超高性能混凝土管樁承載能力及影響因素數(shù)值分析

黃家森

(廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

軟土地基當(dāng)中采用超高強(qiáng)度混凝土管樁施工具有較大的優(yōu)越性，主要是因?yàn)槠渚哂谐休d力高、工藝簡單、造價低以及效果好等特點(diǎn)。近年來，國內(nèi)學(xué)者對混凝土管樁施工進(jìn)行了一些研究，邱鶴、譚祥韶[1-2]以某工程為例，通過對傾斜預(yù)應(yīng)力管樁的分析，研究了樁長以及樁傾角變化對管樁承載力的影響，研究表明，當(dāng)管樁傾角達(dá)到一定值時，會對其極限承載力產(chǎn)生影響。徐燕、吳軍杰等[3-4]以沿海地區(qū)工程為研究分析對象，重點(diǎn)分析預(yù)應(yīng)力管樁的施工特點(diǎn)和加固機(jī)理，并對持力層、樁端入土深度、擠土效應(yīng)等進(jìn)行了分析。何旭龍、張超等[5-6]介紹了預(yù)應(yīng)力管樁具有的強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)以及施工方便、環(huán)保等特點(diǎn)，并以某鐵路軟基處理為研究對象，從預(yù)應(yīng)力管樁計算、方案設(shè)計和施工技術(shù)等方面作了詳細(xì)探討。慕雪、郭貝[7-8]在介紹預(yù)應(yīng)力管樁優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了其存在斷樁、上浮和傾斜等缺點(diǎn)，并以實(shí)際工程實(shí)例對在施工中應(yīng)采取的預(yù)防措施進(jìn)行了分析。目前的研究中，大多聚焦于預(yù)應(yīng)力管樁的施工工藝及其特點(diǎn)，少有分析預(yù)應(yīng)力管樁自身參數(shù)變化對其性能發(fā)揮的影響。鑒于此，本文主要以高強(qiáng)度混凝土(PHC)管樁和超高強(qiáng)度混凝土(UHPC)管樁為研究對象，分析了二者的承載能力，并重點(diǎn)分析了參數(shù)變化對UHPC管樁的軸向承載力影響規(guī)律，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計提供參考和借鑒。

1 概述

某橋梁工程下部結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)形式，本文將UHPC的特性與預(yù)制橋面板相結(jié)合，提出采用一種適用于裝配式橋梁的非預(yù)應(yīng)力UHPC管樁基礎(chǔ)。這種樁基礎(chǔ)不僅可以提高管樁的承載能力和混凝土耐久性，還取消了一般預(yù)應(yīng)力鋼筋的使用，取而代之的是普通帶肋鋼筋，其作為縱筋和接樁錨固鋼筋使用，可以在一定程度上提高裝配式樁基礎(chǔ)施工效率。

2 數(shù)值建模

本文為了探討超高性能混凝土管樁承載能力及參數(shù)影響特性，不指定工況。如圖1所示，采用大型有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值分析模型，假定管樁的外直徑為500 mm，混凝土壁厚為100 mm，分別建立UHPC管樁和PHC管樁模型，具體尺寸詳見表1。其中混凝土和鋼筋分別采用CSD8R三維實(shí)體單元和T3D2三維桁架單元，PHC管樁模型采用預(yù)應(yīng)力，本文預(yù)應(yīng)力的施加采用降溫法[5]，UHPC管樁采用大直徑縱筋代替預(yù)應(yīng)力鋼筋，表2為混凝土和鋼筋的物理力學(xué)參數(shù)，圖2為管樁鋼筋配筋示意圖。

圖1 數(shù)值模型圖

圖2 管樁鋼筋配筋示意圖

表1 模型的力學(xué)參數(shù)表

表2 材料的物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 UHPC與PHC管樁對比分析

為了對比UHPC管樁與PHC管樁二者的軸向承載性能，如圖3所示，提取得到了UHPC管樁與PHC管樁二者的軸力-位移關(guān)系曲線。由圖3可知，在管樁軸心受壓的彈性階段，軸力-位移曲線呈現(xiàn)出近似線性變化，二者達(dá)到峰值荷載后開始進(jìn)入非彈性階段。UHPC管樁在達(dá)到峰值荷載之后承載力明顯下降，持續(xù)加載直至管樁破壞，之后管樁的承載力大小基本趨于穩(wěn)定；PHC管樁在到達(dá)峰值荷載之后，位移迅速增大，即該管樁混凝土迅速開裂破壞，同時承載力下降，但由于預(yù)應(yīng)力存在，此時鋼筋仍未屈服，承載力出現(xiàn)緩慢上升的趨勢，隨著軸壓的不斷增大，鋼筋發(fā)生屈服，管樁整體破壞，之后管樁的承載力大小基本趨于穩(wěn)定。此外，由圖3可知，UHPC管樁的抗壓承載力明顯高于PHC管樁，UHPC管樁與PHC管樁極限承載分別為16 246 kN和4 978 kN，對應(yīng)的極限位移分別為5.14 mm和2.35 mm，即UHPC管樁極限承載力和極限位移分別為PHC管樁的3.3倍和2.2倍。

為了反映極限承載力狀態(tài)下管樁的特征，如圖4和圖5所示，以PHC管樁為例，提取得到了軸向荷載取4 978 kN時的管樁損傷云圖和鋼筋應(yīng)力云圖。由圖4～5可知，在軸向荷載取4 978 kN時，PHC管樁出現(xiàn)中間鼓包，兩端鼓曲現(xiàn)象，此時PHC管樁損傷最大，預(yù)應(yīng)力鋼筋和箍筋均開始發(fā)生屈服。對于UHPC管樁，在軸向荷載取16 246 kN時，只在鋼底座附近產(chǎn)生局部小范圍損傷，此時的縱筋和箍筋均沒有屈服，說明UHPC管樁可以承受更大的軸向荷載。

圖3 混凝土管樁軸力-位移關(guān)系曲線圖

(a)PHC樁

(b)UHPC樁

(a)PHC樁

(b)UHPC樁

3.2 影響UHPC管樁軸向承載力的參數(shù)分析

為了研究探索影響UHPC管樁軸向承載能力的因素，本節(jié)以上述UHPC管樁模型為例，采用控制變量法對混凝土壁厚d、混凝土強(qiáng)度以及箍筋配箍率的影響進(jìn)行分析。

3.2.1 混凝土壁厚d影響分析

為研究UHPC管樁混凝土壁厚d變化對其軸向承載力的影響，取壁厚d分別為80 mm、100 mm、120 mm三種工況，其他參數(shù)保持不變，圖6所示為監(jiān)測到的不同壁厚d時的管樁軸力-位移曲線。由圖6可知，不同壁厚時的軸力-位移曲線規(guī)律相同，即在未達(dá)到極限承載力之前，管樁軸力-位移曲線呈現(xiàn)出近似線性變化，在達(dá)到極限承載力之后，管樁逐漸出現(xiàn)脆性破壞，軸向變形緩慢增大，持續(xù)加載直至管樁破壞。對比三條曲線可知，壁厚d為80 mm、100 mm、120 mm時對應(yīng)的管樁極限承載力分別為13 580 kN、16 445 kN、18 876 kN，相比壁厚d取80 mm，壁厚d取100 mm和120 mm時管樁極限承載力分別增大了21.1%和39.0%，即隨著混凝土壁厚d的增大，管樁極限抗壓強(qiáng)度增大，且呈正相關(guān)增大規(guī)律。

圖6 不同壁厚d時軸力-位移曲線圖

3.2.2 混凝土強(qiáng)度影響分析

為研究UHPC管樁混凝土強(qiáng)度變化對其軸向承載力的影響，取混凝土強(qiáng)度分別為UHPC120、UHPC150、UHPC180三種工況，其他參數(shù)保持不變，圖7所示為監(jiān)測到的不同混凝土強(qiáng)度時的管樁軸力-位移曲線。由圖7可知，不同混凝土強(qiáng)度時的軸力-位移曲線規(guī)律相同。對比三條曲線可知，UHPC120、UHPC150、UHPC180對應(yīng)的管樁極限承載力分別為13 264 kN、16 445 kN、18 135 kN，相比混凝土強(qiáng)度取UHPC120，混凝土強(qiáng)度取UHPC150和UHPC180時管樁極限承載力分別增大了24.0%和36.7%，即隨著混凝土強(qiáng)度的增大，管樁極限抗壓強(qiáng)度不斷增大，且呈現(xiàn)出正相關(guān)增大規(guī)律。

圖7 不同混凝土強(qiáng)度時軸力-位移曲線圖

3.2.3 箍筋配箍率影響分析

為研究UHPC管樁箍筋配箍率變化對其軸向承載力的影響，如圖8所示，通過改變箍筋直徑D來改變箍筋的配筋率，分別取箍筋直徑D為5 mm、10 mm、15 mm三種工況，其他參數(shù)保持不變。由圖8可知，不同箍筋配箍率時的軸力-位移曲線規(guī)律相同，在未達(dá)到極限承載力之前，三種管樁軸力-位移曲線基本重合，即模型的抗壓剛度基本一致。對比三條曲線可知，箍筋直徑D取5 mm、10 mm、15 mm時對應(yīng)的管樁極限承載力分別為16 445 kN、16 856 kN、17 040 kN，相比箍筋直徑D取5 mm，箍筋直徑D取10 mm和15 mm時管樁極限承載力分別增大了2.5%和3.6%，即隨著箍筋配箍率的增大，管樁極限抗壓強(qiáng)度略微增大，說明通過提高箍筋配箍率對提高UHPC管樁極限承載力的作用微乎其微。

圖8 不同箍筋直徑D時軸力-位移曲線圖

4 結(jié)語

本文主要以PHC管樁和UHPC管樁為研究對象，分析了二者的承載能力，并重點(diǎn)分析了參數(shù)變化對UHPC管樁的軸向承載力影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)UHPC管樁的抗壓承載力明顯高于PHC管樁，PHC管樁與UHPC管樁極限承載分別為4 978 kN和16 246 kN，對應(yīng)的極限位移分別為2.35 mm和5.14 mm，即UHPC管樁極限承載力和極限位移分別為PHC管樁的3.3倍和2.2倍。

(2)改變混凝土壁厚、強(qiáng)度和箍筋配筋率等參數(shù)時，軸力-位移曲線規(guī)律均不變，在未達(dá)到極限承載力之前，管樁軸力-位移曲線呈現(xiàn)出近似線性變化，在達(dá)到極限承載力之后，管樁逐漸出現(xiàn)脆性破壞，軸向變形緩慢增大，持續(xù)加載直至管樁破壞。

(3)隨著混凝土壁厚、混凝土強(qiáng)度的增大，管樁極限抗壓強(qiáng)度均增大，且二者均呈正相關(guān)增大規(guī)律。

(4)隨著箍筋配箍率的增大，管樁極限抗壓強(qiáng)度略微增大，通過提高箍筋配箍率對提高UHPC管樁極限承載力的作用不明顯。