孫全勝 宋金良

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

自平衡試樁法是最近幾年新興起來的檢測單樁豎向承載力的試驗方法，其具有測試方法簡單靈活、占地面積小、節(jié)省材料以及測試時間短等多方面優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在全國多地區(qū)及城市得到了推廣應(yīng)用。在該試驗中，影響確定單樁豎向極限承載力的因素很多，其中荷載箱的放置位置的合適與否將會直接影響最終的試驗值，因此應(yīng)著重進(jìn)行考慮。

1 自平衡試樁法的基本原理

自平衡測試方法是在距離樁端一定的距離處與鋼筋籠處焊接荷載箱，荷載箱的位置按檢測目的埋設(shè)，一般埋設(shè)在自平衡點(diǎn)處。在試驗時通過樁基自身反力平衡的原理來達(dá)到測試的目的。在加載的過程中，由于油管是通過荷載箱的連接到達(dá)樁頂?shù)?，所以在加壓時，首先樁身受力處是在荷載箱的位置處。在荷載箱處通過液壓泵向樁體提供一對大小相等方向相反的作用力，則在荷載箱以上的樁段產(chǎn)生的摩阻力為樁側(cè)負(fù)摩阻力，下段樁產(chǎn)生的為樁側(cè)正摩阻力。隨著壓力的逐漸增大，荷載箱逐漸被推開，在最后一級荷載下樁基達(dá)到極限狀態(tài)，從上述可以看出在荷載箱下段的樁體完全和傳統(tǒng)靜載法一樣［1］。根據(jù)加載及向上、向下位移的唯一對應(yīng)關(guān)系，可以繪出向上、向下Q—S曲線，如圖1所示。經(jīng)過試驗所測得的上段樁與下段樁的側(cè)摩阻力與樁端阻力之和即為樁的近似極限承載力，若要得到精確值還需經(jīng)過轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。在試驗前將鋼筋傳感器埋設(shè)在樁的不同的土層處，通過量測預(yù)先埋置在樁體內(nèi)的鋼筋傳感器，通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)化公式便可求得在各級荷載作用下各樁截面的樁身軸力及軸力、摩阻力隨荷載和深度變化的傳遞規(guī)律，由于加載裝置簡單，多根樁可同時進(jìn)行測試。加載裝置及自平衡實驗示意圖如圖2所示。

圖1 自平衡測試法Q—S圖

圖2 樁基承載力自平衡試驗示意圖

2 工程概況

本工程地點(diǎn)位于哈爾濱市道里區(qū)一座高架橋，橋跨結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁，根據(jù)高架橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及橋位處的地質(zhì)情況，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)為直徑1.5 m，樁長58 m，設(shè)計要求的單樁承載力特征值為6 500 kN，樁身局部穿越且樁端嵌入粉砂質(zhì)泥巖之中，屬于超長鉆孔灌注樁。

3 基于ANSYS的樁基有限元模擬與分析

本文主要通過ANSYS有限元軟件對該超長樁進(jìn)行建立模型，模擬實際樁—土關(guān)系，并探討荷載箱分別位于自平衡點(diǎn)處、自平衡點(diǎn)以上及自平衡點(diǎn)以下對單樁極限承載力的影響。

3.1 有限元模型的建立

樁—土的ANSYS有限元模型是一類非線性的問題，它既非幾何非線性也非材料非線性，而是一類邊界條件非線性問題［2-5］，通過有限元通用軟件ANSYS進(jìn)行樁—土接觸分析，模擬自平衡試樁實際的加載過程，從而獲得上、下段樁的Q—S曲線，然后通過轉(zhuǎn)化方法進(jìn)而轉(zhuǎn)換至樁頂從而獲得樁頂?shù)腝—S曲線，確定整個樁基的承載力。根據(jù)該工程的實際情況建立有限元模型如圖3所示。

圖3 模型單元圖

在建立完基本幾何模型，選擇好“接觸對”后對樁土共同體施加荷載，在施加荷載時注意與傳統(tǒng)抗壓樁的不同，通過通用后處理器進(jìn)行提取樁體的位移及應(yīng)力云圖。

3.2 荷載箱位置的變化對樁基的性狀影響分析

荷載箱的位置對于自平衡試樁法的最終試驗結(jié)果至關(guān)重要，對于荷載箱正好放置在自平衡點(diǎn)處的樁基測試所得的承載力為極限承載力，那么如果荷載箱沒有放置在自平衡點(diǎn)處對于樁基的承載力會有怎樣的影響，本節(jié)著重討論荷載箱放置在平衡點(diǎn)以上及以下時，對整個樁基承載力的影響。荷載箱位置不同情況下參數(shù)對比表見表1。

表1 樁基參數(shù)一覽表(不同的荷載箱位置)

利用ANSYS對不同的荷載箱位置進(jìn)行有限元建模得出在不同荷載箱位置處的荷載箱的位移云圖如圖4～圖9所示。轉(zhuǎn)化至樁頂?shù)奈灰迫绫?～表4所示。

圖4 N1樁1 300 kN荷載箱沉降圖

圖5 N1樁6 500 kN荷載箱沉降圖

圖6 N2樁1 300 kN荷載箱沉降圖

圖7 N2樁6 500 kN荷載箱沉降圖

圖8 N3樁1 300 kN荷載箱沉降圖

圖9 N3樁6 500 kN荷載箱沉降圖

由表2～表4的數(shù)據(jù)將N1～N3的數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下做出Q—S曲線如圖10所示。

在圖10中可以看出:若假設(shè)正好放置于平衡點(diǎn)上的樁基為極限承載力，那么放置于平衡點(diǎn)以上或者以下的樁基沒有達(dá)到極限承載力。反映在Q—S曲線上可以看出三條曲線中最下面的是放置于平衡點(diǎn)時的曲線，而沒有放置于平衡點(diǎn)時荷載—沉降曲線應(yīng)該在上面。

表2 N1樁基荷載—沉降表(荷載箱至樁底17.5 m)

表3 N2樁基荷載—沉降表(荷載箱至樁底18.5 m)

表4 N3樁基荷載—沉降表(荷載箱至樁底19.5 m)

圖10 荷載箱位置不同時樁頂荷載—位移曲線圖

造成這種現(xiàn)象的主要原因分析如下:

1)放置于平衡點(diǎn)以上計算承載力時，假設(shè)上下段樁基都能達(dá)到極限承載力，然而實際上這種情況下，下段樁并未達(dá)到極限承載力。那么通過前述計算分析可知這種情況下的極限承載力與放置于平衡點(diǎn)時的承載力的比值是一個小于1的常數(shù)。這也就說明了放置于平衡點(diǎn)以上時樁基并未發(fā)揮其最大的潛能，Q—S曲線要在放置于平衡點(diǎn)的曲線上側(cè)。

2)放置于平衡點(diǎn)以下計算承載力時，也是假設(shè)上下段樁基都能達(dá)到極限承載力，而此時上段樁沒有達(dá)到極限承載力。計算出的承載力比值也是小于1的數(shù)值。Q—S曲線也要在放置于平衡點(diǎn)的曲線上側(cè)。

3)對于放置于平衡點(diǎn)上側(cè)與平衡點(diǎn)下側(cè)的比較，由于下段樁存在樁端阻力的影響，所以此時相對于放置于平衡點(diǎn)上側(cè)時測出極限承載力將會更小一些。這就是圖10所反映的情況即:曲線從上至下依次為:a.平衡點(diǎn)以下;b.平衡點(diǎn)以上;c.平衡點(diǎn)。

4 結(jié)語

通過對該長樁的有限元的模擬分析可得出以下結(jié)論:

1)荷載箱的埋設(shè)位置對單樁的極限承載力影響很大，當(dāng)荷載箱埋設(shè)在自平衡點(diǎn)處所測的單樁極限承載能力與工程實際能夠相符合，埋設(shè)的位置偏上或偏下均會使得所測的單樁極限承載能力偏小。

2)對于荷載箱埋設(shè)位置位于自平衡點(diǎn)上方和下方兩種情況而言，由于下段樁存在樁端阻力的影響，所以放置于平衡點(diǎn)下側(cè)相對于放置于平衡點(diǎn)上側(cè)時測出極限承載力將會更小一些。

3)在利用自平衡法對樁基檢測時應(yīng)根據(jù)工程實際的地質(zhì)狀況準(zhǔn)確的計算并確定出自平衡點(diǎn)即荷載箱的埋設(shè)位置，這樣才能準(zhǔn)確的測得單樁的極限承載能力，進(jìn)而為設(shè)計提供依據(jù)，保證工程的安全。

［1］張 利，唐增旺.自平衡試驗技術(shù)在樁基承載力檢測中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2010，36(17):108-109.

［2］王先軍.ANSYS在模擬樁土接觸中的應(yīng)用［J］.森林工程，2006(3):49-51.

［3］劉 濤，楊鳳鵬.精通ANSYS［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］殷宗澤，朱 泓.土與結(jié)構(gòu)材料接觸面的變形及其數(shù)學(xué)模擬［J］.巖土工程學(xué)報，1994(16):79-80.

［5］黃昌禮，謝肖禮.樁與土的相互作用非線性有限元分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報，2002，27(2):175-178.