大噸位靜載試驗(yàn)基樁可移動(dòng)樁帽有限元分析

邱發(fā)強(qiáng)

(廈門市工程檢測中心有限公司　福建廈門　362000)

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大噸位靜載試驗(yàn)基樁可移動(dòng)樁帽有限元分析

邱發(fā)強(qiáng)

(廈門市工程檢測中心有限公司福建廈門362000)

通過結(jié)合某工程地勘等設(shè)計(jì)資料，選取典型的地質(zhì)土層條件，利用有限元分析軟件OpenSeesPL，研究了可移動(dòng)樁帽的基樁在豎向荷載作用下，樁的豎向位移以及工作性狀。同時(shí)，對影響基樁豎向承載力的樁帽偏心、樁帽傾斜以及混凝土強(qiáng)度等因素進(jìn)行了數(shù)值模擬及分析。結(jié)果表明，樁的沉降值不受混凝土強(qiáng)度變化以及樁帽偏心的影響，而樁帽傾斜對于沉降值的影響是不可以忽略的。對大噸位基樁抗壓靜載試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

可移動(dòng)樁帽；有限元分析；豎向抗壓；靜載試驗(yàn)

0　引言

高層建筑物主體結(jié)構(gòu)的正常使用和安全與樁基礎(chǔ)質(zhì)量有著最密切的關(guān)系，樁基如果發(fā)生事故，再進(jìn)行加固處理有很大難度。確保樁基礎(chǔ)的安全與可靠離不開樁基礎(chǔ)的檢測。而抗壓靜載試驗(yàn)是公認(rèn)的檢測基樁豎向抗壓承載力最直觀、最可靠的傳統(tǒng)方法[1]。然而，隨著城市高層建筑的快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)所承受的荷載也在快速提高，樁基礎(chǔ)所需承擔(dān)的承載力也越來越大。

在工程中，對樁基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)加載的荷載大于10000kN的試驗(yàn)，常常被稱做大噸位靜載試驗(yàn)。針對大噸位靜載試驗(yàn)，往往需要制作樁帽，防止樁頭承壓太大而導(dǎo)致樁頭爆裂，從而影響對樁基礎(chǔ)承載力的判斷。傳統(tǒng)樁帽的設(shè)計(jì)通常是直接在試驗(yàn)樁的樁頂澆筑一個(gè)固定樁帽，這樣的做法往往較為耗費(fèi)工期及施工成本。本文擬設(shè)計(jì)一種可移動(dòng)樁帽[2]來代替?zhèn)鹘y(tǒng)樁帽的制作方法，為大噸位靜載試驗(yàn)研究做貢獻(xiàn)。為了使可移動(dòng)樁帽設(shè)計(jì)方法能夠替代傳統(tǒng)的樁帽方法，需要分析可移動(dòng)樁帽的偏心受力問題、與基樁樁頂水平面的傾斜角度問題以及混凝土強(qiáng)度的影響問題。

1　傳統(tǒng)樁帽與可移動(dòng)樁帽的對比分析

靜載試驗(yàn)可獲取樁基設(shè)計(jì)過程中所必需的沉降數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)、監(jiān)理、業(yè)主、質(zhì)量監(jiān)督等工程參建單位提供一個(gè)合理可靠的承載力依據(jù)。通過現(xiàn)場的豎向抗壓靜載試驗(yàn)，能夠得到試樁的荷載—沉降曲線(即Q-S曲線)，它能直觀的反應(yīng)基樁的破壞機(jī)理以及破壞模式。靜載試驗(yàn)過程中所獲得的荷載作用下的樁頂沉降變化曲線，對整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析有幫助。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法是直接在試驗(yàn)樁的樁頂澆筑一個(gè)固定樁帽，但傳統(tǒng)的與試樁樁頂直接連接在一起的樁帽(如圖1所示)尚且存在許多不足。

(1)在基樁達(dá)到齡期的條件下，常常要求靜載試驗(yàn)樁頂?shù)臉?biāo)高與設(shè)計(jì)的樁頂標(biāo)高相一致，這就表示在試驗(yàn)前，需把試樁周圍多余的土方開挖掉，再鑿掉試樁上部的松散破碎層和低強(qiáng)度的混凝土，沖洗干凈后在試樁上澆筑樁帽，樁帽澆筑完畢后又需等到樁帽的混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求才可進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)[3]，影響到整個(gè)工程的施工進(jìn)度。

(2)為了防止試樁在加載時(shí)因荷載太大而導(dǎo)致樁帽被破壞，從而被迫終止試驗(yàn)，影響試驗(yàn)結(jié)果的客觀性及可靠性。靜載試驗(yàn)樁帽的混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般會(huì)比試樁本身的混凝土強(qiáng)度高1～2等級(jí)，且試樁樁帽在距樁頂?shù)囊欢稄椒秶鷥?nèi)均會(huì)用鋼板圍裹或設(shè)置箍筋，樁帽內(nèi)部也會(huì)設(shè)置幾層鋼筋網(wǎng)片。從經(jīng)濟(jì)上考慮增加了試驗(yàn)的成本。

(3)大噸位的靜載試驗(yàn)試樁的樁徑一般都比較大，在澆筑樁帽時(shí)常常會(huì)因?yàn)闆]有控制好垂直度，造成樁帽的軸心與試樁的軸心不重合，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)樁頂可能會(huì)受到偏心力矩的作用，使試樁處于不利的受力狀態(tài)，容易把樁頭壓裂，影響試驗(yàn)結(jié)果。

從大噸位靜載試驗(yàn)傳統(tǒng)樁帽的分析不難看出，樁帽的設(shè)計(jì)還存在許多的不足，因此，本文針對以上幾個(gè)問題提出了一種新的樁帽設(shè)計(jì)，即在原有的樁帽設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)可吊裝的移動(dòng)式樁帽，如圖2所示。

一個(gè)單位工程的基樁通常需要做1%且不少于3根的靜載試驗(yàn)，這就表示一個(gè)單位工程的總樁數(shù)越多，所做的靜載試驗(yàn)根數(shù)就越多。在試驗(yàn)前便可先針對這個(gè)工程的樁型，按照圖2的設(shè)計(jì)提前先做一個(gè)可以移動(dòng)的樁帽，這就使得可移動(dòng)式樁帽具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)因樁帽在距樁頂?shù)囊欢稄椒秶鷥?nèi)均會(huì)用鋼板用來圍裹或設(shè)置箍筋，樁帽內(nèi)部也會(huì)設(shè)置幾層鋼筋網(wǎng)片，如果每一根試驗(yàn)樁均需做樁帽，所需的成本較大，改用可移動(dòng)式的樁帽時(shí)，便不需要在每一根試驗(yàn)樁上做樁帽，只需在做試驗(yàn)前把可移動(dòng)式樁帽吊裝至試驗(yàn)樁上便可進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后再吊至下一根試驗(yàn)樁，節(jié)約了成本。

(2)每一根試驗(yàn)樁如果都需要做樁帽，對整個(gè)試驗(yàn)的進(jìn)度也具有一定的影響。當(dāng)采用可移動(dòng)式的樁帽時(shí)，樁頂上便無需再做樁帽，當(dāng)做完一根試驗(yàn)樁時(shí)，把可移動(dòng)試樁帽再吊樁至下一根的試驗(yàn)樁，大大節(jié)省了試驗(yàn)的工期。

(3)在做靜載試驗(yàn)前，先將樁頂整平，再找出樁的中心點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)只需把可移動(dòng)試樁帽的軸心與樁的中心點(diǎn)對齊，便可以較好的控制好樁帽與樁軸心的垂直度，使試樁處于較有利的受力狀態(tài)，保證試驗(yàn)的可靠性。

綜上所述，從大噸位靜載試驗(yàn)傳統(tǒng)樁帽的分析不難看出，傳統(tǒng)樁帽的設(shè)計(jì)還存在許多的不足，本文研究內(nèi)容是嘗試制作一個(gè)可移動(dòng)式的樁帽，采用三維有限元分析軟件來建立一個(gè)用于基樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的可移動(dòng)式預(yù)制樁帽模型，分析可移動(dòng)式預(yù)制樁帽在抗壓靜載試驗(yàn)過程中與試樁之間的相互影響，討論可移動(dòng)式預(yù)制樁帽在做抗壓靜載試驗(yàn)的可行性。

2　可移動(dòng)樁帽靜載試驗(yàn)過程中不利因素的有限元分析

通過結(jié)合某工程地勘等設(shè)計(jì)料，選取典型的地質(zhì)土層條件，利用有限元分析軟件OpenSeesPL[4]，研究了可移動(dòng)樁帽的基樁在豎向荷載作用下，樁的豎向位移以及工作性狀。同時(shí)，對影響基樁豎向承載力的樁帽偏心、樁帽傾斜以及混凝土強(qiáng)度等因素進(jìn)行了數(shù)值模擬及分析。

2.1樁-土模型的建立

OpenSeesPL提出了一種通用的框架，有助于簡化三維有限分析系統(tǒng)對土壤和土壤結(jié)構(gòu)分析。建模通過對基本特征進(jìn)行定義形成幾何模型。試驗(yàn)中的基樁是受豎向荷載，我們可以用空間對稱模型來模擬基樁的力學(xué)性狀，其幾何模型如圖3所示。

2.2有限元分析

利用已建立的模型，對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行分析討論，得出一些對工程實(shí)際有意義的結(jié)論。首先研究了在不偏心情況下，基樁在豎向荷載下的沉降情況以及反應(yīng)性狀。其次，樁帽偏心或傾斜時(shí)，對試樁的沉降以及反應(yīng)性狀影響。最后，通過改變混凝土強(qiáng)度，同一荷載水平條件，強(qiáng)度不同是否產(chǎn)生一定的影響。將樁靜載試驗(yàn)的各級(jí)加載作為每級(jí)荷載的增量，計(jì)算荷載達(dá)到靜載試驗(yàn)的最大荷載為止。樁頂施加集中荷載，逐級(jí)加載，每級(jí)荷載1 000kN，總荷載為10 000kN，樁徑為1 200mm。將樁帽及上部結(jié)構(gòu)對于樁基的作用簡化為樁頂部的力和力矩。

2.2.1模型驗(yàn)證

當(dāng)樁帽不偏心時(shí)，對樁頂部中心施加豎向荷載。這相當(dāng)與傳統(tǒng)樁帽在豎向力作用時(shí)的受力情況。研究在一般的情況下，數(shù)值模擬的結(jié)果是否在合理的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證模型的可靠性。首先對于土壤彈塑性進(jìn)行了討論，分別定義土壤材料為線性與非線性[5]，模擬結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行了對比分析。

從圖4中樁頂荷載-沉降的分析比較曲線可以看出，非線性計(jì)算的結(jié)果是更接近實(shí)測值，樁頂處的沉降受到土體非線性的影響比較明顯，并隨著豎向荷載的增加，這種影響越來越明顯。在荷載較小時(shí)，模擬結(jié)果略小于實(shí)測值，但是，當(dāng)較大荷載屈服后，數(shù)值模擬結(jié)果大于實(shí)測值?？傮w上來看，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本相符。

2.2.2偏心受壓的單樁承載力

可移動(dòng)樁帽在試驗(yàn)時(shí)，由于難以控制樁帽的垂直度，可能造成樁帽的軸心與試樁的軸心不重合的狀況。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，樁帽偏心使得樁頂受到偏心力矩的作用，使得試樁處于不利的受力狀態(tài)，對單樁的豎向承載能力有一定影響。因此，討論樁帽偏心對于單樁的豎向承載力的影響是很有必要的。接下來將討論在相同荷載的情況下，偏心距不同對整根樁的沉降值的影響。根據(jù)力的平移定理——作用在剛體上的力F，可以平移到同一剛體上的任一點(diǎn)O，但必須附加一個(gè)力偶，其力偶矩等于力F對新作用點(diǎn)O之矩，e為偏心距大小。當(dāng)有偏心距時(shí)，將偏心力簡化為作用于樁頂中心處的力以及附加一個(gè)力偶M，且

M=F×e

(3-1)

偏心受力我們將分四類情況來討論：在可以移動(dòng)樁帽混凝土強(qiáng)度不變的情況下，偏心距為e=0m,e=0.2m,e=0.4m,e=0.6m時(shí)；數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5中給出的力矩增大時(shí)樁頂荷載與樁頂沉降關(guān)系可以看出，偏心力對于基樁的沉降值影響值不大。當(dāng)偏心距 時(shí)，最大沉降值達(dá)到5.99mm，而偏心距達(dá)到0.6m時(shí)，最大沉降值達(dá)到6.21mm，沉降偏離值僅達(dá)到3.7%，影響較小。

2.2.4樁帽傾斜時(shí)對于單樁承載力的影響

當(dāng)可移動(dòng)樁帽吊裝時(shí)，由于樁頂處與樁帽底部混凝土并沒有直接相連，可能造成樁帽底部與樁頂處形成一定的角度。因此，討論樁帽傾斜時(shí)對單樁的承載能力即沉降值是否會(huì)有影響。本節(jié)將討論傾斜角度為5°、10°、15°這三種情況對試驗(yàn)結(jié)果是否有影響。

從圖6、圖7、圖8上可以看出，隨著樁帽傾斜度的增大，加載在樁帽上的力也變小了，沉降值從傾斜角為0°時(shí)的5.99mm減小到了5.35mm，沉降的偏離值達(dá)10%，需引起重視。從另外一個(gè)角度來看，當(dāng)傾斜角度增大時(shí)，真正加載到樁頂處的荷載達(dá)不到預(yù)期的值，所以試驗(yàn)結(jié)果是有存在很大誤差的。所以控制可移動(dòng)樁帽的垂直度在試驗(yàn)中是非常重要的。

2.2.5混凝土強(qiáng)度變化對單樁承載力的影響

在豎向力的作用下，試驗(yàn)樁處于受壓的狀態(tài)。而樁身抗壓強(qiáng)度高，承載力主要由土壤來承受。接下來將討論混凝土強(qiáng)度不同時(shí)，對于樁基在不同程度偏心受壓情況的影響。模擬結(jié)果圖9、圖10 、圖11所示。

由圖9、圖10、圖11可得，當(dāng)混凝土強(qiáng)度改變時(shí)，不同的受壓情況下，基樁的沉降值的變化都是非常小的?；炷翉?qiáng)度為C25時(shí)，e=0m時(shí)最大沉降值為6.16mm，e=0.2m是最大沉降值為6.28mm，比e=0m時(shí)的沉降值僅增加了1.9%，e=0.4m時(shí)最大沉降值為6.35mm，比e=0m時(shí)的沉降值僅增加了3.1%，偏心距為e=0.6m時(shí)最大沉降值為6.45mm，比e=0m時(shí)的沉降值僅增加了不足5%?；炷翉?qiáng)度不同時(shí)，偏心受力所影響的差值最大就是C25時(shí)的差值，所以可以說明偏心受力情況下，豎向抗壓靜載試驗(yàn)樁基的沉降值變化不大。以下也將從同一荷載水平下，不同偏心距的情況，不同混凝土強(qiáng)度沉降值對比分析。

從圖12、圖13、圖14、圖15可得，當(dāng)偏心距e改變時(shí)，最大沉降值差值隨著偏心距的增大有所增大，最大差值是對應(yīng)的是偏心距e達(dá)到最大值0.6m時(shí)，C25混凝土沉降值達(dá)到了6.45mm，而C40混凝土的沉降值則是6.15mm，差值最大為4.6%。對比分析可知，一方面體現(xiàn)出混凝土強(qiáng)度增大，樁身的抗壓承載能力提高了；另一方面也體現(xiàn)在偏心所造成的沉降值增大，但是偏離值最大也不足5%，可以說明偏心對于沉降值的影響很小。

3　結(jié)論

本文采用以基樁為線性彈性材料，土體材料為非線性彈性材料，運(yùn)用有限元軟件OpenSeesPL對樁基靜載試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，得到以下的一些結(jié)論：

(1)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)體工程得到的樁頂-沉降數(shù)據(jù)，將模擬結(jié)果與其進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示模擬結(jié)果能較好的反映現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)際情況，建議多模擬幾組實(shí)測成果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的適用合理性，以便于可以進(jìn)一步的應(yīng)用。

(2)通過在不同的偏心狀態(tài)下，可以得出偏心對于基樁的承載力的影響是非常小。

(3)樁帽傾斜對試驗(yàn)結(jié)果影響較大，且會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)造成誤差。

(4)通過分析樁身混凝土不同時(shí)，偏心受壓對于沉降值的影響，結(jié)果顯示不同混凝土強(qiáng)度下，偏心的影響依然都是非常小的，進(jìn)而可發(fā)現(xiàn)，混凝土強(qiáng)度增大時(shí)，沉降值減小，說明了樁身承載力有所提高。

(5)在豎向荷載作用下，應(yīng)變值最大是發(fā)生在樁端土，很好的體現(xiàn)了樁的作用，將荷載傳遞給樁側(cè)土和樁端土。沉降值主要由樁身混凝土自身的彈塑性壓縮與樁下土體產(chǎn)生的樁端沉降的總和，樁身混凝土的質(zhì)量及樁的完整性對樁端沉降有重要影響。

[1]中華人民共和國建設(shè)部.建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范(JGJ106-2014)[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社.2014.

[2]邱發(fā)強(qiáng),羅曉東,翁俊梅,鄭萬芳,羅建彬,余察軍.一種可移動(dòng)的靜載試驗(yàn)樁帽[P].中國福建: 201420499258, 2014-09-01.

[3]方衛(wèi)東.大噸位基樁單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測方案[J].西部探礦工程.2005.(07).9-10 .

[4]Lu Jinchi, Elgamal Ahmed, Yang Zhao hui.OpenSeesPL: 3D Lateral Pile-Ground Interaction User Manual[Z].Department of Structural Engineering.December 2011.University of California, San Diego.

[5]恭曉南.土塑性力學(xué)[M].杭州.浙江大學(xué)出版社.1997.1233-1235.

Finite Element Analysis on Movable Pile Cap of Foundation Pile with Large-tonnage Static Load test

QIU Faqiang

(Xiamen Inspection Center of Engineering, Xiamen 362000)

By referencing to data of a engineering geological survey, selecting typical geological conditions and adopting OpenSeesPL, a Finite Element Analysis (FEA) software, the author studied when under the effect of vertical load, the vertical displacement and working properties of foundation piles of movable pile caps. Meanwhile, the numerical simulation and analysis is made on pile cap offset and slope, as well as strength of concrete. The results show that sedimentation value of pile is not affected by the strength change of concret and pile cap offset, however, pile cap slope apparently influences sedimentation value. Therefore, it is instructive to compressive static load test on large tonnage foundation pile.

Movable pile cap; Finite element analysis; Vertical compression static load test

福建省住建廳科技研究開發(fā)項(xiàng)目(2014-K-28)

邱發(fā)強(qiáng)(1977.09-)，男，高級(jí)工程師。

E-mail:rainy95@sina.com

2016-03-15

TU458+.1

B

1004-6135(2016)04-0071-05