承台－倾斜桩体系承载力性状分析

邵 勇,朱进军,马庆华

（连云港职业技术学院建筑工程系,江苏连云港 222006）

承台－倾斜桩体系承载力性状分析

邵 勇,朱进军,马庆华

（连云港职业技术学院建筑工程系,江苏连云港 222006）

预应力管桩在施工中发生桩身倾斜的现象屡见不鲜。为得到承台连接下倾斜桩的承载力特性,通过现场实测数据反演得到了合理的土层及桩体参数,之后建立数值模型,分析了承台下有2根桩且其中1根桩为倾斜桩的结构体系,在3种不同倾斜方向工况下的承载力性状。研究结果表明：单根桩体倾斜对承载力的影响不大,特别是工况1条件下,桩体倾斜对承载力的影响甚微；桩身轴力随着桩体倾斜程度的增加而增大,仅在工况1中倾斜桩的轴力发展趋势为先增大后减小。3种工况下桩身弯矩分布特征类似,且桩顶弯矩最大；但是当桩体倾斜方向不同时,桩顶正负弯矩也不同。综合来看,3种工况的承载力大小为工况1＞工况2＞工况3。

桩基工程；倾斜群桩；承台；承载力；数值模拟

2015,32（12）：98－102

1 研究背景

在软土地区进行工程建设时,由于其工程地质性质较差,往往采用桩基础,预应力管桩以其诸多优势在工程中得到了广泛应用[1－3］；但是由于施工扰动、土方开挖等原因,管桩经常发生倾斜事故,给工程建设带来困难[4－6］,因此对倾斜桩的承载力特性及倾斜桩处理措施的研究显得非常必要。

国内外一些学者对此已有研究,并取得了一定的成果。郑刚等[7－9］采用模型试验、数值模拟等方法对单根倾斜桩的承载力特性以及倾斜桩的加固措施进行了研究,得到了一些规律性的认识；王新泉等[10］采用模型试验对倾斜桩的承载性能进行了研究,并拟合了倾斜桩极限承载力与倾斜角度的关系；Gerolymos等[11－12］采用数值模拟手段对倾斜群桩在地震荷载下的工作性状进行了研究；梁发云等[13］采用模型试验研究了土体侧移对单桩及双排桩工作性状的影响；陈荣保等[14］采用数值模拟对带承台倾斜群桩的弯矩分布特征进行了研究,得到了倾斜单桩与倾斜群桩受力特征的区别。前人的研究主要集中在倾斜单桩承载力性状方面,而对群桩倾斜的研究较少,对带承台的倾斜群桩承载力特征尚无明确描述,而实际运用中管桩均与承台连接使用,因此对承台－倾斜桩的承载力性状研究更具现实意义。

本文以连云港海相软土条件下桩基工程为例,研究带承台倾斜群桩的承载力性状。首先选取倾斜桩工程实例数据进行数值模拟拟合,反演得到软土的物理力学参数,进而分析群桩的倾斜角度及倾斜方向对带承台倾斜群桩的承载力、弯矩分布的影响。

2 现场试验数据反演

为了保证数值模拟所用参数的正确性,用现场单桩承载力实测数据进行反演。试桩位于连云港地区,地基中存在数米厚的淤泥质软土。

连云港市地区在大地构造上属中朝地台、鲁东古隆起地块。岩土种类既有古老的变质岩,又有近代沉积的海相淤泥。根据地形地貌可分为构造剥蚀山地、山前堆积台地及海积平原3个工程地质区,试桩区域位于海积平原上。根据钻探资料,试桩区域主要地层描述如下。

①黏土：黄褐色,土质均匀,切面光滑,无摇震反应,强度中等,韧性中等,可塑—软塑状态。

②淤泥：灰青色,土质均匀、细腻,具腥臭味,切面光滑,饱和,流塑状态。

③粉质黏土：褐黄色,夹灰绿色,土质均匀,具层理,切面光滑,无摇震反应,干强度较高,韧性较高,可塑—硬塑状态。

④黏土：褐黄色,夹灰绿色,土质较均,切面有光泽,干强度高等,韧性高等,无摇震反应,可塑—硬塑状态。

⑤全风化片麻岩：灰黄色,夹灰白色,原岩结构构造已经被破坏,风化成砂土状,手捏易碎,风化不均,密实。

⑥强风化片麻岩：灰黄色—灰白色,岩芯多呈碎块状,少量短柱状,粒状变晶结构,片麻状构造,手捏可碎,岩体结构面距离＜0.2 m,单轴饱和抗压强度平均值为2.62 MPa,标准值为2.42 MPa。

⑦中风化片麻岩：灰黄色—灰白色,岩芯呈短柱状或柱状,敲击声脆,粒状变晶结构,片麻状构造,岩体结构面0.2～0.3 m,单轴饱和抗压强度平均值为10.71 MPa,标准值为10.07 MPa。

预应力管桩桩长24 m,入土深度为23.8 m,直径为500 mm。实测与计算数据拟合结果见图1,其中计算数据略大,这是由于实测数据为加载2 h读数,而计算数据为计算至最终稳定状态的数据。从拟合结果来看,数值模拟采用的参数是合理的。土层物理力学参数见表1。

表1 地基土的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soils

3 数值模型及计算条件

数值模拟采用有限差分软件FLAC3D,模型尺寸根据文献[2］中建议取值,模型长宽均为30 m,高为50 m,承台采用实体单元模拟,管桩采用软件自带的结构单元pile模拟,为端承摩擦桩,桩与承台为固定连接。承台弹性模量为33 GPa,管桩弹性模量为29 GPa,桩长为24 m,如图2所示。计算时岩土体本构为摩尔-库伦模型,物理力学参数采用表1中数据。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

数值模拟边界条件为：在模型底部施加全约束；模型四周约束其水平向变形；模型顶部无约束。

模拟时取2根桩加承台为研究对象,其中1根桩为竖直桩,另1根为倾斜桩,取倾斜程度为0%,1%,2%,4%,6%,8%,12%共7种工况,倾斜方向如图3所示。文中的倾斜角度为倾斜位移与桩长的百分比。

图3 倾斜桩倾斜方向示意图Fig.3 Schematic diagram of inclined direction of the pile

工况1为桩体向远离竖直桩方向倾斜,工况2为向靠近竖直桩方向倾斜,此2种工况定为水平向倾斜（与承台长轴方向平行）,工况3为垂直向倾斜（与承台长轴方向垂直）。

4 计算结果分析

4.1 桩体倾斜对承载力的影响

管桩与承台连接之后由于其承载力较大,很难进行现场静载试验,然而数值模拟技术可以解决这样的问题。本文针对上述3种工况进行了计算,结果见图4。

从图4中可以看出,单根桩体倾斜对承载力的影响不大,特别是工况1条件下,桩体倾斜对承载力的影响甚微,这与不考虑承台仅研究倾斜单桩的结果有所区别,即桩体倾斜并未明显减低承台－桩体系的承载力。这是由于承台及竖直桩限制了倾斜桩的位移发展,承台与桩组成了一个框架体系,因此,当其中1根桩倾斜时,整个体系的承载力并未明显减低。

图4 各工况荷载与沉降的关系曲线Fig.4 Relationship between load and settlement under different working conditions

对比图4（a）至图4（c）的沉降量可看出,工况3最大,工况1最小。为了更加清晰地表达该关系,现以倾斜程度为10%及12%为例,对比荷载为8 100 kN条件下的各工况桩体的沉降,见图5。图5说明桩体倾斜方向对承台－倾斜桩的承载力也有影响,结果显示相同条件下垂直向倾斜时承载力最低,桩体向内侧水平向倾斜时承载力居中,桩体向外侧水平向倾斜时承载力最高。

图5 荷载8 100 kN下各工况的计算结果对比Fig.5 Relationship between calculated settlement and working condition under load of 8 100 kN

4.2 桩身轴力分布特征

以荷载为8 100 kN的计算结果为例,分析承台－倾斜桩体系中竖直桩及倾斜桩的轴力情况,计算结果显示倾斜桩及竖直桩的轴力分布特征相同,即桩顶轴力均最大,然后向桩底逐渐减小至0,因此只比较各工况下桩顶轴力,分析结果见图6。

图6 各工况倾斜程度与桩身轴力的关系Fig.6 Relationship between axial force of pile shaft andinclined degree under different working conditions

从图6中可以看出,各工况下竖直桩的轴力随着倾斜程度的变化规律不尽相同。而且倾斜桩的桩顶轴力发展趋势有别于竖直桩,在工况1条件下,桩顶轴力随着倾斜程度的增加先增大后减小,而且当倾斜程度约达6%之后,小于竖直桩的桩顶轴力。工况2、工况3倾斜桩桩顶轴力随着倾斜程度的增加均呈增加趋势,且均大于未倾斜时的轴力。另外从桩顶轴力数值上来看,工况1最小,工况2居中,工况3最大。

4.3 桩身弯矩分布特征

仍然以8 100 kN下的计算结果为例来分析桩身弯矩,其分布情况如图7所示,其中纵轴表示桩长,0 m处为桩顶,－24 m处为桩底,图7为各工况条件下倾斜程度为10%的计算结果。计算结果显示桩身弯矩分布也有别于未考虑承台的倾斜单桩,未考虑承台的倾斜单桩最大弯矩位于桩身上部桩顶以下。

图7 桩身弯矩分布Fig.7 Moment distribution of the pile shaft

从图7中可以看出,工况1条件下体系中倾斜桩与竖直桩均产生了较大弯矩,且最大弯矩为正且均位于桩顶,在桩身下部产生了较大的负弯矩,但数值小于桩顶的负弯矩。从弯矩值来看,倾斜桩要大于竖直桩。工况2条件下桩身弯矩分布与工况1的区别在于桩顶为负弯矩,桩身下部为正弯矩,这是由于这2种工况桩的倾斜方向相反所致。而工况3桩身弯矩分布与工况2类似,但是数值上要小得多,且倾斜桩与竖直桩弯矩值基本相同。从弯矩分布特征来看,可以认为承台与桩顶连接处的刚度对体系的承载力有较大影响,因此在实际操作时可以通过提高此处刚度来保证承台－倾斜桩体系的安全性。

其他情况计算结果均与此类似,因此在比较时仅给出各工况的桩顶弯矩。比较结果见图8。

从图8中可以看出3种工况下,随着倾斜程度的增加,桩顶弯矩也逐渐增大,仅工况3中倾斜桩的弯矩值变化规律存在波动,但整体发展趋势未变。另外从弯矩值来看,倾斜桩的桩顶弯矩要大于竖直桩,工况3条件下桩顶弯矩明显小于其他工况,工况2略大于工况1。

图8 各工况倾斜程度与弯矩的关系Fig.8 Relationship between moment at the top of the pile and inclined degree under different working conditions

5 结 语

通过对承台－倾斜桩结构体系承载力、桩身轴力以及桩身弯矩的计算分析,现总结如下：

（1）3种工况条件下,桩体倾斜对体系承载力的影响甚微,说明在承台－倾斜桩结构体系中个别桩体的倾斜不影响整体的承载力。通过对比3种工况下体系承载力可知,工况1最大,工况3最小。

（2）随着桩体倾斜程度的增加,3种工况下倾斜桩及竖直桩的轴力均有所增加,仅工况1条件下倾斜桩轴力呈先增大后减小趋势,且当倾斜程度达6%以后小于竖直桩的桩身轴力。

（3）从弯矩分布特征来看,3种工况下桩顶弯矩值均最大,桩身下部均存在与桩顶符号相反的弯矩值；但是,桩体倾斜方向不同,其弯矩正负号也不同,工况2和工况3的桩顶存在负弯矩,工况1桩顶存在正弯矩。

文中仅对承台－桩体系中1根桩发生倾斜情况下的桩身承载力进行了研究,今后将展开2根桩均倾斜时体系承载力的研究,并分析承台与桩顶连接处的刚度对体系承载力的影响。

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（编辑：黄 玲）

Bearing Capacity Behavior of Inclined Pile-cap System

SHAO Yong,ZHU Jin-jun,MA Qing-hua
（School of Architectural Engineering,Lianyungang Technical College,Lianyungang 222006,China）

Accidents such as inclination of pile shaft are common in the construction of prestressed concrete pipe pile.In order to get the bearing capacity behavior of inclined pile-cap system,firstly,we carried out in-situ tests and obtained rational parameters for strata and pile shaft.Then,we computed the structure system of cap with two piles,one of which is inclined,and discussed the system under 3 working conditions.The results show that：bearing capacity of the system is not much affected on the condition of inclination of one pile,in particular,the effect can be negligible under the working condition 3；then the pile's axial force increases with the increase of tilt degree of the pile shaft,only in the case 1,the axial force increases first and then decreases；furthermore,the distribution characteristics of moment is similar in three conditions：the maximum moment is located at the top of pile,but when the tilt direction is different,the pile moment's symbol is also different；in the general,the maximum value of bearing capacity for three conditions is case 1,followed by case 2,case 3.

pile foundation engineering；inclined pile group；cap；bearing capacity；numerical simulation

TU473

A

1001－5485（2015）12－0098－05

10.11988/ckyyb.20140578

2014－07－15；

2014－08－19

住房和城乡建设部科技计划项目（2015－K3－023）；江苏省建设系统科技项目（2015ZD37）；江苏省“六大人才高峰”高层次人才资助项目（2014－JZ－016）

邵 勇（1982－）,男,江苏连云港人,讲师,博士,主要从事岩土工程方面的教学及科研工作,（电话）13851289149（电子信箱）silinfe＠sina.com。