預(yù)測(cè)泡沫混凝土勁性樁極限承載力可行性研究
——基于指數(shù)曲線擬合法

孔秋平

(1.福建永強(qiáng)巖土股份有限公司 福建龍巖 364000; 2.福建省巖土與環(huán)境企業(yè)工程技術(shù)研究中心 福建龍巖 364000)

0 引言

泡沫混凝土是通過發(fā)泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿料均勻混合，經(jīng)泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成型。泡沫混凝土是一種利廢、環(huán)保、節(jié)能、低廉且具有不燃性的材料[1]。利用泡沫混凝土的密度、強(qiáng)度可調(diào)，在澆注成型的泡沫混凝土樁內(nèi)插入預(yù)應(yīng)力管樁可形成泡沫混凝土勁性樁。對(duì)鋼筋混凝土樁的單樁豎向極限承載力的獲得方式較多，其中工程上最常用的方法是靜載試驗(yàn)法。但實(shí)際工程中，一般采用工程樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。然而，靜載試驗(yàn)往往未能達(dá)極限破壞狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不完整，對(duì)單樁豎向極限承載力的判定不準(zhǔn)?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，提出采用多種曲線擬合預(yù)測(cè)極限承載力，其中常用的是指數(shù)曲線擬合法。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程試驗(yàn)，采用指數(shù)曲線擬合泡沫混凝土勁性樁靜載數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)勁性樁的極限承載力，并與數(shù)值模擬值及實(shí)測(cè)靜載值進(jìn)行對(duì)比分析，探討采用指數(shù)曲線預(yù)測(cè)泡沫混凝土勁性樁極限承載力的可行性。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)所概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于龍巖某廠房，場(chǎng)地及其附近地勢(shì)較緩，屬低丘緩坡地，為殘坡積丘陵地貌，侵蝕基準(zhǔn)面與地面標(biāo)高差大，地下水埋藏較深。

場(chǎng)地分布厚層素填土，平均厚度16.25m，主要由粘性土組成，內(nèi)含少量強(qiáng)風(fēng)化角礫，填土近8年，土層如圖1典型地質(zhì)剖面圖所示。土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地典型地質(zhì)剖面圖

1.2 靜載試驗(yàn)

1.2.1靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為便于分析同一工況條件下泡沫混凝土勁性樁，本次試驗(yàn)樁最長(zhǎng)10m，樁處于同一層土層中，相當(dāng)于摩擦樁。試驗(yàn)分為A、B、E 3組，為無芯樁、等芯樁及短芯樁，外芯為800mm直徑的泡沫混凝土樁，抗壓強(qiáng)度6MPa，內(nèi)芯為PHC500-100-AB管樁，強(qiáng)度C80。試驗(yàn)樁參數(shù)如表2所示，帶內(nèi)芯勁性樁成樁后樁頭如圖2所示。

表2 泡沫混凝土勁性樁試驗(yàn)一覽表

圖2 泡沫混凝土勁性樁成樁

對(duì)以上幾組試驗(yàn)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，獲得樁頂荷載與樁頂沉降數(shù)據(jù)，并繪制各試驗(yàn)樁Q～S曲線圖，如圖3所示。

圖3 各試驗(yàn)樁Q～S曲線圖

1.2.2指數(shù)曲線擬合法樁極限承載力預(yù)測(cè)[2-3]

根據(jù)范德溫(Vander vecn)提出的基本假設(shè)，Q～S曲線是符合指數(shù)方程：

Q=a×(1-e-bs)

其中，a、b為所求參數(shù)。根據(jù)以上曲線擬合靜載測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖4～圖6所示。

圖4 A組Q～S指數(shù)曲線擬合

圖5 B組Q～S指數(shù)曲線擬合

圖6 E組Q～S指數(shù)曲線擬合

根據(jù)指數(shù)曲線擬合，可求得a和b參數(shù)值，同時(shí)預(yù)測(cè)樁頂沉降40mm對(duì)應(yīng)的荷載值為極限承載力Q40,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 根據(jù)指數(shù)曲線預(yù)測(cè)的極限承載力和有關(guān)參數(shù)

2 勁性樁數(shù)值模擬分析

根據(jù)表1的土層參數(shù)，對(duì)以上3組試驗(yàn)樁采用abaqus進(jìn)行數(shù)值模擬，需要在樁身與土層以模擬二者相互移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的法向和切向作用。為了建模以及計(jì)算方便，對(duì)法向采用硬接觸，切向采用摩擦系數(shù)為0.4的摩擦接觸。泡沫混凝土及內(nèi)芯管樁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)如表4所示，模型圖如圖7所示。

通過模擬加載，繪制Q～S曲線，并提取變形最大的40mm對(duì)應(yīng)樁頂荷載為單樁極限承載力值，如圖8各組試驗(yàn)樁數(shù)值分析Q～S曲線及表5各試驗(yàn)樁數(shù)值模擬極限承載力值。

表4 結(jié)構(gòu)單元材料參數(shù)

圖7 模型網(wǎng)格劃分圖

圖8 各組試驗(yàn)樁數(shù)值模擬Q～S曲線

表5 各組試驗(yàn)樁數(shù)值模擬極限承載力值

3 勁性樁極限承載力分析

對(duì)勁性樁進(jìn)行指數(shù)曲線擬合及數(shù)值分析、實(shí)際靜載所得的極限承載力對(duì)比分析，如表6所示。

根據(jù)表6對(duì)比分析，A組為素泡沫混凝土樁，相比有芯樁的極限承載力小約6.0%，可見插入芯樁可顯著提高單樁承載力。B組為等芯樁，E組為短芯樁。B組極限承載力較E組提高約6.5%，即每米芯長(zhǎng)極限承載力增加約80kN。通過對(duì)靜載數(shù)據(jù)采用指數(shù)曲線擬合預(yù)測(cè)，單樁極限承載力值與數(shù)值分析所獲極限承載力值較接近，誤差在1.50%～2.42%，與實(shí)測(cè)靜載值誤差在2.22%～6.0%，可見指數(shù)曲線可較好地預(yù)測(cè)勁性樁的單樁極限承載力，可作為施工單位施工前的承載力預(yù)測(cè)，并對(duì)靜載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。

表6 指數(shù)曲線擬合、數(shù)值分析、實(shí)際靜載的極限承載力匯總表

4 結(jié)論

通過對(duì)泡沫混凝土勁性樁靜載數(shù)據(jù)的指數(shù)曲線擬合，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97以上，相關(guān)性較好，此見指數(shù)曲線擬合可用于勁性樁的單樁極限承載力預(yù)測(cè)。

指數(shù)曲線擬合對(duì)比實(shí)際靜載試驗(yàn)及數(shù)值分析所獲的極限承載力的誤差較小，進(jìn)一步表明指數(shù)曲線擬合可較好地預(yù)測(cè)勁性樁的單樁極限承載力，可為該種樁型的單樁極限承載力預(yù)測(cè)提供一定的借鑒或者一種預(yù)測(cè)分析方法。

本試驗(yàn)對(duì)無芯、等芯和短芯樁進(jìn)行試驗(yàn)分析，雖然有一定代表性，但對(duì)于長(zhǎng)芯樁試驗(yàn)、芯長(zhǎng)對(duì)承載力的影響還有待于進(jìn)一步研究。