预测泡沫混凝土劲性桩极限承载力可行性研究
——基于指数曲线拟合法

孔秋平

(1.福建永强岩土股份有限公司 福建龙岩 364000; 2.福建省岩土与环境企业工程技术研究中心 福建龙岩 364000)

0 引言

泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂充分发泡，并将泡沫与水泥浆料均匀混合，经泵送系统进行现浇施工或模具成型。泡沫混凝土是一种利废、环保、节能、低廉且具有不燃性的材料[1]。利用泡沫混凝土的密度、强度可调，在浇注成型的泡沫混凝土桩内插入预应力管桩可形成泡沫混凝土劲性桩。对钢筋混凝土桩的单桩竖向极限承载力的获得方式较多，其中工程上最常用的方法是静载试验法。但实际工程中，一般采用工程桩进行静载试验。然而，静载试验往往未能达极限破坏状态，导致实测数据不完整，对单桩竖向极限承载力的判定不准。现国内外许多学者进行了大量的试验研究，提出采用多种曲线拟合预测极限承载力，其中常用的是指数曲线拟合法。本文在总结前人研究的基础上，结合工程试验，采用指数曲线拟合泡沫混凝土劲性桩静载数据，预测劲性桩的极限承载力，并与数值模拟值及实测静载值进行对比分析，探讨采用指数曲线预测泡沫混凝土劲性桩极限承载力的可行性。

1 现场试验分析

1.1 试验场所概况

试验场地位于龙岩某厂房，场地及其附近地势较缓，属低丘缓坡地，为残坡积丘陵地貌，侵蚀基准面与地面标高差大，地下水埋藏较深。

场地分布厚层素填土，平均厚度16.25m，主要由粘性土组成，内含少量强风化角砾，填土近8年，土层如图1典型地质剖面图所示。土层物理力学性质指标如表1所示。

表1 土层物理力学性质指标

图1 试验场地典型地质剖面图

1.2 静载试验

1.2.1静载试验数据

为便于分析同一工况条件下泡沫混凝土劲性桩，本次试验桩最长10m，桩处于同一层土层中，相当于摩擦桩。试验分为A、B、E 3组，为无芯桩、等芯桩及短芯桩，外芯为800mm直径的泡沫混凝土桩，抗压强度6MPa，内芯为PHC500-100-AB管桩，强度C80。试验桩参数如表2所示，带内芯劲性桩成桩后桩头如图2所示。

表2 泡沫混凝土劲性桩试验一览表

图2 泡沫混凝土劲性桩成桩

对以上几组试验桩进行静载试验，获得桩顶荷载与桩顶沉降数据，并绘制各试验桩Q～S曲线图，如图3所示。

图3 各试验桩Q～S曲线图

1.2.2指数曲线拟合法桩极限承载力预测[2-3]

根据范德温(Vander vecn)提出的基本假设，Q～S曲线是符合指数方程：

Q=a×(1-e-bs)

其中，a、b为所求参数。根据以上曲线拟合静载测试数据，如图4～图6所示。

图4 A组Q～S指数曲线拟合

图5 B组Q～S指数曲线拟合

图6 E组Q～S指数曲线拟合

根据指数曲线拟合，可求得a和b参数值，同时预测桩顶沉降40mm对应的荷载值为极限承载力Q40,计算结果如表3所示。

表3 根据指数曲线预测的极限承载力和有关参数

2 劲性桩数值模拟分析

根据表1的土层参数，对以上3组试验桩采用abaqus进行数值模拟，需要在桩身与土层以模拟二者相互移动时产生的法向和切向作用。为了建模以及计算方便，对法向采用硬接触，切向采用摩擦系数为0.4的摩擦接触。泡沫混凝土及内芯管桩结构单元参数如表4所示，模型图如图7所示。

通过模拟加载，绘制Q～S曲线，并提取变形最大的40mm对应桩顶荷载为单桩极限承载力值，如图8各组试验桩数值分析Q～S曲线及表5各试验桩数值模拟极限承载力值。

表4 结构单元材料参数

图7 模型网格划分图

图8 各组试验桩数值模拟Q～S曲线

表5 各组试验桩数值模拟极限承载力值

3 劲性桩极限承载力分析

对劲性桩进行指数曲线拟合及数值分析、实际静载所得的极限承载力对比分析，如表6所示。

根据表6对比分析，A组为素泡沫混凝土桩，相比有芯桩的极限承载力小约6.0%，可见插入芯桩可显著提高单桩承载力。B组为等芯桩，E组为短芯桩。B组极限承载力较E组提高约6.5%，即每米芯长极限承载力增加约80kN。通过对静载数据采用指数曲线拟合预测，单桩极限承载力值与数值分析所获极限承载力值较接近，误差在1.50%～2.42%，与实测静载值误差在2.22%～6.0%，可见指数曲线可较好地预测劲性桩的单桩极限承载力，可作为施工单位施工前的承载力预测，并对静载试验进行对比检验。

表6 指数曲线拟合、数值分析、实际静载的极限承载力汇总表

4 结论

通过对泡沫混凝土劲性桩静载数据的指数曲线拟合，拟合相关系数达0.97以上，相关性较好，此见指数曲线拟合可用于劲性桩的单桩极限承载力预测。

指数曲线拟合对比实际静载试验及数值分析所获的极限承载力的误差较小，进一步表明指数曲线拟合可较好地预测劲性桩的单桩极限承载力，可为该种桩型的单桩极限承载力预测提供一定的借鉴或者一种预测分析方法。

本试验对无芯、等芯和短芯桩进行试验分析，虽然有一定代表性，但对于长芯桩试验、芯长对承载力的影响还有待于进一步研究。