芙蓉堤涝区预应力混凝土桩性能分析

田明征

(江西省建洪工程监理咨询有限公司，江西 瑞昌 330096)

江西省气象水文和地形地貌条件特殊，暴雨频发，给下游人民生命和财产安全带来严重威胁，因此洪涝灾害防治一直以来都是全省灾害治理的重点[1-2]。堤涝区堤防加固是当前防洪措施中应用最广的方法，而预应力混凝土桩由于单位承载力造价低、成桩质量可控性强、质量检测方便等优点，在我国堤防工程中得到广泛应用[3-4]。目前国内外对预应力管桩的性能进行了部分研究。李红星等[5]开展了砂土场地基础的侧向荷载、侧向-扭转耦合荷载、循环荷载现场试验。根据柱顶倾角、泥面位移、扭转角和基础内的测试结果分析和对比了PHC短桩基础的受力变形规律以及扭转荷载的影响；陈骁等[6]采用MATLAB得到了PCCSSR最为经济且力学性能优异的截面形式，还对PCCSSR的制作、安装中存在的问题进行了分析。此外还有部分学者对无黏结和装配式预应力混凝土结构进行了分析研究[7-8]。本文以芙蓉堤涝区预应力混凝土桩工程为例，结合现场单桩承载力测试数据，分析了不同因素对预应力管桩极限承载力的影响，并提出了降低桩身沉降的施工方法，研究结果可为相关堤防加固工程提供参考。

1 工程概况

彭泽县芙蓉堤涝区治理工程芳湖泵站位于长江干堤(芙蓉堤)桩号8+950处，芙蓉新闸东侧，总集雨面积为515.6km2，共划分为1个治涝片，2016年7月大暴雨使涝区积水严重，给当地造成极大的经济损失。经现场初勘查明，钻探深度范围内的土层可分为6个工程地质层：①填土层，可塑或可塑-硬塑状，层底高程-1m；②粉质黏土层1：灰褐色，软塑-可塑状，层底高程-7m；③粉质黏土层2：灰褐色、灰黄色，可塑状，层底高程-31m；④粉质黏土层3：灰黄色、黄色。以硬塑状为主，局部可塑-硬塑状，夹礓结石(较富集)，层底高程-39m；⑤轻砂壤土层：灰黄色，稍湿-湿。中密状。夹礓结石局部夹粉质黏土，层底高程-69m；⑥黏土层：黄色、暗黄色，硬塑状。无摇震反应，有光泽，干强度及韧性高。含氧化铁粉末，夹礓结石(较富集)，层底高程-80m。

2 数值模型及计算参数

本次建立的混凝土桩数值模型如图1所示。

图1 混凝土桩数值模型

模型中网格划分采用三角形划分技术，使用的有限元网格由1359个单元和11632个节点构成。模型中地基土的厚度与实际勘测厚度保持一致，宽度为12m,深度为80m，混凝土桩直径600mm，桩嵌长度为44.5m，边界条件为地基左右两侧水平约束，底部边界水平和竖向全约束，地基表面为自由面。此外，混凝土桩与地基结构之间采用接触单元，切向摩擦系数为0.9，法向采用硬接触，计算用对称分析方法。在模拟初始阶段，先以降温法计算地基土的应力，以确定初始侧压系数K0。这个过程采用Jaky传导公式来模拟，其中K0等于1-sinφ′，然后激活地下水位0.5m以下的地基单元。此外，需要将最初的位移重置为零，因为测量数据是在没有任何干扰的情况下获得的。最后，激活界面单元，施加轴向荷载，直到桩发生破坏。数值计算当中，预应力混凝土桩为线弹性桩材料，因此采用线弹性模型，地基土则简化为弹塑性模型，采用莫尔-库仑本构方程。本次数值计算参数见表1。

表1 数值计算参数

3 荷载沉降曲线分析

为验证模型合理性，需要将现场桩基测试的位移荷载曲线与数值模型中的曲线进行对比分析。目前现场评估桩身轴向荷载承受能力方法主要为全静载试验，即维持荷载(ML)试验。现场测试试验顺序为加载、卸载和重新加载到预期荷载水平，之后继续提高荷载，直至达到最大轴桩承载力。测试时先施加700kN(50%的工作负荷)初始加载值，其次是第二个、第三个、第四个和第五个加载循环，分别为1400kN(100%工作负荷)、2100kN(150%的工作负荷)、2800kN(200%的工作负荷)和3500kN(250%的工作负荷)，以达到液压千斤顶的最大承载能力。现场桩基测试结构如图2所示。

图2 现场桩基测试结构

现场测试的位移荷载曲线与数值模型中的曲线结果如图3所示。

图3 现场测试的位移荷载曲线与数值模型中曲线结果

试验结果表明，现场测试数据与数值模拟中的荷载位移曲线(Q-S)十分符合，误差总和不超过2%，因此认为本文所建模型合理。当采用Mazurkiecwicz理论，外推荷载-沉降曲线方法得出桩极限承载力为4110kN，而利用Davisson的方法得到了一个较小的结果，为3890kN，差异约为5%。

4 Q-S曲线的影响因素分析

4.1 桩侧土摩擦系数

荷载位移曲线可以形象地反映桩基的实际工作状况，能够宏观地反映桩土破坏机理和破坏模式，所以我们可以通过观察荷载沉降曲线来分析研究桩体承载情况。为研究混凝土桩与地基土摩擦系数对Q-S曲线的影响，采用0.7、0.8、0.9、1四种摩擦系数进行研究。如图4所示。

图4 混凝土桩与地基土摩擦系数对Q-S曲线的影响

由图4可知，同一轴向荷载下，桩土摩擦系数越大，桩身下沉位移越小，混凝土桩对轴向压力的承载力越大。因此，在施工中采用摩擦性能较好的填土，可以增大桩基础与地基土体之间的摩擦力，从而提高桩基的承载力。在本例中，4种摩擦系数的桩基极限承载力大小分别为2632、3124、3345、3955kN，而实际测量中的桩基最大承载力约为3890kN，因此在施工中，可以通过在浅层换填密实度较大的砂层，来提高极限承载力。

4.2 桩身嵌入深度

不同桩体嵌入深度的Q-S曲线变化情况如图5所示。

图5 不同桩体嵌入深度的Q-S曲线变化情况

由图5可知，桩的嵌入深度越大，桩基的承载力越大，同一轴向荷载的沉降越小。这是由于除竖向重力外，地基土单元在天然状态要达到平衡还需受水平侧向压力作用，而这一力的分解与土的竖向重力成正比。因此，混凝土桩作为地基土的一部分，其嵌入深度越深，所受到的侧向压力越大，承载力也随之提高。但实际工程当中，桩身嵌入深度的增加必然会增加工程造价，因此需要在经济和安全上做预算平衡。在本例中，当轴向荷载为1425kPa时，嵌入深度35m的桩基最先出现破坏，破坏时的位移为0.015mm，且这一深度在3种嵌入深度中Q-S曲线最陡，即受力后下沉最快。当嵌入深度为47.5m时，混凝土桩极限承载力为3971kN，破坏时的位移为0.026mm；而当嵌入深度为50m时，桩基承载力达到了4750kN，较实际测量中增大了18.1%。

4.3 混凝土桩材料

为讨论混凝土材料对桩基荷载沉降曲线的影响，本文通过在混凝土桩中加纤维的方式来对桩的性能进行模拟分析。图6为加纤维后的混凝土桩试样。

图6 加纤维后的混凝土桩试样

由图6可知，加纤维后混凝土桩的承载力有较大提升，同一轴向荷载下，加纤维后的混凝土桩承载力明显大于不加纤维后的试样。其增强机理为：在混凝土桩的制备过程中内部原来就存在缺陷，加入纤维后，纤维与基体间黏结紧密，形成的复合混凝土桩会减弱缺陷对于裂缝发生和发展的约束作用，降低内部裂缝端部的应力集中系数。

图7为普通混凝土桩与加纤维后桩基的Q-S曲线结果。

图7 现场测试与加纤维后数值模型中Q-S曲线结果

由图7可知，纤维的数量与混凝土桩的承载力并非成正比关系，当纤维参量达到40%时，桩基承载力反而降低，因此在实际工程中应当对纤维的临界参量进行优化。此例中，当纤维参量为30%时，桩基承载力最大，为4750kN，而纤维参量为10%和20%时的桩基承载力分别为4550和4680kN，比不加纤维的混凝土桩承载力提升了17%和17.4%，纤维参量为30%时提升了19%。

5 结论

预应力混凝土桩是我国堤防加固工程中应用最广泛的加固结构之一。本文结合现场和数值分析结果得出桩土摩擦系数能够显著提高混凝土桩的承载力，因此，建议在施工浅层地基中采用摩擦性能较好的密实砂土来作为填土。此外，在混凝土桩加入纤维后，其承载力也有较大的提升，但纤维参量不易过多，本文得出纤维参量为30%时最优，这一比例下相比无纤维混凝土桩承载力能提升19%。最后，在工程预算允许范围内，可以适当增加桩身嵌入深度来提高混凝土桩的承载力。