部之上，樁側(cè)為砂土；上部分為砂土，厚0.8m，下部分為模型箱底部，模型箱底部設(shè)為0.2m。

圖1　計算模型Figure 1　Computation model

1.2材料參數(shù)

考慮到試驗中樁體不完全處在彈性范圍內(nèi)，故鋼纖維混凝土樁材料采用Mohr-Coulomb模型，土體也采用Mohr-Coulomb模型，模型箱底部采用彈性模型，其基本沒有變形。模型材料的參數(shù)如表1和表2所示。

表1 材料的彈性參數(shù)Table1 Theelasticparameterofthematerial密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比樁體243792000.25砂土1650200.35下臥層78002100000.3

表2 樁體和砂土的參數(shù)Table2 Theparameterofthepileandthesand粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強度/MPa膨脹角/(°)樁體3500556.3117砂土938012

2計算模型的驗證

2.1p-s曲線

由圖2 實測值和計算值的p-s曲線可發(fā)現(xiàn)，計算值與實測值較為接近。在20MPa以后，實測的p-s曲線不再為直線；而計算模擬的樁體的p-s曲線與此類似，也在20MPa以后，樁體的沉降速度增大。

圖2　p-s曲線Figure 2　p-s curves

2.2樁身應(yīng)變曲線

對比計算和實測的樁身中部的應(yīng)力-應(yīng)變圖，見圖3。其中“實測-19cm”表示樁頂以下19cm位置的應(yīng)力-應(yīng)變實測曲線；“計算-19cm”則表示樁頂以下19cm位置的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)值計算曲線。由圖3可發(fā)現(xiàn)計算和實測的樁身中部的應(yīng)變值擬合較好。由實測值和計算值的p-s曲線和樁身中部的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比圖可發(fā)現(xiàn)，所選用的模型和計算算法能較好地模擬實際的模型的試驗狀況。

圖3　樁身中部應(yīng)力-應(yīng)變圖Figure 3　The stress-strain curves of the pile part

3參數(shù)分析

3.1樁周土體粘聚力的影響

為了分析樁周土體的粘聚力對樁體的受力和變形的影響，共取6個工況：c=0，4.5，9，13，16，20kPa。對比不同工況的p-s曲線(見圖4)，以及樁體發(fā)生陡降后的沉降情況。由圖p-s曲線可發(fā)現(xiàn)，樁周土體取不同粘聚力時，p-s曲線基本都在20MPa范圍內(nèi)表現(xiàn)為彈性，且不同曲線在彈性階段基本一致。但在22MPa以后，同一應(yīng)力作用下，樁體的沉降存在一定的差別。

圖4　p-s曲線Figure 4　p-s curves

由p-s曲線可知，22MPa以后，不同曲線的沉降值不太一致。為了方便比較，將22～24MPa劃分為不同的應(yīng)力區(qū)間，如22～22.3MPa，將該區(qū)間內(nèi)的沉降值除以應(yīng)力區(qū)間長度，得到單位應(yīng)力下的沉降，這個沉降值定義為單位沉降。作不同應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，土體粘聚力-單位沉降曲線，如圖5所示。由圖可看到，22～22.3MPa范圍內(nèi)，樁體的單位沉降較?。蛔?3.2MPa以后，不同應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的單位沉降基本一致。這表明樁體發(fā)生塑形變形后，沉降較快，但當(dāng)荷載較大時，沉降速度減慢。此外，當(dāng)粘聚力在0～20kPa以內(nèi)變化時，不同應(yīng)力段的單位沉降值基本隨著粘聚力的增大而減小，但減小的速度隨著粘聚力的增大而減小。即增大樁周土體的粘聚力，有利于減小沉降值，且當(dāng)粘聚力較小時，現(xiàn)象更加明顯。

圖6為不同土體粘聚力工況的應(yīng)力-單位沉降曲線。由圖可發(fā)現(xiàn)，各曲線隨著應(yīng)力的增大，單位應(yīng)力下的沉降值基本都隨之增大。同一應(yīng)力下，土體粘聚力為0的工況的單位沉降值最大，土體粘聚力為9kPa的工況次之，土體粘聚力為13，16，20kPa的工況的沉降值較為接近，且單位沉降值都較小。

圖5　不同應(yīng)力段的單位沉降Figure 5　Settlements at the respective stress ranges

圖6　不同土體粘聚力下的單位沉降值Figure 6　Settlement of soil with different cohesion

由此可發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)土體粘聚力較小時，適當(dāng)增大粘聚力，有利于減小樁體發(fā)生陡降后的沉降值。

3.2樁體摩擦角的影響

圖7為不同樁體摩擦角工況的p-s曲線。由圖可發(fā)現(xiàn)，樁體摩擦角為53°時，樁體在20MPa時沉降較大，在22MPa時發(fā)生陡降；樁體摩擦角為55°時在23MPa附近發(fā)生較大的沉降，但其最終沉降量比“樁體摩擦角=53°”的工況的最終沉降量小；樁體摩擦角為57°、59°和61°時，樁體的p-s曲線較為接近，且在0～23.8MPa范圍內(nèi)基本為直線，即樁體基本處在彈性范圍內(nèi)。比較不同樁體摩擦角工況可知，樁體在彈性階段的p-s曲線基本重合。樁體摩擦角越大，樁體進入塑性階段的應(yīng)力越大。這表明適當(dāng)增大樁體的摩擦角，有利于提高樁體的剛度。

圖7　p-s曲線Figure 7　p-s curves

由p-s曲線可發(fā)現(xiàn): 20MPa以后，各工況的沉降值不太一致，為方便比較，列出20MPa以后不同應(yīng)力區(qū)間的單位沉降。將20～23.8MPa按0.3MPa區(qū)間長度劃分為不同的區(qū)間，得到不同應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的單位沉降值，如圖8所示。比較樁體摩擦角分別為57°、59°、61°的工況，發(fā)現(xiàn)這三個工況的應(yīng)力-單位沉降曲線基本一致，各曲線的單位沉降值在20～23.8MPa內(nèi)基本一致，且都較小，這表明這三個工況的樁體在應(yīng)力范圍內(nèi)基本為彈性。樁體摩擦角為53°和55°的工況隨著應(yīng)力的增大，單位沉降值增大。且在同一應(yīng)力作用下，樁體摩擦角為53°的單位沉降值較大。這表明適當(dāng)增大樁體的摩擦角，能減小樁體發(fā)生塑性變形后的壓縮量。

圖8　不同樁體的單位沉降Figure 8　Settlement of different piles

4結(jié)論

通過對鋼纖維混凝土樁單樁靜載試驗進行數(shù)值模擬，分析了樁周土體粘聚力和樁體摩擦角對其受力和變形的影響，主要結(jié)論如下，

① 樁周土體對樁體發(fā)生塑形變形時的應(yīng)力基本上沒有影響。當(dāng)樁周土體的粘聚力較小時，適當(dāng)增大樁周土體的粘聚力，有利于減小樁體發(fā)生塑形變形后的沉降值。

② 適當(dāng)增大鋼纖維混凝土樁的摩擦角，有利于提高樁體的剛度，減小樁體發(fā)生塑性變形后的壓縮量。

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Analysis on Static Loading Test of Steel Fiber Reinforced Concrete Piles by Numerical Simulation

OUYANG Fang1, HAN Jianwei2, DENG Xiaoning3, ZHANG Jianjing1

(1.Southwest Jiaotong University Civil Engineering Institute，Chengdu，Sichuan 610031， China;2.Guangxi institute of Construction Science & Research，Nanning，Guangxi 530221，China;3.China Nuclear Engineering Group Co．Zhengzhou Nuclear Geotechnical Engineering Co., Ltd，Zhengzhou，Henan 450002，China)

[Abstract]This paper studied the static loading test of the steel fiber reinforced concrete pile by FLAC(3D).The load-bearing properties of this pile has been studied. The comparison of the simulation results and the experimental findings of p-s curves and the strain along the pile proved the model is correct. On this basis, the influences of the soil cohesion and the friction angle of the pile to the deformation of the pile have been involved. From the numerical computing results, when the cohesion of the soil is small, the settlement of the pile after it reaches the plastic phase decreases with increase in the cohesion of the soil. While the larger friction angle of the pile leads to higher stiffness of the pile, and it also leads to smaller pile compression after it reaches the plastic phase.

[中圖分類號]TU 528. 572

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0020-04

[作者簡介]歐陽芳(1990-)，女，湖南益陽人，博士，主要從事地基處理和巖土地震工程學(xué)方面的研究工作。

[基金項目]國防基礎(chǔ)科研計劃(B0220133003)

[收稿日期]2014-09-18