楊 興 宇

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

超流態(tài)混凝土灌注樁承載特性分析

楊 興 宇

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

以ABAQUS軟件為工具，建立了超流態(tài)混凝土灌注樁的有限元模型，分析了該樁型在不同因素影響下單樁沉降的變化規(guī)律，進(jìn)一步揭示超流態(tài)混凝土灌注樁的承載特性。研究結(jié)果表明，在粘土層中設(shè)計(jì)使用超流態(tài)混凝土灌注樁時(shí)，為了充分發(fā)揮樁基的承載能力，需要設(shè)計(jì)15 m～20 m樁長(zhǎng)，400 mm～600 mm的樁徑。

承載特性，超流態(tài)混凝土灌注樁，樁頂沉降，有限元模型

0 引言

近些年來(lái)，超流態(tài)混凝土灌注樁由于其承載能力強(qiáng)、成樁質(zhì)量好、施工振動(dòng)小、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)，在黑龍江地區(qū)被廣泛應(yīng)用[1]。但是在超流態(tài)混凝土灌注樁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員仍在使用普通鉆孔灌注樁的計(jì)算理論和承載特性[2,3]，其理論研究嚴(yán)重滯后于實(shí)踐。因此需要對(duì)該樁型的承載特性進(jìn)行研究，為該樁型的進(jìn)一步推廣奠定基礎(chǔ)。

本文主要做了以下兩方面的工作：

1)收集整理哈爾濱西城晶華二期項(xiàng)目的勘察、設(shè)計(jì)和驗(yàn)樁資料，使用ABAQUS軟件[4]，建立了超流態(tài)混凝土灌注樁的有限元模型。通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了所建模型的合理性。

2)研究了超流態(tài)混凝土灌注樁在三種主要因素(樁長(zhǎng)、樁徑、樁周土體彈性模量)影響下的單樁沉降的變化規(guī)律[5,6]，進(jìn)一步揭示了超流態(tài)混凝土灌注樁的承載特性。

1 超流態(tài)混凝土灌注樁有限元模型的建立

1.1 計(jì)算參數(shù)的選擇

現(xiàn)以哈爾濱西城晶華二期項(xiàng)目25號(hào)樓的樁基礎(chǔ)工程為例，該工程采用超流態(tài)混凝土灌注樁，樁和各層土體的具體參數(shù)見(jiàn)表1,表2。

表1 樁的計(jì)算參數(shù)取值

表2 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 模型的基本假定和有限元模型的建立

為了使研究的問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，需要對(duì)樁和土體的模型做出如下假定：

1)樁身假定為線彈性體，土體假定為理想的彈塑性體。

2)由于鋼筋對(duì)豎向荷載作用下超流態(tài)混凝土灌注樁的承載特性幾乎沒(méi)有影響，故在建立模型時(shí)，不考慮鋼筋的影響，即假定樁中沒(méi)有鋼筋籠，為純混凝土樁。

根據(jù)上述假定和樁與土體的參數(shù)，建立超流態(tài)混凝土灌注樁的有限元模型，可以得到模型的應(yīng)力和位移云圖，如圖1所示。

1.3 計(jì)算結(jié)果與分析

1.3.1 靜載實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值與軟件模擬值的比較

使用ABAQUS軟件，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)靜載實(shí)驗(yàn)的加載過(guò)程，將各級(jí)荷載作用下的軟件模擬沉降值和實(shí)測(cè)沉降值進(jìn)行對(duì)比，可得到實(shí)測(cè)沉降和模擬沉降的對(duì)比曲線，如圖2所示。觀察圖2中的曲線可知，模擬生成的曲線和實(shí)測(cè)曲線基本吻合。當(dāng)加載至1 600 kN時(shí)，圖中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折段和拐點(diǎn)，且最大位移值都沒(méi)有達(dá)到《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的40 mm的極限值，可以判定該樁的樁底土體還沒(méi)有到達(dá)極限狀態(tài)。

1.3.2 樁頂與樁端位移的比較

在實(shí)際工程中，樁頂?shù)某两盗客ǔ闃渡淼膲嚎s量和樁端處的沉降量之和。而樁身的壓縮量可使用式(1)求得：

SS=ΔPtL/EpAp

(1)

其中，SS為樁身的壓縮量;Δ為綜合系數(shù);Pt為樁頂?shù)呢Q向荷載;L為樁的長(zhǎng)度或樁的入土長(zhǎng)度;Ep為樁材料的彈性模量;Ap為樁體的橫截面面積。對(duì)于超流態(tài)混凝土灌注樁，當(dāng)長(zhǎng)徑比L/d<40時(shí)，取Δ=1/2。當(dāng)長(zhǎng)徑比L/d≥40時(shí)，取Δ=1/3。本文中L/d=47.5，故取Δ=1/3。

從模型的分析結(jié)果豎向位移云圖與mises應(yīng)力云圖中可以發(fā)現(xiàn)，在荷載加載到1 600 kN的過(guò)程中，樁身的豎向應(yīng)力隨著樁進(jìn)入土體的深度的增大而逐漸變小，樁身的沉降也隨著樁進(jìn)入土體的深度的增大而不斷降低。當(dāng)加載到最后一級(jí)荷載時(shí)，我們可以看到樁頂?shù)奈灰茷?.24 mm，樁端位移為6.43 mm。而通過(guò)上述的樁身壓縮量公式計(jì)算可知：實(shí)際樁的壓縮量為2.69 mm。由表3中對(duì)比可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的值和模擬計(jì)算的結(jié)果基本一致。證明了所建的模型是合理的。

表3 沉降的模擬值和實(shí)測(cè)值

1.3.3 樁側(cè)摩阻力發(fā)揮特性

在模型的分析結(jié)果中，提取各深度對(duì)應(yīng)的側(cè)阻力值(CSHEAR1)，繪制出圖3所示超流態(tài)混凝土灌注樁的側(cè)阻力曲線圖。從圖3中能夠看出，樁側(cè)摩阻力隨深度變化的曲線出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值位于-1.8 m處，處于粉質(zhì)粘土層中，當(dāng)荷載加載到1 280 kN時(shí)，出現(xiàn)了峰值57.6 kPa，之后隨著樁體頂部的加載量的繼續(xù)增大，樁側(cè)摩阻力卻在不斷的降低，說(shuō)明此時(shí)的樁和樁周土的接觸面已屈服。規(guī)范中給出了粉質(zhì)粘土中，超流態(tài)混凝土灌注樁的極限側(cè)摩阻力值的取值范圍為42 kPa～62 kPa，故滿足規(guī)范的要求。而在勘察報(bào)告中，提供了粉質(zhì)粘土層中的樁側(cè)的極限摩阻力值為55 kPa，可以發(fā)現(xiàn)，模擬值、規(guī)范值和勘察報(bào)告提供的側(cè)摩阻力極限值非常接近，這說(shuō)明了所建模型的有效性和精確性。

2 超流態(tài)混凝土灌注樁承載特性分析

2.1 樁長(zhǎng)對(duì)超流態(tài)混凝土灌注樁承載特性的影響

假設(shè)樁徑為400 mm，樁的彈性模量為30 GPa，樁周土體假定為表4中的粘土，分別建立樁長(zhǎng)為10 m，15 m，20 m，25 m時(shí)，超流態(tài)混凝土灌注樁的有限元模型。提取模擬結(jié)果，可繪制不同樁長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的荷載—沉降關(guān)系曲線，如圖4所示。

表4 樁周土體的物理力學(xué)參數(shù)

由圖4可知，在同一樁頂荷載的作用下，隨著樁長(zhǎng)的增長(zhǎng)，樁的沉降量在不斷減小，但這種減小的幅度在不斷下降。當(dāng)加載到1 600 kN時(shí)，10 m樁和15 m樁的最終的沉降值相差3.7 mm。而20 m樁和25 m樁的沉降值僅相差0.7 mm，兩條曲線基本重合，這說(shuō)明在粘土中，當(dāng)超流態(tài)混凝土灌注樁的樁長(zhǎng)達(dá)到20 m后，增大樁長(zhǎng)已無(wú)法有效提升樁基的承載力。因此在粘土層中，設(shè)計(jì)15 m～20 m的超流態(tài)混凝土灌注樁較為合適。

2.2 樁徑對(duì)超流態(tài)混凝土灌注樁承載特性的影響

假定樁的彈性模量為30 GPa，樁長(zhǎng)為20 m，樁周土體假定為表4中的粘土，分別建立樁徑為400 mm，500 mm，600 mm，700 mm時(shí)，超流態(tài)混凝土灌注樁的有限元模型。提取模擬結(jié)果，可繪制不同樁徑對(duì)應(yīng)的荷載—沉降關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)樁頂荷載相同時(shí)，樁的直徑越大，樁頂?shù)某两盗烤驮叫?。觀察樁徑為600 mm和700 mm樁的沉降曲線發(fā)現(xiàn)，兩條曲線接近重合，說(shuō)明當(dāng)樁徑達(dá)到600 mm后，繼續(xù)增大樁徑已無(wú)法有效提升樁基的承載能力。因此在粘土層中，設(shè)計(jì)樁徑為500 mm～600 mm的超流態(tài)混凝土灌注樁較為合適。

2.3 樁周土體彈性模量對(duì)超流態(tài)混凝土灌注樁承載特性的影響

在本節(jié)中，假設(shè)樁的長(zhǎng)度為20 m，樁的直徑為400 mm，樁的彈性模量為30 GPa，樁周土體假定為表4中的粘土，土體的彈性模量分別取12 MPa,24 MPa，36 MPa，來(lái)建立超流態(tài)混凝土灌注樁的有限元模型，在模擬結(jié)果中提取各級(jí)荷載作用下樁頂沉降的數(shù)值，可總結(jié)繪制出不同樁周土體彈性模量對(duì)應(yīng)的荷載—沉降關(guān)系曲線圖，如圖6所示。

從圖6中可知，當(dāng)樁頂施加的荷載相同時(shí)，樁頂?shù)某两盗侩S著土體彈性模量的增大而顯著減小。因此在施工中，可以通過(guò)強(qiáng)夯等手段，增大地基土的彈性模量，從而達(dá)到減小樁基沉降，增大樁基承載力的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)模擬研究可知，超流態(tài)混凝土灌注樁的側(cè)阻力承擔(dān)了絕大多數(shù)的上部荷載，因此超流態(tài)混凝土灌注樁應(yīng)該是一種端承—摩擦樁。

2)在粘土層中，采用樁徑為400 mm～600 mm、樁長(zhǎng)為15 m～20 m的超流態(tài)混凝土灌注樁，可以最大程度的發(fā)揮出樁基的承載能力，并避免由于樁長(zhǎng)和樁徑過(guò)大導(dǎo)致的施工難度增大和成本增加。

3)在施工過(guò)程中，可以通過(guò)強(qiáng)夯，增大地基土的彈性模量，使樁側(cè)摩阻力得到更充分的發(fā)揮，從而達(dá)到減小樁基沉降，增大樁基承載力的目的。

[1] 周鳳林,張秋媛.孔底注漿超流態(tài)混凝土樁新施工技術(shù)研究[J].山西建筑,2011,37(19):45-46.

[2] DB 23/T360—2010，鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 左秉旭,林 芳.超流態(tài)混凝土灌注樁工藝特點(diǎn)及承載力計(jì)算分析[J].探礦工程,2008(5):47-51.

[4] 費(fèi) 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010:3-5.

[5] 劉興華.單樁豎向荷載傳遞的性狀分析及工程應(yīng)用[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007:8-10.

[6] 李偉偉.長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌混凝土樁承載特性研究分析——基于ABAQUS有限元軟件[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011:8-16.

Bearing characterstics analysis of superfluid concrete pouring pile

Yang Xingyu

(SchoolofCivilEngineering,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China)

Using the finite element software ABAQUS established superfluid concrete pile model, and the change law of the settlement of single pile under different factors is analyzed, further reveal the bearing characteristics of super flow concrete pile. The study found that when the superfluid concrete pouring pile is used in the clay layer, in order to give full play to the bearing capacity of pile foundation, it is necessary to design 15 m～20 m pile length and 400 mm～600 mm pile diameter.

bearing characteristics, super flow concrete pouring pile, pile top settlement, finite element model

1009-6825(2017)21-0050-03

2017-05-04

楊興宇(1992- )，男，在讀碩士

TU473.1

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