PPRC勁性體在復(fù)合地基處理中的有限元分析

李偉

摘要：PPRC勁性體復(fù)合地基是一種新型的地基處理方法，目前對(duì)其的理論研究還不夠充分，為了詳細(xì)分析PPRC勁性體復(fù)合地基的承載特性，本文采用有限元分析軟件ANSYS根據(jù)某工程背景建立了PPRC勁性體復(fù)合地基有限元模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)比分析PPRC勁性體和CFG樁，得出了結(jié)論，為PPRC勁性體的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

Abstract： Precast Pipe-pile of Reinforced Concrete composite ground is a new method of ground treatment， and the theoretical research on it is not enough at present. In order to analyze the bearing characteristics of PPRC composite ground in detail， in this paper， finite element analysis software ANSYS is used to establish a finite element model of PPRC composite ground based on a project background， on the basis of this， the conclusion is obtained by comparing and analyzing the PPRC and CFG pile， which provides a theoretical basis for the popularization and application of PPRC.

關(guān)鍵詞： PPRC勁性體；沉降；復(fù)合地基；有限元分析

Key words： Precast Pipe-pile of Reinforced Concrete；settlement；composite ground；finite element analysis

中圖分類號(hào)：TU470 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）06-0125-02

1 概述

預(yù)制混凝土勁性體簡(jiǎn)稱PPRC勁性體，是一種預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁，樁身采用先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋和抗壓強(qiáng)度大于C60的混凝土，單樁承載力高，能充分發(fā)揮樁和樁間土的作用，有效減小地基沉降。和目前廣泛使用的CFG樁相比，具有樁身混凝土強(qiáng)度高、單樁承載力高、造價(jià)低、節(jié)省工期等優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)方面有很大的應(yīng)用前景。

PPRC勁性體復(fù)合地基屬于剛性復(fù)合地基，由預(yù)制混凝土勁性體和樁間土共同承擔(dān)上部荷載，適用于處理黏性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥質(zhì)土等地基，具有承載力高、調(diào)整幅度大、沉降變形小、沉降穩(wěn)定較快等特點(diǎn)。在上部荷載作用下，由PPRC勁性體承擔(dān)主要荷載。勁性體屬于擠土樁，樁周摩阻力能得到充分發(fā)揮，端阻力隨著荷載作用的時(shí)間及樁側(cè)阻力發(fā)揮的程度而逐漸增高。同時(shí)，樁頂褥墊層發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，使樁間土與樁身進(jìn)入共同工作狀態(tài)，逐漸形成復(fù)合地基。

本文根據(jù)某具體工程實(shí)例，采用ANSYS軟件對(duì)PPRC勁性體復(fù)合地基進(jìn)行有限元計(jì)算，同CFG樁就承載特性和變形特性進(jìn)行對(duì)比分析，得出了結(jié)論，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2 ANSYS模擬分析的基本假設(shè)和有限元模型

2.1 基本假設(shè)

①同一種材料為均質(zhì)、各項(xiàng)同性；

②樁體為線彈性體，符合廣義虎克定律；

③土體為Druker-Prager理想彈塑性模型；

④樁與樁間土之間無(wú)相對(duì)滑移。

2.2 有限元分析模型

本文主要根據(jù)PPRC單樁問(wèn)題進(jìn)行有限元建模分析，因?yàn)閱螛赌Ｐ秃?jiǎn)單，各影響因素之間干擾較少，有利于分析影響因素的作用。由于PPRC勁性體屬于管樁，所以為了方便計(jì)算，把樁按面積相等簡(jiǎn)化為方形。并考慮到對(duì)稱性，取1/4模型進(jìn)行建模分析，樁身和土體模型均采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元solid45單元，網(wǎng)格劃分時(shí)在樁頂和樁端網(wǎng)格加密，模型邊界水平方向取20倍樁徑，豎直方向?yàn)?倍樁長(zhǎng)?？紤]樁土之間的接觸，設(shè)置接觸單元，接觸面上樁體目標(biāo)面為target170單元，土體接觸面為conta173單元。在模型邊界水平方向施加全部約束，在底部施加z方向約束，對(duì)稱面對(duì)稱約束。

根據(jù)工程的實(shí)際情況，PPRC勁性體樁徑400mm，樁長(zhǎng)19m，單樁有限元模型各種材料的參數(shù)見(jiàn)表1。有限元模型見(jiàn)圖1。

3 有限元結(jié)果及分析

3.1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單樁復(fù)合地基承載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有限元加載分析，得到PPRC勁性體復(fù)合地基的荷載沉降曲線如圖2所示，當(dāng)樁頂荷載加到400kPa時(shí)，理論計(jì)算沉降量是11.06mm?，F(xiàn)場(chǎng)單樁復(fù)合地基承載試驗(yàn)的結(jié)果如表2，實(shí)際的平均沉降量是11.18mm，理論值與實(shí)際值相差無(wú)幾，基本相符，可以驗(yàn)證PPRC勁性體復(fù)合地基有限元模型的合理性和正確性。

3.2 CFG樁復(fù)合地基因其良好的特性在工程中被廣泛應(yīng)用，為此選取了相同樁徑和樁長(zhǎng)的CFG樁進(jìn)行有限元建模分析，在相同條件下和PPRC勁性體進(jìn)行對(duì)比分析。CFG樁有限元模型同圖1基本一致，只是樁身彈性模量和樁截面面積略有不同。兩種樁的有限元沉降計(jì)算結(jié)果如表3，圖3給出了兩種樁的荷載沉降曲線。

由圖3可以看出，當(dāng)剛開(kāi)始加載時(shí)，PPRC勁性體和CFG樁產(chǎn)生的沉降變化趨勢(shì)基本相同，幅度差別很小，隨著荷載的增加，樁開(kāi)始主要承擔(dān)上部荷載，CFG樁產(chǎn)生的沉降量逐漸大于PPRC勁性體產(chǎn)生的沉降量，并且兩個(gè)沉降值之間的差距逐漸增大，PPRC勁性體對(duì)地基沉降的作用效果逐漸明顯。而在同一荷載值作用下，PPRC勁性體因樁身彈性模量大，單樁承載力高，其沉降量也要比CFG樁小。因此，相對(duì)于CFG樁，PPRC勁性體能更有效的減小地基沉降。

3.3 樁土應(yīng)力比n是表征復(fù)合地基承載特性的重要參數(shù)。通過(guò)圖4的荷載樁土應(yīng)力比對(duì)比曲線可以看出，荷載越大，兩種復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比越大。在荷載作用初期，荷載均勻傳遞到樁和樁間土，樁土應(yīng)力比變化不大，隨著荷載的增加，樁上應(yīng)力加劇，PPRC勁性體因其剛度遠(yuǎn)大于CFG樁，樁體承擔(dān)應(yīng)力更多，并且樁土應(yīng)力比在加載過(guò)程中變化幅度比CFG樁更大，在荷載較大超過(guò)300kPa后，土體的承載作用逐漸發(fā)揮，樁土應(yīng)力比增長(zhǎng)幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。在外荷載作用下，PPRC勁性體的樁土應(yīng)力比始終要高于CFG樁，樁體能更多的承擔(dān)荷載。

4 結(jié)論

同CFG樁相比，PPRC勁性體作為復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體，樁身彈性模量大，樁間土承載力可以得到充分發(fā)揮，產(chǎn)生的變形更小，能起到更好的減小沉降的效果。同時(shí)，單樁承載力更高，提高了復(fù)合地基的承載能力。因此，在進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)時(shí)，同樣的條件下，選擇PPRC勁性體比CFG樁更具有工程價(jià)值。

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