预应力混凝土管桩竖向承载特性数值模拟研究

郭佳诚, 吴道祥

(1.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230088;2.合肥工业大学,安徽 合肥 230009)

预应力高强度混凝土管桩采用先张预应力离心成型工艺进行制作,具有桩身强度高、经济效益好以及工程造价便宜等特点,应用广泛,是大量基础施工和地基处理中使用最为常见的桩型。WU J T等[1]结合高速公路对PHC管桩加固软土地基进行了现场试验及数值模拟研究。周佳锦等[2]通过现场静载试验对比研究了软土地区预应力竹节桩与管桩的承载力特点。姜彦彬等[3]对高速公路的软土地基采用数值模拟的方法,得到了管桩复合地基的承载和变形特性。律文田等[4]则通过现场试验进行观察,在管桩桩身和土层埋设应变计,对软土地区桩土特性展开研究。从上述的研究成果中可以看出,PHC管桩能够较好的适用于不同土层和地貌单元,研究地区土层条件下的管桩承载特性可以有效促进管桩在本地区的应用和发展。

1 现场静载荷试验

桩基静载荷试验是确定单桩极限承载力最可靠的方法,本文选取S1和S2桩进行现场静载荷试验,相关试验条件及参数如下:S1桩位于合肥市经开区新桥机场附近,场地第四纪地貌型态属江淮丘陵地貌单元岗地微地貌单元,桩型为PHC-600(130)AB管桩,桩长11 m,混凝土强度等级C80,桩端持力层为Q3黏土层;S2桩位于合肥市滨湖新区南宁路与庐州大道交叉口东南角,其第四纪地貌型态属江淮丘陵岗地微地貌单元,桩型为PHC-500(110)AB管桩,桩长7 m,混凝土强度等级C80,桩端持力层为Q3黏土层。

当S1试验桩荷载最大加至3 360 kN时,桩顶最大沉降量为42.16 mm,曲线未出现陡降,取S=40 mm对应的荷载值作为该基桩的单桩竖向抗压极限承载力[5],故S1试验桩的竖向抗压极限承载力荷载可取3 317 kN。当S2试验桩荷载最大加至1 725 kN时,桩顶最大沉降量为47.73 mm,曲线出现陡降,发生明显陡降的起始点对应的荷载值为1 650 kN。取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值作为该基桩的单桩竖向抗压极限承载力[5],故S2试验桩的竖向抗压极限承载力可取荷载1 650 kN。

2 软件数值模拟

采用ABAQUS软件对上述2根管桩进行数值模拟,应用平衡桩土地应力的方法[6],初始地应力平衡结果达到最低的精度要求[7],得到桩S1和S2在最后一级荷载条件下,桩顶总位移均超过40 mm,说明在此之前管桩已经达到极限破坏状态。将桩S1和桩S2数值模拟结果与实测结果进行对比,如图1-图2所示。

图2 S2管桩QS曲线对比

桩S1实测曲线与数值模拟曲线均为缓变型,数值模拟结果与实测数据较为接近,曲线形态一致,部分荷载工况下数值模拟结果与实测数据存在一定误差。桩S2实测曲线为陡变型,数值模拟曲线为缓变型,前3级荷载工况下,数值模拟结果与实测数据较为接近,从第4级荷载工况开始,数值模拟结果与实测数据存在很大误差,最后一级荷载工况下二者桩顶累计沉降量较为接近。

上述研究结果可以看出:数值模拟结果与实测载荷试验结果之间存在一定误差,对于缓变型QS曲线误差相对较小,对于陡变型QS曲线二者曲线形态相差很大,无法体现出QS曲线的陡降过程。一方面,由于数值模拟涉及的土体参数和桩身参数较少,不能对所有的桩身极限承载力影响因素进行综合考量。指标参数主要从室内试验结果中获取,由于土体试样的数量存在一定限制无法体现土体参数在空间分布的变异性;另一方面,模型中有关参数无法通过试验或者其他方法确定,依赖于前人的经验[8-11]进行选取,与实际取值之间可能存在差距。

3 管桩竖向承载力影响因素分析

以前述S1桩为例,在桩端、桩侧土层物理力学指标以及桩顶荷载工况等不变的条件下,对不同的桩长、桩径、土层弹性模量以及桩土摩擦系数取值等情况进行模拟,探讨各变量对管桩承载性能的影响。

3.1 桩长的影响

管桩的混凝土强度等级为C80,桩长分别选取10 m、15 m、和20 m,桩径固定为600 mm,土层弹性模量固定为2Es,桩-土摩擦系数固定为tan(0.75φ)。不同桩长管桩竖向应力应变如图3所示。

图3 不同桩长管桩竖向应力应变图

从图3中可以看出:桩长为10 m时,对应桩端土体存在较大变形,桩土变形影响范围较小,桩侧土体变形量也较少。桩长增加到15 m,桩土变形影响范围扩大,桩侧3 m深度范围内土体竖向沉降量增加。当桩长为20 m时,桩土变形影响范围进一步扩大,整个桩长深度范围内土体竖向沉降量增加,此时管桩能够调动更多的桩侧和桩端土体来承担上部荷载。桩端以下土体均出现应力集中现象,并向四周逐渐扩散,随着桩长的增加,桩端土体应力集中现象渐渐减弱,桩周土体应力增加。

桩长为10 m对应的管桩极限承载力为2 487.3 kN,桩长为15 m对应的管桩极限承载力为3 274.1 kN。当桩长为20 m时,管桩未达到极限状态,管桩极限承载力不低于3 360 kN。随着桩长的增加,桩端土体和桩侧土体桩-土作用影响范围增大,桩端附近发生应力扩散,桩侧摩阻力总是与桩身表面积成正比,因此采用更长的管桩可以有效提高其竖向承载能力。

3.2 桩径的影响

管桩的混凝土强度等级为C80,桩长固定为15 m,桩径选取400 mm、500 mm、600 mm,土层弹性模量固定为2Es,桩土摩擦系数固定为tan(0.75φ)。不同桩径管桩竖向应力应变如图4所示。

图4 不同桩径管桩竖向应力应变图

从图4中可以看出:桩径为400 mm和500 mm时,对应桩顶累计沉降量均明显偏大,桩径为600 mm时,对应桩顶累计沉降量为44.12 mm。随着管桩桩径的增加,桩顶累计沉降量急剧减少,管桩承载力能力不断增强。桩径为400 mm时,对应桩土发生变形,桩土变形影响范围较小,变形量也较少。桩径增加到500 mm,桩土变形影响范围增大,桩侧1 m深度范围内土体竖向沉降量增加。桩径为600 mm时,桩土变形影响范围进一步增大,桩侧3 m深度范围内土体竖向沉降量增加。桩端以下土体出现应力集中现象,并向四周逐渐扩散,随着桩径的增加,桩端土体应力集中现象渐渐减弱,周围土体应力增加。

当桩径为400 mm时,管桩极限承载力为1 600 kN。当桩径为500 mm时,管桩极限承载力为2 560 kN。当桩径为600 mm时,管桩极限承载力为3 339.1 kN。与桩长的影响规律一样,随着桩径的增大,桩端土体和桩侧土体桩-土作用影响范围扩大,相比于桩长的变化,桩径的改变导致的桩-土作用影响范围和程度相对较小。采用桩径更大的管桩,同样可以有效提高其竖向极限承载力。

3.3 土层弹性模量的影响

管桩的混凝土强度等级为C80,桩长固定为15 m,桩径固定为600 mm,桩-土摩擦系数固定为tan(0.75φ),土层弹性模量分别为2Es、3Es、4Es。不同土层弹性模量管桩竖向应力应变如图5所示。

图5 不同土层弹性模量管桩竖向应力应变图

从图5中可以看出:随着土层弹性模量的变化,桩土变形影响范围并未出现明显变化。土层弹性模量增大,桩土竖向位移呈现出减小的趋势。随着土层弹性模量的变化,桩土竖向应力的大小和应力集中现象影响范围基本保持不变。

当土层弹性模量取2倍的压缩模量时,管桩极限承载力为3 339.1 kN。当土层弹性模量分别取2倍和3倍的压缩模量时,管桩未达到极限状态,管桩极限承载力均不低于3 360 kN。随着土层弹性模量的增加,桩端土体和桩侧土体桩土作用影响范围基本保持不变,桩土竖向位移随着土层弹性模量的增大而减小。桩端土体应力大小基本不变,随着土层弹性模量的变化,管桩承载力大小的改变主要是由于桩侧土体的影响。

3.4 桩土摩擦系数的影响

管桩的混凝土强度等级为C80,桩长固定为15 m,桩径固定为600 mm,土层弹性模量固定为2Es,桩-土摩擦系数分别为tan(0.65φ)、tan(0.75φ)、tan(0.85φ)。不同桩-土摩擦系数管桩竖向应力应变如图6所示。

图6 不同桩-土摩擦系数管桩竖向应力应变图

从图6中可以看出:随着管桩桩土摩擦系数的增加,桩顶累计沉降量逐渐减少,管桩承载力能力不断增强。取0.65倍摩擦角时,对应桩土存在较大位移,桩土变形影响范围较小;取0.75倍摩擦角时,桩土位移影响范围增大,桩侧3 m深度范围内土体竖向沉降量增加;取0.85倍摩擦角时,桩土位移影响范围进一步增大,桩侧6 m深度范围内土体竖向沉降量增加。

取0.65倍摩擦角时,管桩极限承载力为3 056.7 kN;取0.75倍摩擦角时,管桩极限承载力为3 339.1 kN;取0.85倍摩擦角时,管桩未达到极限状态,管桩极限承载力不低于3 360 kN。随着桩土摩擦系数的增加,桩端土体和桩侧土体桩土作用影响范围增大,桩端土体应力大小基本保持不变。此时管桩承载力大小的改变主要是由于桩侧土体的影响,提高桩土接触面之间的摩擦系数,采用更为粗糙的桩面形式,可以一定程度上提高管桩的竖向极限承载力。

4 结 论

(1)与静载试验相比,ABAQUS软件在一定程度上可以模拟得到较为精确的QS曲线,对于缓变型曲线较为适用,但对于陡变型曲线,二者曲线形态相差较大,数值模拟存在一定误差,无法与现场数据完全匹配。在今后的研究过程中,对于实际工程的设计计算时,可以将土体参数视为符合某种分布的随机变量,采用相关分布函数进行概率统计计算,结合土体在漫长历史沉积过程中所展示出的空间分布特性,使得数值模拟更加符合实际工程情况,从而提高模拟结果的可靠性。

(2)随着桩长、桩径的增加,桩顶累计沉降量随之减小,桩端和桩侧土体的竖向位移减小,影响范围扩大明显,桩端土体应力集中现象渐渐减弱,管桩承载力不断增强。随着土层弹性模量和桩土摩擦系数增大,桩顶累计沉降量随之减小,桩端和桩侧土体的竖向位移减小。桩端土体应力大小和影响范围基本保持不变,应力集中现象影响范围基本保持不变。

(3)增大桩长、桩径可以明显提高管桩的竖向极限承载力,提高桩土摩擦系数以及选择力学性质更好的土层作为桩端持力层可以在一定程度上提高管桩的竖向承载性能。