谈荷载箱位置的变化对长桩自平衡试桩法的影响

孙全胜 宋金良

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

自平衡试桩法是最近几年新兴起来的检测单桩竖向承载力的试验方法，其具有测试方法简单灵活、占地面积小、节省材料以及测试时间短等多方面优点，已经在全国多地区及城市得到了推广应用。在该试验中，影响确定单桩竖向极限承载力的因素很多，其中荷载箱的放置位置的合适与否将会直接影响最终的试验值，因此应着重进行考虑。

1 自平衡试桩法的基本原理

自平衡测试方法是在距离桩端一定的距离处与钢筋笼处焊接荷载箱，荷载箱的位置按检测目的埋设，一般埋设在自平衡点处。在试验时通过桩基自身反力平衡的原理来达到测试的目的。在加载的过程中，由于油管是通过荷载箱的连接到达桩顶的，所以在加压时，首先桩身受力处是在荷载箱的位置处。在荷载箱处通过液压泵向桩体提供一对大小相等方向相反的作用力，则在荷载箱以上的桩段产生的摩阻力为桩侧负摩阻力，下段桩产生的为桩侧正摩阻力。随着压力的逐渐增大，荷载箱逐渐被推开，在最后一级荷载下桩基达到极限状态，从上述可以看出在荷载箱下段的桩体完全和传统静载法一样［1］。根据加载及向上、向下位移的唯一对应关系，可以绘出向上、向下Q—S曲线，如图1所示。经过试验所测得的上段桩与下段桩的侧摩阻力与桩端阻力之和即为桩的近似极限承载力，若要得到精确值还需经过转换公式进行相应转换。在试验前将钢筋传感器埋设在桩的不同的土层处，通过量测预先埋置在桩体内的钢筋传感器，通过相应的转化公式便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力及轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律，由于加载装置简单，多根桩可同时进行测试。加载装置及自平衡实验示意图如图2所示。

图1 自平衡测试法Q—S图

图2 桩基承载力自平衡试验示意图

2 工程概况

本工程地点位于哈尔滨市道里区一座高架桥，桥跨结构采用预应力混凝土简支转连续箱梁，根据高架桥结构受力特点及桥位处的地质情况，基础均采用钻孔灌注桩，基础为直径1.5 m，桩长58 m，设计要求的单桩承载力特征值为6 500 kN，桩身局部穿越且桩端嵌入粉砂质泥岩之中，属于超长钻孔灌注桩。

3 基于ANSYS的桩基有限元模拟与分析

本文主要通过ANSYS有限元软件对该超长桩进行建立模型，模拟实际桩—土关系，并探讨荷载箱分别位于自平衡点处、自平衡点以上及自平衡点以下对单桩极限承载力的影响。

3.1 有限元模型的建立

桩—土的ANSYS有限元模型是一类非线性的问题，它既非几何非线性也非材料非线性，而是一类边界条件非线性问题［2-5］，通过有限元通用软件ANSYS进行桩—土接触分析，模拟自平衡试桩实际的加载过程，从而获得上、下段桩的Q—S曲线，然后通过转化方法进而转换至桩顶从而获得桩顶的Q—S曲线，确定整个桩基的承载力。根据该工程的实际情况建立有限元模型如图3所示。

图3 模型单元图

在建立完基本几何模型，选择好“接触对”后对桩土共同体施加荷载，在施加荷载时注意与传统抗压桩的不同，通过通用后处理器进行提取桩体的位移及应力云图。

3.2 荷载箱位置的变化对桩基的性状影响分析

荷载箱的位置对于自平衡试桩法的最终试验结果至关重要，对于荷载箱正好放置在自平衡点处的桩基测试所得的承载力为极限承载力，那么如果荷载箱没有放置在自平衡点处对于桩基的承载力会有怎样的影响，本节着重讨论荷载箱放置在平衡点以上及以下时，对整个桩基承载力的影响。荷载箱位置不同情况下参数对比表见表1。

表1 桩基参数一览表(不同的荷载箱位置)

利用ANSYS对不同的荷载箱位置进行有限元建模得出在不同荷载箱位置处的荷载箱的位移云图如图4～图9所示。转化至桩顶的位移如表2～表4所示。

图4 N1桩1 300 kN荷载箱沉降图

图5 N1桩6 500 kN荷载箱沉降图

图6 N2桩1 300 kN荷载箱沉降图

图7 N2桩6 500 kN荷载箱沉降图

图8 N3桩1 300 kN荷载箱沉降图

图9 N3桩6 500 kN荷载箱沉降图

由表2～表4的数据将N1～N3的数据在同一坐标系下做出Q—S曲线如图10所示。

在图10中可以看出:若假设正好放置于平衡点上的桩基为极限承载力，那么放置于平衡点以上或者以下的桩基没有达到极限承载力。反映在Q—S曲线上可以看出三条曲线中最下面的是放置于平衡点时的曲线，而没有放置于平衡点时荷载—沉降曲线应该在上面。

表2 N1桩基荷载—沉降表(荷载箱至桩底17.5 m)

表3 N2桩基荷载—沉降表(荷载箱至桩底18.5 m)

表4 N3桩基荷载—沉降表(荷载箱至桩底19.5 m)

图10 荷载箱位置不同时桩顶荷载—位移曲线图

造成这种现象的主要原因分析如下:

1)放置于平衡点以上计算承载力时，假设上下段桩基都能达到极限承载力，然而实际上这种情况下，下段桩并未达到极限承载力。那么通过前述计算分析可知这种情况下的极限承载力与放置于平衡点时的承载力的比值是一个小于1的常数。这也就说明了放置于平衡点以上时桩基并未发挥其最大的潜能，Q—S曲线要在放置于平衡点的曲线上侧。

2)放置于平衡点以下计算承载力时，也是假设上下段桩基都能达到极限承载力，而此时上段桩没有达到极限承载力。计算出的承载力比值也是小于1的数值。Q—S曲线也要在放置于平衡点的曲线上侧。

3)对于放置于平衡点上侧与平衡点下侧的比较，由于下段桩存在桩端阻力的影响，所以此时相对于放置于平衡点上侧时测出极限承载力将会更小一些。这就是图10所反映的情况即:曲线从上至下依次为:a.平衡点以下;b.平衡点以上;c.平衡点。

4 结语

通过对该长桩的有限元的模拟分析可得出以下结论:

1)荷载箱的埋设位置对单桩的极限承载力影响很大，当荷载箱埋设在自平衡点处所测的单桩极限承载能力与工程实际能够相符合，埋设的位置偏上或偏下均会使得所测的单桩极限承载能力偏小。

2)对于荷载箱埋设位置位于自平衡点上方和下方两种情况而言，由于下段桩存在桩端阻力的影响，所以放置于平衡点下侧相对于放置于平衡点上侧时测出极限承载力将会更小一些。

3)在利用自平衡法对桩基检测时应根据工程实际的地质状况准确的计算并确定出自平衡点即荷载箱的埋设位置，这样才能准确的测得单桩的极限承载能力，进而为设计提供依据，保证工程的安全。

［1］张 利，唐增旺.自平衡试验技术在桩基承载力检测中的应用［J］.山西建筑，2010，36(17):108-109.

［2］王先军.ANSYS在模拟桩土接触中的应用［J］.森林工程，2006(3):49-51.

［3］刘 涛，杨凤鹏.精通ANSYS［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［4］殷宗泽，朱 泓.土与结构材料接触面的变形及其数学模拟［J］.岩土工程学报，1994(16):79-80.

［5］黄昌礼，谢肖礼.桩与土的相互作用非线性有限元分析［J］.广西大学学报，2002，27(2):175-178.