預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承載力計(jì)算和數(shù)值分析

黃彬

摘要： 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁豎向承載力的確定是工程界關(guān)注的問題，學(xué)術(shù)界對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的豎向承載力的研究也比較多。目前國(guó)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁豎向承載力的經(jīng)驗(yàn)公式不多，國(guó)內(nèi)也沒有一種計(jì)算方法十分精確。如果按照現(xiàn)行規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式來確定管樁單樁豎向承載力其結(jié)果往往比通過靜載荷試驗(yàn)所得的試樁結(jié)果要低很多，從而造成工程成本的大量增加。本文結(jié)合遼寧盤錦某工程建設(shè)，通過靜載荷試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法分析預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力性狀和獨(dú)特的承載機(jī)理。

Abstract： The determination of the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile is a concern in the engineering field. There are many academic researches on the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile. At present， there are few abroad empirical formulas about the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile， and there is no accurate calculation method in China. If the vertical load capacity of the single pile is determined according to the empirical formula of the current code， the result is often much lower than that obtained by the static load test， which results in a large increase in the cost of the project. In this paper， combined with the project construction in Panjin， Liaoning， the static load test， theoretical calculation， numerical simulation and other methods are used to analyze the stress characteristics and the unique bearing mechanism of prestressed concrete pipe pile.

關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力管樁；單樁豎向承載力；靜載荷試驗(yàn)；數(shù)值分析

Key words： prestressed pipe pile；vertical bearing capacity of single pile；static load test；numerical analysis

中圖分類號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）06-0159-03

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有成樁質(zhì)量易控制、施工簡(jiǎn)便，單樁承載力高，工程造價(jià)低，節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前在許多地區(qū)已得到越來越廣泛的應(yīng)用。但由于開口管樁結(jié)構(gòu)的特殊性，其沉樁和承載機(jī)理較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此做了大量的研究。鑒于此，本文針對(duì)盤錦地區(qū)的一個(gè)工程實(shí)例，依據(jù)沉樁施工資料，對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了具體分析，并討論了產(chǎn)生此結(jié)果的原因，為其他類似工程的設(shè)計(jì)施工提供技術(shù)參考。

1 工程概況

本施工場(chǎng)地位于遼寧盤錦，大地構(gòu)造位置處于新華夏第二沉降帶，堆積了厚達(dá)6000～8000m的新生界陸相地層。地貌單元屬遼河河口三角洲，地勢(shì)平坦，地貌單一，地層主要由第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積物組成。各土層統(tǒng)計(jì)物理力學(xué)指標(biāo)、樁基參數(shù)指標(biāo)如表 1所列。

2 靜載荷試驗(yàn)

①1#、2#樁：當(dāng)荷載分別加到1800kN時(shí)，累計(jì)下沉量分別為12.47mm、12.46mm。當(dāng)荷載分別加到1890kN和1880kN時(shí)，樁急速下沉，荷載已經(jīng)加不上去，千斤頂已自動(dòng)卸載，樁已喪失承載力，終止加載。此時(shí)1#、2#樁的累計(jì)總沉降量分別為45.75mm和46.26mm，如表2-1。單樁豎向抗壓極限承載力，取Q-S曲線陡降段前一級(jí)荷載為1800kN，如圖1和圖2。

②3#樁：當(dāng)荷載加到1800kN時(shí)，累計(jì)下沉量為12.13mm。當(dāng)荷載加到1990kN時(shí)，樁急速下沉，荷載已經(jīng)加不上去，千斤頂已自動(dòng)卸載，樁已喪失承載力，終止加載。此時(shí)3#樁的累計(jì)總沉降量為47.41mm。單樁豎向抗壓極限承載力，取Q-S曲線陡降段前一級(jí)荷載為1900kN，如圖3。

3 單樁豎向承載力計(jì)算

按規(guī)范中給出的參考數(shù)據(jù)合理取值。通過計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果均低于靜載荷試驗(yàn)值。計(jì)算結(jié)果如表2。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 地基特性

除了管樁樁身混凝士材料外，樁周有多層土體，所以在定義材料屬性性窗口中，定義多個(gè)土層屬性。在該對(duì)話框的窗口中，定義各種材料的彈性模量、飽和容重、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等。

4.2 材料特性

不論是二維還是三維計(jì)算模型，都需要有一個(gè)合理的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格密度把握，樁土結(jié)構(gòu)涉及到的模型幾何形狀較規(guī)則，因而采用合理的網(wǎng)格劃分方式可以使計(jì)算來得方便。樁土材料力學(xué)性能見表3。

4.3 荷載和邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力管樁實(shí)測(cè)資料管樁可以承受1800kN豎向荷載，本模型對(duì)管樁樁頂施加1800kN壓力，并對(duì)樁頂面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，使樁頂面集中力轉(zhuǎn)化為均布荷載，荷載分13級(jí)進(jìn)行加載，每級(jí)加載140kN。對(duì)模型邊界進(jìn)行約束Ux=0，Uz=0。

4.4 理論計(jì)算、有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)載荷結(jié)果分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果是否能夠正確反映管樁樁身荷載傳遞規(guī)律，選取現(xiàn)場(chǎng)的靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并用有限元對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。圖5為l#、2#、3#樁的靜載荷數(shù)據(jù)曲線和有限元模擬靜載荷試驗(yàn)曲線的對(duì)比情況。

在加荷的初始階段，沉降值與實(shí)際值較相近。實(shí)測(cè)情況的最后階段，荷載達(dá)到一定值時(shí)，沉降值會(huì)有一突然增大的現(xiàn)象，數(shù)值會(huì)變得非常大，這表明樁土在這一時(shí)刻的平衡關(guān)系被打破，樁體承載力達(dá)到極限。由此可以看出，有限元數(shù)值分析在實(shí)際工程中有著較好的實(shí)用性。

5 結(jié)果對(duì)比分析

靜載荷試驗(yàn)過程與勘察報(bào)告中所反應(yīng)的土層的力學(xué)性狀基本一致。根據(jù)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)確定預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單樁承載力時(shí)，計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值較接近，且偏于安全。預(yù)應(yīng)力管樁屬于端承摩擦樁，樁身承載力較多的依靠側(cè)摩阻力提供。在試樁施工過程中，因沉樁時(shí)間很短，樁側(cè)阻力發(fā)揮作用較小，靜載荷試驗(yàn)反映出來的壓力值主要來自于樁端阻力，其側(cè)阻力的發(fā)揮較少，樁的極限承載力還沒有完全發(fā)揮出來。

參考文獻(xiàn)：

[1]JGJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JGJl06—2003，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]施峰.PHC管樁荷載傳遞的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2004，26（1）.

[4]張忠苗.樁基工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[5]侯勝男，劉陜南，蔡忠祥，黃紹銘.高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁擠土效應(yīng)的影響分析預(yù)應(yīng)力管樁單樁水平承載力的試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013（S1）.