PHC桩的极限承载力试验与数值模拟研究

刘正才，周 浪

(湘潭大学 土木工程与力学学院,湘潭 411105)

参 考 文 献



PHC桩的极限承载力试验与数值模拟研究

刘正才，周 浪

(湘潭大学 土木工程与力学学院,湘潭 411105)

根据对PHC桩的静载荷试验，揭示PHC桩在竖向静载荷试验过程中沉降量变化规律，通过有限元分析软件ABAQUS建立有限元模型，阐述了模拟桩在静载试验中荷载沉降过程，对比沉降量值与试验值，通过有限元分析软件分析桩的极限承载力值.

PHC桩；承载力；沉降量；ABAQUS

0 引 言

预应力高强混凝土管桩(PHC桩)是一种具有工厂化程度高、养护时间短、成桩质量好、桩身强度高、经济效益好等优点而在大量基础工程中的桩型.

PHC桩的承载力，经常要通过静载试验才能得出，在实际工程中，设计者经常靠经验值，选取单桩承载力偏保守.由于PHC桩是挤土桩，在施工过程中，使得桩周土体密实度得到提高，实测值的桩侧摩阻力往往比规范值和地质报告推荐值大得多[1]，造成承载力的浪费.在工程试验中，基桩的承载力试验一般仅加载至承载力设计值的两倍便终止，不会加载至基桩破坏来确定其极限承载力.利用已知的试验数据进行数值拟合[6]，虽能进行预测，但过程复杂.对于如何确认PHC桩的极限承载力，可利用有限元模型模拟结合部分现场试验数据进行尝试.

1 项目概况

本文中进行了6根桩基静载试验，工程地貌单元属于剥蚀残丘，覆盖层为第四系人工填土、湖积及冲积物，基岩为白垩系泥质粉砂岩.根据本工程《地质勘察报告》文件，在钻探所达深度范围内，场地地层层序及地质参数如表1所示.

表1 各地层岩土工程参数

建筑物采用高强混凝土预制桩基础，以强风化泥质粉砂岩⑧作为建筑物桩基础桩端持力层.

本工程采取的PHC桩型号为PHC500AB125，桩长10 m、11 m、12 m、13 m不等，编号及参数见表2.桩基设计极限承载力标准值为4000 kN.根据施工场地高程，将场地地质分层绝对标高转换为相对标高，绘制地质情况及对应桩号如图1所示.

表2 PHC桩编号及参数

图1 PHC桩及地质土层情况

2 静载承载力试验

本次试验采用荷载压重平台反力装置，设备安装见图2.

图2 静载试验装置图

试验过程中，加载按10级、9个时段进行，分级荷载为预估极限承载力的1/10，第一个时段为分级荷载的2倍.每级荷载维持过程中的变化幅度小于分级荷载的10%.

本次检测采用快速维持荷载法，每个时段沉降值按第5 min、15 min、30 min测读桩顶沉降量，以后每隔15 min测读一次.测读时间累计为1 h时，若最后15 min时间间隔的桩顶沉降量增量与相邻15 min时间间隔的桩顶沉降量增量相比明显收敛时，可加下一级荷载.

当达到设计要求的最大加载量或某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍，且总沉降量超过40 mm，终止加载[3-6].

卸载按5级进行.每级卸载量为分级荷载的2倍，逐级等量卸载.每级荷载维持时间为15 min，按第5 min、15 min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载.卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间为2 h，测读时间为第5 min、15 min、30 min，以后每隔30 min测读一次.测得荷载沉降值见表3.

表3 现场试验加载及对应的沉降量

根据静载试验结果，提取最大沉降量，回弹量，得出各桩的回弹率值见表4.

表4 回弹量

根据六根桩荷载试验条件得出承载力，绘制出相应的荷载-沉降量曲线见图3.190#桩与327#桩的桩侧土质情况相近，各土层厚度也相差小，桩长均为11 m，相应的荷载-沉降量曲线具有可比性.267#桩与290#桩的桩侧土质情况相近，各土层厚度也相差不大，桩长均为12 m，相应的荷载-沉降量曲线具有可比性.

图3 荷载-沉降量曲线图

由以上回弹值及回弹率大小可知，回弹率在15%～30%，沉降量越大，回弹量也越大.根据现场静载荷试验，施加荷载达到4000 kN时，未出现明显拐点，沉降量也小于40 mm.故所有荷载并未达到承载能力极限状态，地基承载力仍有富余.

3 有限元建模数值分析

桩与土体弹性模量相差大，在荷载作下，桩身一般牌弹性阶段，在分析过程中，桩体按弹性材料考虑.ABAQUS中土的本构模型较多，常用的Porous elastic模型、Drucker-Prager模型、修正Drucker-Prager模型、Mohr-Coulomb模型、Clay plasticity模型以及Cam-clay模型等[7-8].假定土体的变形由线弹性阶段变形和非线性阶段变形组成.土体模型取桩半径的50倍区域，线弹性阶段采用理想弹性模型，非线性阶段采用Mohr-Coulomb模型.桩-土接触采用摩擦罚接触.边界条件为：模型底部固定约束，模型外侧径向的位移约束见图4.

图4 模型分区 图5 网格划分

网格划分过程中，桩与土体均使用CAX4R单元，在靠近桩土接触4倍桩径范围内，网格密度与桩体相同，其余部位网格宽度为桩体网格的两倍大小.

分析过程：第一步进行初始地应力的平衡；第二步采用表面载荷形向桩顶施加竖向压强荷载，按荷载试验步逐步分级加载.第三步提交计算提取桩顶位移进行后处理.提交作业后得出经迭代计算，进行可视化处理，有限元分析结果见图6.

图6 桩顶位移值

根据190#桩与327#桩的桩侧土质情况相近，各土层厚度也相差较小，桩长均为11 m，267#桩与290#桩的桩侧土质情况相近，各土层厚度也相差不大，桩长均为12 m.因此针对桩长L=11 m和桩长L=12 m分别建立了有限元模型.提取桩顶竖向位移值，见表5.

表5 模拟桩沉降量

取s=40 mm对应沉降量为极限荷载值时，Aba-11 m桩底极限荷载标准值为5434 kN，Aba-12 m桩底极限荷载标准值为5479 kN.根据《建筑桩基技术规范》JGJ106-2008附录B预应力混凝土空心桩基本参数表可知，PHC500AB125桩的桩身极限承载力标准值为4190 kN[2].故桩基的极限承载力可取桩身极限承载力标准值4190 kN，本场地的地基承载力有较大富余.根据数值模拟计算结果，绘制相关荷载沉降量曲线，如图7、图8所示.

图7 桩长l=11 m荷载沉降曲线

根据荷载沉降曲线图，可知，建立的ABAQUS有限元模型中模拟桩极限承载力能较好的模拟桩与土的接触问题，以及桩的受力情况，经有限元模拟计算得出的荷载沉降曲线较实测值偏大.原因在于锤击法施工的过程中，桩侧土受到一定的挤压，桩侧承载力有所提高，并且桩底土受挤密压实，桩端承载力有较大程度的提高.

图8 桩长L=12 m荷载沉降曲线

4 结 论

(1)6根桩回弹率较接近表明桩底持力层性质相当.施加荷载后沉降量相差较大，表明沉桩过程中存在一定的施工偏差.

(2)根据建立有限元模型分析提取的桩顶沉降量来看，表明本模型能较好的模拟实际受力情况.

(3)通过推广有限元模型，可以建立模拟该场地不同直径、长度的PHC桩，计算出可靠的单桩承载力极限值，有一定的适用性.

(4)PHC桩在工程设计中大量使用，需更多的研究方法和数据提高承载力极限值预测准确性.

参 考 文 献

[1] 施 峰.PHC管桩荷载传递的试验研究[J].岩土工程学报，2004,26(1):95-99.

[2] JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].2008.

[3] JGJ106-2003建筑基桩检测技术规范[S].2003.

[4] 阮起楠.预应力管桩[M].北京：中国建材工业出版社,2000.

[5] 邢皓枫等.PHC管桩锤击施工效应分析[J].岩土工程学报,2009,31(8):1208-1212.

[6] 郭宏磊.PHC桩的竖向极限承载力的预测[J].工程力学,2004(1).

Research on Experiment and Numerical Simulation of PHC Pile

LIU Zheng-cai,ZHOU Lang

(School of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

In this paper, through the static load test of PHC pile,it reveals the settlement variation law of PHC pile in vertical static load test process. The finite element model is established by the finite element analysis software ABAQUS to simulate the load settlement process of PHC pile in the test,and compare settlement value and experimental value.By using finite element analysis software, this thesis tries to analyze the ultimate bearing capacity value of the pile.

PHC pile;bearing capacity; displacement;ABAQUS

2015-03-09

湖南省自然科学基金项目(09JJ3126).

刘正才(1963-)，男，博士，教授,研究方向:土木工程.

TU473

A

1671-119X(2015)03-0075-04