钢纤维混凝土桩静载试验数值模拟

欧阳芳, 韩建伟, 邓小宁, 张建经

(1. 西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都　610031;　2.广西建筑科学研究设计院， 广西 南宁　530221;　3.郑州中核岩土工程有限公司， 河南 郑州　450002)



钢纤维混凝土桩静载试验数值模拟

欧阳芳1, 韩建伟2, 邓小宁3, 张建经1

(1. 西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都610031;2.广西建筑科学研究设计院， 广西 南宁530221;3.郑州中核岩土工程有限公司， 河南 郑州450002)

[摘要]为了研究钢纤维混凝土桩的承载性能，利用FLAC(3D)对钢纤维混凝土桩的静载试验进行了模拟。使用模型试验的参数建立分析计算模型。通过与试验中的p-s曲线和桩身应变的比较，验证了模型的正确性。以此模型为基础研究了桩周土体粘聚力和桩体摩擦角对钢纤维混凝土桩变形的影响。由计算结果发现，当桩周土体的粘聚力较小时，适当增大桩周土体的粘聚力，有利于减小桩体发生塑形变形后的沉降量。适当增大钢纤维混凝土桩的摩擦角，有利于提高桩体的刚度，减小桩体发生塑性变形后的压缩量。

[关键词]钢纤维混凝土桩; 粘聚力; 摩擦角; 变形

0引言

钢纤维混凝土是将短的、不连续的钢纤维随机分布于混凝土中而形成的一种新型复合材料。钢纤维的掺入对混凝土有阻裂、增强和增韧的作用。这使得钢纤维混凝土具有如下的物理力学性质： ①因钢纤维的高弹性模量而使得钢纤维混凝土具有较高的抗拉[1]、抗压[2]和抗剪性； ②较好的抗裂性能[3]； ③良好的抗冲击性能[4]以及较好的抗疲劳性能[5]； ④较好的韧性。1971年伦敦希思罗机场停车场的可卸式隔板第一次使用了钢纤维增强混凝土作为结构材料。检查报告显示，这些板在使用5 a后没有开裂迹象[6]。自80年代起，钢纤维混凝土已在我国道路[7]、桥梁[8]、隧道[3]、室内结构、飞机跑道[9]和水工堤坝[10]等结构中获得日益广泛的应用。

将钢纤维用于预制混凝土桩中，就形成了钢纤维混凝土桩。钢纤维混凝土桩一经投入使用，即显示出了较好的应用景[11-13]。然而至今为止，对钢纤维混凝土桩的研究较少。本文借助于FLAC3D对钢纤维混凝土单桩静载试验进行模拟，通过对比分析实测资料和计算结果的p-s曲线和桩身应变曲线，验证了模型的正确性。在此基础之上，分析了桩周土体粘聚力和桩体摩擦角对承受竖向荷载的桩体承载性质的影响。

1建立分析模型

1.1分析模型

FLAC3D的计算分析模型参照试验模型。由对称性，在实际分析中，只取模型的一半，如图1所示。模型外部尺寸为1.0m×1.0m×1.0m，固定模型四个侧面和底面；桩长0.8m，直径为4.5cm，桩体的底端支承在模型箱底部之上，桩侧为砂土；上部分为砂土，厚0.8m，下部分为模型箱底部，模型箱底部设为0.2m。

图1　计算模型Figure 1　Computation model

1.2材料参数

考虑到试验中桩体不完全处在弹性范围内，故钢纤维混凝土桩材料采用Mohr-Coulomb模型，土体也采用Mohr-Coulomb模型，模型箱底部采用弹性模型，其基本没有变形。模型材料的参数如表1和表2所示。

表1 材料的弹性参数Table1 Theelasticparameterofthematerial密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比桩体243792000.25砂土1650200.35下卧层78002100000.3

表2 桩体和砂土的参数Table2 Theparameterofthepileandthesand粘聚力/kPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa膨胀角/(°)桩体3500556.3117砂土938012

2计算模型的验证

2.1p-s曲线

由图2 实测值和计算值的p-s曲线可发现，计算值与实测值较为接近。在20MPa以后，实测的p-s曲线不再为直线；而计算模拟的桩体的p-s曲线与此类似，也在20MPa以后，桩体的沉降速度增大。

图2　p-s曲线Figure 2　p-s curves

2.2桩身应变曲线

对比计算和实测的桩身中部的应力-应变图，见图3。其中“实测-19cm”表示桩顶以下19cm位置的应力-应变实测曲线；“计算-19cm”则表示桩顶以下19cm位置的应力-应变数值计算曲线。由图3可发现计算和实测的桩身中部的应变值拟合较好。由实测值和计算值的p-s曲线和桩身中部的应力-应变曲线对比图可发现，所选用的模型和计算算法能较好地模拟实际的模型的试验状况。

图3　桩身中部应力-应变图Figure 3　The stress-strain curves of the pile part

3参数分析

3.1桩周土体粘聚力的影响

为了分析桩周土体的粘聚力对桩体的受力和变形的影响，共取6个工况：c=0，4.5，9，13，16，20kPa。对比不同工况的p-s曲线(见图4)，以及桩体发生陡降后的沉降情况。由图p-s曲线可发现，桩周土体取不同粘聚力时，p-s曲线基本都在20MPa范围内表现为弹性，且不同曲线在弹性阶段基本一致。但在22MPa以后，同一应力作用下，桩体的沉降存在一定的差别。

图4　p-s曲线Figure 4　p-s curves

由p-s曲线可知，22MPa以后，不同曲线的沉降值不太一致。为了方便比较，将22～24MPa划分为不同的应力区间，如22～22.3MPa，将该区间内的沉降值除以应力区间长度，得到单位应力下的沉降，这个沉降值定义为单位沉降。作不同应力区间内，土体粘聚力-单位沉降曲线，如图5所示。由图可看到，22～22.3MPa范围内，桩体的单位沉降较小；自23.2MPa以后，不同应力区间内的单位沉降基本一致。这表明桩体发生塑形变形后，沉降较快，但当荷载较大时，沉降速度减慢。此外，当粘聚力在0～20kPa以内变化时，不同应力段的单位沉降值基本随着粘聚力的增大而减小，但减小的速度随着粘聚力的增大而减小。即增大桩周土体的粘聚力，有利于减小沉降值，且当粘聚力较小时，现象更加明显。

图6为不同土体粘聚力工况的应力-单位沉降曲线。由图可发现，各曲线随着应力的增大，单位应力下的沉降值基本都随之增大。同一应力下，土体粘聚力为0的工况的单位沉降值最大，土体粘聚力为9kPa的工况次之，土体粘聚力为13，16，20kPa的工况的沉降值较为接近，且单位沉降值都较小。

图5　不同应力段的单位沉降Figure 5　Settlements at the respective stress ranges

图6　不同土体粘聚力下的单位沉降值Figure 6　Settlement of soil with different cohesion

由此可发现： 当土体粘聚力较小时，适当增大粘聚力，有利于减小桩体发生陡降后的沉降值。

3.2桩体摩擦角的影响

图7为不同桩体摩擦角工况的p-s曲线。由图可发现，桩体摩擦角为53°时，桩体在20MPa时沉降较大，在22MPa时发生陡降；桩体摩擦角为55°时在23MPa附近发生较大的沉降，但其最终沉降量比“桩体摩擦角=53°”的工况的最终沉降量小；桩体摩擦角为57°、59°和61°时，桩体的p-s曲线较为接近，且在0～23.8MPa范围内基本为直线，即桩体基本处在弹性范围内。比较不同桩体摩擦角工况可知，桩体在弹性阶段的p-s曲线基本重合。桩体摩擦角越大，桩体进入塑性阶段的应力越大。这表明适当增大桩体的摩擦角，有利于提高桩体的刚度。

图7　p-s曲线Figure 7　p-s curves

由p-s曲线可发现: 20MPa以后，各工况的沉降值不太一致，为方便比较，列出20MPa以后不同应力区间的单位沉降。将20～23.8MPa按0.3MPa区间长度划分为不同的区间，得到不同应力区间内的单位沉降值，如图8所示。比较桩体摩擦角分别为57°、59°、61°的工况，发现这三个工况的应力-单位沉降曲线基本一致，各曲线的单位沉降值在20～23.8MPa内基本一致，且都较小，这表明这三个工况的桩体在应力范围内基本为弹性。桩体摩擦角为53°和55°的工况随着应力的增大，单位沉降值增大。且在同一应力作用下，桩体摩擦角为53°的单位沉降值较大。这表明适当增大桩体的摩擦角，能减小桩体发生塑性变形后的压缩量。

图8　不同桩体的单位沉降Figure 8　Settlement of different piles

4结论

通过对钢纤维混凝土桩单桩静载试验进行数值模拟，分析了桩周土体粘聚力和桩体摩擦角对其受力和变形的影响，主要结论如下，

① 桩周土体对桩体发生塑形变形时的应力基本上没有影响。当桩周土体的粘聚力较小时，适当增大桩周土体的粘聚力，有利于减小桩体发生塑形变形后的沉降值。

② 适当增大钢纤维混凝土桩的摩擦角，有利于提高桩体的刚度，减小桩体发生塑性变形后的压缩量。

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Analysis on Static Loading Test of Steel Fiber Reinforced Concrete Piles by Numerical Simulation

OUYANG Fang1, HAN Jianwei2, DENG Xiaoning3, ZHANG Jianjing1

(1.Southwest Jiaotong University Civil Engineering Institute，Chengdu，Sichuan 610031， China;2.Guangxi institute of Construction Science & Research，Nanning，Guangxi 530221，China;3.China Nuclear Engineering Group Co．Zhengzhou Nuclear Geotechnical Engineering Co., Ltd，Zhengzhou，Henan 450002，China)

[Abstract]This paper studied the static loading test of the steel fiber reinforced concrete pile by FLAC(3D).The load-bearing properties of this pile has been studied. The comparison of the simulation results and the experimental findings of p-s curves and the strain along the pile proved the model is correct. On this basis, the influences of the soil cohesion and the friction angle of the pile to the deformation of the pile have been involved. From the numerical computing results, when the cohesion of the soil is small, the settlement of the pile after it reaches the plastic phase decreases with increase in the cohesion of the soil. While the larger friction angle of the pile leads to higher stiffness of the pile, and it also leads to smaller pile compression after it reaches the plastic phase.

[中图分类号]TU 528. 572

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0020-04

[作者简介]欧阳芳(1990-)，女，湖南益阳人，博士，主要从事地基处理和岩土地震工程学方面的研究工作。

[基金项目]国防基础科研计划(B0220133003)

[收稿日期]2014-09-18