不同壁厚的大直徑管樁承載性能數(shù)值分析

馬雪濤,翟朝嬌,耿 坤

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院 安徽 合肥 230601)

20世紀(jì)80年代，大直徑預(yù)應(yīng)力混凝土管樁研制成功，在橋梁、一些海港工程已經(jīng)普遍應(yīng)用[1]。許多國內(nèi)外專家學(xué)者研究了樁的承載性能[2-7]?；炷凉軜兜奶攸c(diǎn)是成本比較低，剛度相對比較大,受力性能好。在樁基的設(shè)計(jì)中，單樁的極限承載力是一個關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)[8]。現(xiàn)場試樁試驗(yàn)成本高，而數(shù)值模擬是很好的方法，它可以降低成本。本文對不同性質(zhì)的土層條件下，不同等級豎向荷載作用下不同厚度大直徑管樁的承載性能進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告可以得到各土層物理力學(xué)相關(guān)參數(shù)，如表1所示。樁體采用C60混凝土。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

選取不同壁厚管樁進(jìn)行模擬分析，本次模擬選擇大直徑管樁，樁徑為3.6 m，樁長37 m，分別對壁厚為300 mm、400 mm、500 mm管樁進(jìn)行承載性能分析。對大直徑管樁采用分級加載的模擬方式，第1級加載應(yīng)力大小為1.38 MPa，每級增大0.46 MPa加載，共加載17級進(jìn)行豎向模擬。繪制沉降曲線分析承載性能。

1.3 計(jì)算模型

首先要根據(jù)樁長和樁徑確定整個模型的網(wǎng)格劃分，建立樁土相互作用模型，取整個模型尺寸劃分為72 m×72 m×72 m，如圖1所示。假定大直徑管樁體選取彈性模型，土體選取摩爾-庫侖塑性模型。為了方便計(jì)算，采用一半計(jì)算模型。模型計(jì)算時，固定X=-36 m和X=36 m面上所有的點(diǎn)的應(yīng)力和位移，約束水平方向上的位移，前方邊界固定Y=0 m和Y=36 m面上所有的點(diǎn)的應(yīng)力和位移，在模型的底部固定Z=-72 m面上所有點(diǎn)的應(yīng)力和位移，上部為自由邊界。

圖1 計(jì)算模型

2 結(jié)果分析

2.1 荷載沉降曲線

在不同的土層性質(zhì)條件下，利用有限差分法分別對壁厚為300 mm、400 mm、500 mm管樁進(jìn)行承載性能分析，其樁頂荷載沉降曲線如圖2所示。

圖2 管樁樁頂荷載沉降曲線

(1)隨管樁壁厚增加樁頂極限承載力而增大，壁厚300 mm的極限承載力約為9 660 kN，400 mm壁厚約為11 560 kN，500 mm的極限值約為13 500 kN。3條曲線加載前期是重合的，加載后期出現(xiàn)分離的變化趨勢,壁厚增加減少了樁頂?shù)某两怠?/p>

(2)在同一個試樁逐級加載的荷載作用下，樁頂沉降位移也隨著增加。同一等級荷載水平作用下，樁頂沉降位移也會隨著管樁的壁厚的增大而減少。

(3)不同壁厚的管樁的荷載沉降曲線均為陡降型曲線，在達(dá)到破壞時會有明顯的變化拐點(diǎn)，對應(yīng)的荷載即為極限承載力。

2.2 樁軸力計(jì)算與分析

壁厚為500 mm的管樁，在不同荷載逐級加載作用下的軸力分布，如圖3所示。

圖3 樁身軸力分布圖

從圖3可以看出，在同一荷載水平作用下，沿樁身往下軸力逐漸減小。由于樁側(cè)摩阻力的存在，至使到樁端軸力衰減很多。荷載沿著樁身傳遞，其軸力沿著樁身向下逐漸減小，這與樁土相互作用傳遞機(jī)理相符。在加載初期，樁端軸力很小甚至為零，管樁工作狀態(tài)為摩擦樁。土中同一深度的軸力在隨著荷載的增加而增加。在加載后期，樁身軸力分布曲線逐漸趨于平行狀態(tài)而且軸力曲線的斜率逐漸減小，說明管樁側(cè)摩阻力已經(jīng)充分發(fā)揮作用。

2.3 樁側(cè)摩阻力的結(jié)果分析

為了分析管樁側(cè)摩阻力，以壁厚為500 mm的管樁，當(dāng)樁頂有荷載時，由于樁土相互作用，使樁和土產(chǎn)生相對位移，出現(xiàn)阻止樁向下運(yùn)動的側(cè)摩阻力。側(cè)摩阻力通過樁體的力平衡求得。樁側(cè)摩阻力如表2所示。

表2 樁側(cè)摩阻力

從表2可以看出，隨著埋置深度的增大，樁側(cè)阻力不同程度的發(fā)揮作用，這與不同土層性質(zhì)相關(guān)。樁頂荷載的增加致使管樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，后趨于穩(wěn)定。上部土層逐漸發(fā)揮作用并提供了主要側(cè)摩阻力，樁端部分提供側(cè)摩阻力比較少。在樁頂逐級加載時，管樁端的阻力發(fā)揮作用逐漸增加。在極限荷載作用下，樁端阻力會發(fā)生較大差異的變化。即樁端阻力的變化規(guī)律隨著樁頂荷載的增大而發(fā)生非線性的變化。

3 結(jié) 語

(1)樁基設(shè)計(jì)對大直徑管樁的壁厚選取沒有依據(jù)，本文對不同壁厚的管樁進(jìn)行豎向承載性能分析，以便對大直徑管樁壁厚的選取提供依據(jù)。

(2)若壁厚過小，樁端土體會出現(xiàn)受壓沉降不均勻的現(xiàn)象，局部土體會出現(xiàn)破壞，致使樁基不能繼續(xù)承受豎向荷載，隨著管樁壁厚增加，樁端土體受壓均勻，能夠提供更多的承載性能，因此在樁基設(shè)計(jì)時，無論是保證豎向承載力還是抗彎性能，都應(yīng)考慮合理壁厚。

(3)隨著管樁壁厚的增加而其豎向承載力增大。但增加壁厚會增加施工成本，所以實(shí)際工程中要考慮合理管樁壁厚。