新型带肋预应力管桩几何参数优化数值模拟★

刘 宽 蒋元海 牛志荣

0 引言

预应力管桩具有单桩竖向承载力高，施工工期短、贯穿能力强等优点，在国内外的基础工程已得到了广泛的应用，尤其在我国沿海地区。但是，预应力管桩在处理深层软土地基时，桩侧摩阻力取值偏低，对于以摩擦桩设计为主的预应力管桩极其不合理，受设计规范和经济成本方面影响，也不宜通过增加桩长来提高承载力。为解决这一问题，浙江天海管桩有限公司成功研制出一种新型的桩基础——新型带肋预应力管桩[1]。作为一种新型桩型，相对于管桩而言，新型带肋预应力管桩承载力提高，节约材料，降低成本，工程实践效果明显[2，3]。

为了进一步研究新型带肋预应力管桩的工作机理和承载性能，本文利用有限元软件MIDAS/GTS以浙江地区某工程新型带肋预应力管桩为例，通过改变桩型几何参数，在同等条件下进行数值模拟研究。

1 桩土共同作用有限元模拟

本文采用MIDAS/GTS有限元软件，该软件是针对岩土而开发的一款专业软件，具有强大的前处理和后处理功能，计算精度高，能够满足数值模拟的要求，因此该软件完全可以对新型带肋预应力管桩进行模拟，以便对桩和土之间的作用影响作出详细的分析。

1.1 桩土模型参数

计算模型中，土层分布依据现场土质条件确定。桩周土模拟范围:土体模型取厚度30 m、宽度为直径10 m的圆柱体，共5层不同土体从上到下依次为:①粉质粘土4.55 m、②粉质粘土4.72 m、③砂质粘土4 m、④砂质粘土9.43 m、⑤淤泥质粉质粘土7.3 m。根据勘测结果选取土体材料参数，见表1。新型带肋预应力管桩参数:桩长15 m、混凝土强度等级C65、弹性模量3.65×104N/mm2、泊松比0.18、肋距1 m、节部外径0.25 m、非节部半径0.23 m、内径0.1 m。桩体位于土体中心。

表1 土体参数

在计算模型中其他参数不变的情况下，主要分析五种不同横向凸肋中部宽度的管桩，其宽度分别为40 mm，60 mm，100 mm，120 mm，160 mm。

1.2 本构模型

在有限元分析时，考虑土体的非线性特征，土体破坏准则选用Druker-Prager屈服准则，该屈服准则是对Mohr-coulumb屈服准则给予近似，修正了Von Mises屈服准则;而且该模型考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，但不把温度变化的影响考虑在内[4]。对于新型带肋预应力管桩而言，桩土接触面的非线性对整体沉降问题影响不可忽略，故而考虑其接触面处两种材料变形的不连续性，所以采用 Goodman单元模拟桩土接触单元[5，6]。

2 计算结果及分析

考虑桩对桩周围土体的影响范围，土体取直径10 m，深度30 m的圆柱体，桩体位于土体中心处。土体和桩体采用三维实体单元，桩—土接触单元采用Goodman单元，土体破坏准则选用Druker-Prager屈服准则。

2.1 Q—S曲线图

利用MIDAS/GTS对不同横向凸肋中部宽度的新型带肋预应力管桩分九级加载过程进行模拟，加载时以250 kN的级差由500 kN加载至2500 kN，共九级。

记录分析每一级荷载下的桩顶位移，并作桩顶沉降对比如图1所示。

图1 不同横向凸肋中部宽度管桩桩顶沉降对比图

从图1中可以看出:桩顶沉降量随横向凸肋中部宽度增大而减小，同时以40 mm管桩为基准，随着管桩的横向凸肋中部宽度的增大，承载力提高百分比依次为 4.2%(60 mm)，6.4%(100 mm)，10.2%(120 mm)，16.8%(160 mm)，因此增大管桩的横向凸肋中部宽度可以增大极限承载力。

各级荷载工况下的桩轴力沿桩身呈非均匀分布状态，桩顶至桩端轴力逐渐减小;随着横向凸肋中部宽度的增大，桩轴向荷载减小趋势越来越大，在最后一级荷载2500 kN的作用下，桩端轴向荷载随横向凸肋中部宽度增大分别为235 kN，130 kN，82 kN，62 kN，10 kN，分别占最后一级加载值的 9.4%，5.2%，3.2%，2.5%，0.4%。分析可知当横向凸肋中部宽度越大时，单节桩肋部横向凸肋净距离就越小，则横向凸肋之间发生力的相互作用也就比较多，桩土之间影响的范围就比较大。当横向凸肋中部宽度越小时，单节桩肋部横向凸肋净距离就越大，相互之间的影响就越小。同时由于负摩阻力的作用，桩身轴应力从下往上转移，桩身轴应力随着距桩顶深度变化都是呈现抛物线变化。

图2 桩端阻力与总荷载比较图

2.2 荷载分担曲线图

由图2和图3可知在桩土作用过程中，随着横向凸肋中部宽度增大，肋部端阻力对承担轴力作用就越明显，侧摩阻力就越大，桩端阻力值就越小。说明在其他参数不变的情况下，增大横向凸肋中部宽度，肋部端阻力也将增大，从而增大侧摩阻力，使之成为摩擦桩。

图3 桩侧摩阻力与总荷载比较图

3 结语

通过MIDAS/GTS对新型带肋预应力管桩的单桩静载试验的数值模拟，模拟不同宽度横向中部凸肋新型带肋预应力管桩，得出不同宽度横向中部凸肋下新型带肋预应力管桩Q—S曲线和荷载分担曲线图，分析Q—S曲线、荷载分担曲线图及轴力的变化情况，从不同角度来说明横向凸肋中部宽度对竖向承载性能的影响，得到以下结论:

1)桩顶沉降量随横向凸肋中部宽度增大而减小，同时随着管桩的横向凸肋中部宽度的增大，承载力提高，因此增大管桩的横向凸肋中部宽度可以增大极限承载力。

2)桩轴力沿桩身呈非均匀分布状态，桩顶至桩端轴力逐渐减小;随着横向凸肋中部宽度的增大，桩轴向荷载减小趋势越来越大，最后成为摩擦桩。

[1]熊厚仁，牛志荣，蒋元海，等.新型带肋预应力管桩承载特性试验研究[J].混凝土与水泥制品，2009(2):32-35.

[2]XIONG Houren，NIU Zhirong，JIANG Yuanhai，et al.The Critical Research on Numerical Simulation of Interaction Mechanisms of Ribs on the New Prestressed Pipe-Pile with Ribs，International Conference on Technology of Architecture and Structure，China，Shanghai，2009:278-287.

[3]熊厚仁，牛志荣，蒋元海.竖向荷载作用下新型带肋预应力管桩的数值模拟研究[J].建筑结构，2010，40(10):107-109.

[4]钱德玲，张文彦，曹光暄，等.基于GTS对单桩静载试验的有限元模拟分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2009，32(2):234-237.

[5]齐良峰，简 浩，唐丽云.引入接触单元模拟桩土共同作用[J].岩土力学，2005，26(1):127-130.

[6]毛坚强.接触问题的一种有限元解法及其在岩土工程中的应用[J].土木工程学报，2004，37(4):70-75.