預(yù)制混凝土管樁樁—板結(jié)構(gòu)的抗彎性能研究

馬 杰 戴元志 李怡彬

(1.南京河西工程項(xiàng)目管理有限公司，江蘇南京 210000;2.江蘇河海工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210098; 3.玉溪農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南玉溪 653100)

0 引言

我國軟土地基分布廣泛，軟土特性復(fù)雜多變，如長江三角洲地區(qū)為沖積、湖積相及濱海相淤泥質(zhì)粘土，黃淮地區(qū)主要為沖積、洪積相淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土，東南沿海地區(qū)主要為濱海相、瀉湖相淤泥、淤泥土。在復(fù)雜的軟土地基上修建建筑物(構(gòu)筑物)時，不僅要保證其穩(wěn)定性，還要對其變形和工后沉降進(jìn)行嚴(yán)格的控制。因此，工程建設(shè)前往往需要對軟弱地基進(jìn)行加固，而預(yù)制混凝土管樁就是一種有效的地基加固方法。

預(yù)制混凝土管樁是采用張拉預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型法制成的一種空心筒體細(xì)長混凝土預(yù)制構(gòu)件，按外徑分為300 mm，400 mm，500 mm，600 mm，800 mm，1 000 mm，1 200 mm，1 300 mm和1 400 mm等不同的規(guī)格，目前使用的管樁以400 mm，600 mm外徑居多。按照鋼筋含量可將管樁分為A型、AB型、B型、C型。管樁全是工廠化生產(chǎn)，常用節(jié)長8 m～12 m，也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行尺寸定制［1］。

管樁施工完成后往往在樁頂澆筑混凝土板，形成樁—板結(jié)構(gòu)［2，3］。加至樁—板結(jié)構(gòu)上的荷載通過板分配給樁和樁周土，如此一來，管樁受力中心常常不在樁身軸線上，即產(chǎn)生偏心荷載。作為空心樁，管樁的抗彎性能差，偏心荷載下產(chǎn)生的樁身彎矩不容忽視。因此，實(shí)際應(yīng)用中，控制管樁承載性能的可能是樁身彎矩而非豎向承載力。

文章結(jié)合某實(shí)際工程，通過工程地質(zhì)勘查報告獲得場地土層的物理力學(xué)參數(shù)，通過大型的三維有限元數(shù)值軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，計算了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁—板結(jié)構(gòu)在豎向荷載下產(chǎn)生的樁身彎矩，從而揭示了樁身彎矩對管樁設(shè)計使用的影響。

1 工程概況

某工程場地位于臨海灘涂地帶，分布著大范圍淤泥類軟土。部分建筑物(構(gòu)筑物)基礎(chǔ)采用填土(堆填碎石)地基，未對深部及臨海側(cè)軟土進(jìn)行加固處理。使用過程中，場地堆載速率過快，堆載量過大，無間歇期，無分層壓實(shí)處理，平均堆載厚度遠(yuǎn)超過了淤泥類軟土的承載能力，導(dǎo)致地基土產(chǎn)生失穩(wěn)滑移，外側(cè)地面隆起，地基上建筑物地面多處開裂，致使建筑物無法正常投入使用。除此之外，距離原有建筑物外側(cè)5 m處，擬新建一條施工通道，供施工車輛和行人使用。鑒于場地已發(fā)生明顯破壞，需對場地進(jìn)行勘探，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果選擇合適的地基加固方案對場地進(jìn)行處理，以滿足原有構(gòu)筑物與新建施工通道的(新荷載)正常工作。

2 場地工程地質(zhì)情況與加固方案

擬建場地西側(cè)為丘陵山地，該場地原為養(yǎng)殖塘、淤泥淺灘，大部分已回填，回填土主要為宕渣，碎塊石含量超過50%，回填土厚度差異較大，一般在5 m～7 m，局部可達(dá)9 m以上。擬建場址西高東低，實(shí)測地面標(biāo)高一般為－0.20 m～6.40 m。根據(jù)勘察野外鉆探、原位測試及室內(nèi)試驗(yàn)所取得地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，將勘探深度內(nèi)巖土體劃分為6個工程地質(zhì)層組，細(xì)分為9個工程地質(zhì)亞層，自上而下分述如下:素填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化凝灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r。擬建場地表面局部分布有素填土，成分主要由粘性土混碎塊石組成，平均厚度一般為5.0 m～7.0 m，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，性質(zhì)差，穩(wěn)定性差，對場址地基穩(wěn)定性有一定影響，設(shè)計施工時應(yīng)采取合理措施。場址普遍分布淤泥及淤泥質(zhì)土，場址軟土地基土承載力特征值一般為50 kPa～60 kPa，軟土厚度一般在1 m～32.5 m，具天然含水量及孔隙比高、壓縮性大、強(qiáng)度低、滲透性差、高靈敏度、易觸變、沉降量大且沉降歷時長等特點(diǎn)。軟土厚度不均，加之基巖面分布傾斜，在場地堆填土厚度達(dá)到和超過所能承受的極限高度后，場地地基土必然產(chǎn)生失穩(wěn)滑移。

結(jié)合場地特性與建設(shè)方案，擬對施工通道下方進(jìn)行預(yù)制混凝土管樁樁—板結(jié)構(gòu)加固，該加固一方面用于支撐施工通道的豎向荷載，另一方面用于阻止滑動破壞繼續(xù)發(fā)展。具體加固方案為:四排梅花形布樁的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁—板結(jié)構(gòu)，樁徑為600 mm，排間距為1.3 m，四排樁自左向右分別為 P1，P2，P3和P4，樁長以打至強(qiáng)風(fēng)化巖層為準(zhǔn)。板厚為0.5 m，板寬為5.2 m。

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型建立

場地加固前，通過三維有限元軟件對擬采用的加固方案進(jìn)行驗(yàn)證，計算使用達(dá)索SIMULIA公司開發(fā)的ABAQUS有限元軟件［4］。圖1給出了計算模型的網(wǎng)格劃分圖。取場地其中一個剖面(垂直于施工通道延伸方向)建立數(shù)值模型，模型長40.2 m(由30 m構(gòu)筑物、5 m間距和5.2 m加固寬度組成)，模型寬度取兩排樁厚度(約1.3 m)，模型深度為47 m。土層分布簡化為直線，土層通過Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行描述，樁—板結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)該場地地質(zhì)勘察報告，計算參數(shù)取值如表1所示。

三維模型的單元劃分全部采用六面體。模型中坐標(biāo)系的x方向?yàn)檫吰路较?，y方向?yàn)槭┕ねǖ姥由旆较?，z方向?yàn)橹亓Ψ较?。對模型底面的x，y，z三方向進(jìn)行位移約束，對x方向的兩個邊界面的x方向水平位移進(jìn)行約束，對y方向的兩個對稱邊界面的y方向水平位移進(jìn)行對稱約束。計算中的基本步驟為:

1)建立有限元幾何模型，簡化土層，進(jìn)行材料參數(shù)的選取及邊界條件、初始條件的施加，劃分網(wǎng)格;

2)對原有土層進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，平衡后加上填土，進(jìn)行計算，分析未加固的地基變形，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?

3)簡化模型，在設(shè)計位置處加入管樁樁—板結(jié)構(gòu)，施加施工通道荷載(100 kPa)，計算樁的承載力和變形，分析樁—板結(jié)構(gòu)中樁身軸力和樁身彎矩特性。

表1 土層計算參數(shù)

圖1 有限元模型的網(wǎng)格劃分圖

3.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型和參數(shù)的合理性，文中建立了原來場地的計算模型，建立的數(shù)值模型及計算后的變形示意圖如圖2所示。從圖3中可知，在基巖斜坡對應(yīng)的地面處出現(xiàn)明顯的滑動破壞。該計算結(jié)果與目前場地的實(shí)際情況相吻合，從而驗(yàn)證了模型的合理性。然而，計算得到的破壞位置較實(shí)際出現(xiàn)裂縫的位置偏斜坡下游，該結(jié)果可能由計算模型中土層簡化所致，但誤差在可控范圍內(nèi)。

圖2 模型驗(yàn)證

3.3 計算結(jié)果分析

計算中對板頂施加100 kPa的均布荷載，荷載通過板傳遞給樁和樁間土。通過軟件后處理功能，得到樁—板結(jié)構(gòu)板頂荷載—沉降曲線、樁身軸力和樁身彎矩結(jié)果。

圖3為計算得到的荷載—沉降曲線。由于樁端支撐在強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r上，100 kPa荷載作用下，樁—板結(jié)構(gòu)板頂?shù)淖畲蟪两盗坎蛔?0 mm，約為1.7%D(D為樁徑)。計算得到的荷載—沉降曲線幾乎為直線，說明樁端土仍處于彈性階段。鑒于豎向荷載下樁基的極限承載力常取5%D，所以設(shè)計方案符合承載力要求。

圖4為自左向右四排樁樁身軸力分布曲線。由于樁—板結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)邊界條件不同(主要是左側(cè)為土，右側(cè)為邊界)，在板的協(xié)調(diào)作用下，樁身軸力分布大相徑庭。主要表現(xiàn)為第一排樁軸力變化較大，第二、三、四排樁受力相近。四排樁的軸力均沿樁身增大，表明樁側(cè)為負(fù)摩阻力，該結(jié)果產(chǎn)生的原因是:樁身支撐在強(qiáng)風(fēng)化巖石上，樁身本身的壓縮量和下沉量很小，而樁周土在自重和板底荷載的綜合作用下，沉降較大，大于樁體沉降。

如前所述，樁端支撐在持力層上，樁身自身的壓縮和沉降較小，在結(jié)構(gòu)形式和土層分布的共同作用下，樁身將產(chǎn)生彎矩。圖5為樁身彎矩分布曲線。從圖5中可知，彎矩沿深度減小，說明樁端持力層有一定的固定樁端的作用。第一排樁的樁身彎矩最小，第四排樁的樁身彎矩最大。換言之，在場地采用樁—板結(jié)構(gòu)加固時，樁身會產(chǎn)生大的彎矩，若該彎矩大于混凝土管樁的抗彎剛度，那么該地段不便于使用預(yù)制混凝土管樁。

圖3 荷載—沉降曲線

圖4 樁身軸力曲線

圖5 樁身彎矩分布

GB 13476—2009先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁第5.2混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力值［1］規(guī)定預(yù)應(yīng)力管樁的抗彎剛度，見表2。其中樁徑為600 mm、壁厚為110 mm的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(A類)的抗裂剛度為167 kN·m，極限抗彎剛度為250 kN·m。仍不能滿足文中計算的管樁樁身抗彎要求，因此，管樁樁—板結(jié)構(gòu)使用時，不僅要滿足承載力要求，更重要的是驗(yàn)證樁身抗彎剛度。

表2 管樁抗彎性能［1］

4 結(jié)語

預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管樁是一種廣泛使用的軟基加固方法，管樁往往結(jié)合鋼筋混凝土板使用，加至板頂?shù)暮奢d通過板傳遞給樁和樁周土，樁頂常常受偏心荷載作用，因此產(chǎn)生樁身彎矩。文中通過某軟基加固工程，通過三維有限元軟件ABAQUS計算了四排梅花形布樁的預(yù)制混凝土管樁樁—板結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示:管樁荷載—沉降曲線滿足承載力要求;管樁樁身軸力分布滿足管樁剛度要求;然而，管樁樁身產(chǎn)生大的彎矩，超過了設(shè)計管樁的抗彎剛度，因此不能滿足抗彎要求。由該計算結(jié)果可知，管樁設(shè)計時，既要驗(yàn)證承載力，又要考慮樁身抗彎。