劲性复合桩的承载力分析

2016-08-23陆俊俊合肥工业大学安徽合肥230009

安徽建筑 2016年3期

陆俊俊　（合肥工业大学，安徽合肥230009）

劲性复合桩的承载力分析

陆俊俊（合肥工业大学，安徽合肥230009）

劲性复合桩基作为一种重要的基础形式，它具有承载力高、沉降小、造价低等优点。以禹洲地产南京雨花台项目为研究背景，通过承载力设计值计算、现场试验以及ANSYS有限元模拟分析，对等芯劲性复合桩承载力和荷载传递机理进行了分析比较。分析得出：劲性复合桩单桩竖向抗压承载力实验值与有限元值相符，偏差较小，且远大于单桩竖向抗压承载力设计值；劲性复合桩在桩身未发生破坏的情况下，其桩侧摩阻力和桩端阻力分别承担竖向荷载的90%和10%。

等芯劲性复合桩；静荷载试验；有限元；荷载传递规律

1　概述

许多沿海以及内陆河流地区，广泛分布着软弱土，此类土在外部荷载作用下，地基的承载力低，沉降大，且沉降持续时间较长。劲性复合桩基作为一种重要的基础形式，它具有承载力高、沉降小、造价低等优点。

劲性复合桩自20世纪90年代在我国首次应用以来，不少学者对其进行了研究分析。2003年董平等[1]运用有限元软件分析研究了劲性复合桩在竖向荷载作用下桩周土与桩内外芯的应力比，发现劲性复合桩的工作方式接近摩擦桩。2008年盛桂琳等[2]以某工程为依托，通过ANSYS建立三维有限元模型，对劲性复合桩单桩复合桩基在竖向荷载作用下的工作性状进行了数值分析。2011年陈华顺等[3]以某公路试验段工程为依托，长芯劲性复合桩荷载传递机理和桩侧摩擦力进行了探讨，提出了长芯劲性复合桩荷载传递和扩散的双层模式，并分析了双层模式中各层地基的荷载传递机理和工作机理。

本文以禹洲地产南京雨花台项目为研究背景，通过承载力设计值计算、现场试验以及ANSYS有限元模拟分析，对等芯劲性复合桩承载力和荷载传递机理进行了分析比较。

2　工程概况

该工程位于江苏省南京市雨花台区，该地区属于新近沉积土场地，上面覆盖的土层主要为饱和的淤泥质粉质粘土、呈“千层饼状”的粉质粘土与粉砂互层土。根据场地的地质条件和建筑物的特点，如果采用钻孔灌注桩，成桩过程中的泥浆对周围环境污染比较严重，且成桩的质量难以保证；如若采用常规压桩工艺的管桩，由于场地上部存在很厚的淤泥质粘土层，压桩过程中“挤土效应”会比较明显，且目前国内施工机械难以穿过3层粉细砂层，成桩困难。因此该项目选用等芯劲性复合桩基础。

3　静荷载试验

3.1试桩设计

本次静荷载试验选用桩径为900mm的等芯劲性复合桩，芯桩为600PHC-A-130型预应力混凝土管桩（见图1）。其中水泥参量宜为12%～18%，外芯层厚度为150mm。

图1　桩身构造详图

3.2试桩竖向抗压承载力计算

根据《劲性复合桩技术规程》（JGJ/T327-2014）[4]4.3节中的相应对劲性复合桩竖向抗压承载力进行计算，其计算结果如表1所示。

根据《预应力混凝土管桩设计图集》中的PHC管桩桩身承载力与裂缝控制指标表格，可以查到600PHC-A-130型管桩的桩身轴心受压承载力设计值（未考虑压强影响）R=4824kN。综合以上承载力计算结果，预估的单桩竖向抗压承载力特征值取3100kN。

1#劲性复合桩单桩竖向抗压承载力计算　表1

3.3试验加载

按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）[5]和《建筑桩基检测技术规范》（JGJ206-2014）[6]中的有关条文，静荷载试验每级加载量为预估极限荷载的1/10，第一级可按2倍分级荷载加载，故本次试桩静荷载试验每级加载量为600kN，第一级加载量为1200kN，最终加载量不小于6200kN。每级荷载加载后间隔5min、10min、15min各读表一次，以后每隔15min读表一次，累计满1h后每隔30min读表一次。加载终止条件为：

①某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍，且桩顶总沉降量超过80mm；

②某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定。

3.4实验结果的整理和分析

1#试桩的实验数据经整理得出的Q-S曲线如图2所示。试桩在荷载逐级加载的过程中，其沉降曲线的斜率逐渐增加，当荷载加载到6200kN后，沉降曲线尾部斜率在荷载增加的情况下极具增大，直至桩身失去工作性能。

4　ANSYS有限元模拟

4.1有限元模型建立与求解

4.1.1计算模型

该劲性复合桩竖向承载力问题为中心对称问题，取1/4桩进行计算，模型结构如图3所示，其中桩的结构和尺寸和静荷载试验试桩相同。同时，根据竖向荷载的影响范围，模型桩周土的取值范围为：纵向深度50m，水平方向取边长为4.8m的正方形。

图2　1#试桩Q-S曲线

图3　1/4模型结构图

4.1.2材料参数

模型中的土体采用Drucker-Prager（DP）材料，其模型计算中的材料参数如表2所示。

模型计算中的材料参数　表2

4.1.3单元的选取和划分

本次有限元模型采用SOLID45单元来对其进行模拟。桩土接触属于边界非线性问题，有限元建模时在桩与土之间引入面—面接触单元模拟桩与土之间的剪力传递和相对滑移。本文选择刚体—柔体的接触单元来模拟桩土交界面的非线性。

关于试件的单元网格划分，本次模拟均采用映射网格划分，桩身网格尺寸为10mm×10mm×10mm。该模型网格划分如图4所示，该模型共划分了62602个单元，其中进行搅拌桩被划分成了30552个单元。

图4　有限元网格划分示意图

4.2有限元模型计算结果分析

4.2.1竖向位移结果分析

本章1#试桩进行了有限元模拟分析，分析过程中通过分级加载计算出相对应的竖向位移，并将其绘制成Q-S曲线如图5所示。其后将有限元分析结果与静荷载试验结果置于同一坐标系中进行比较，如图6所示。可以看出ANSYS有限元模拟分析得出的Q-S曲线与静荷载试验得出的Q-S曲线存在一定的偏差，但是总体上的走势还是较为接近的。