大吨位静载试验基桩可移动桩帽有限元分析

邱发强

(厦门市工程检测中心有限公司　福建厦门　362000)



大吨位静载试验基桩可移动桩帽有限元分析

邱发强

(厦门市工程检测中心有限公司福建厦门362000)

通过结合某工程地勘等设计资料，选取典型的地质土层条件，利用有限元分析软件OpenSeesPL，研究了可移动桩帽的基桩在竖向荷载作用下，桩的竖向位移以及工作性状。同时，对影响基桩竖向承载力的桩帽偏心、桩帽倾斜以及混凝土强度等因素进行了数值模拟及分析。结果表明，桩的沉降值不受混凝土强度变化以及桩帽偏心的影响，而桩帽倾斜对于沉降值的影响是不可以忽略的。对大吨位基桩抗压静载试验具有一定的指导意义。

可移动桩帽；有限元分析；竖向抗压；静载试验

0　引言

高层建筑物主体结构的正常使用和安全与桩基础质量有着最密切的关系，桩基如果发生事故，再进行加固处理有很大难度。确保桩基础的安全与可靠离不开桩基础的检测。而抗压静载试验是公认的检测基桩竖向抗压承载力最直观、最可靠的传统方法[1]。然而，随着城市高层建筑的快速发展，桩基础所承受的荷载也在快速提高，桩基础所需承担的承载力也越来越大。

在工程中，对桩基础进行试验加载的荷载大于10000kN的试验，常常被称做大吨位静载试验。针对大吨位静载试验，往往需要制作桩帽，防止桩头承压太大而导致桩头爆裂，从而影响对桩基础承载力的判断。传统桩帽的设计通常是直接在试验桩的桩顶浇筑一个固定桩帽，这样的做法往往较为耗费工期及施工成本。本文拟设计一种可移动桩帽[2]来代替传统桩帽的制作方法，为大吨位静载试验研究做贡献。为了使可移动桩帽设计方法能够替代传统的桩帽方法，需要分析可移动桩帽的偏心受力问题、与基桩桩顶水平面的倾斜角度问题以及混凝土强度的影响问题。

1　传统桩帽与可移动桩帽的对比分析

静载试验可获取桩基设计过程中所必需的沉降数据，为设计、监理、业主、质量监督等工程参建单位提供一个合理可靠的承载力依据。通过现场的竖向抗压静载试验，能够得到试桩的荷载—沉降曲线(即Q-S曲线)，它能直观的反应基桩的破坏机理以及破坏模式。静载试验过程中所获得的荷载作用下的桩顶沉降变化曲线，对整个试验结果进行分析有帮助。传统的试验方法是直接在试验桩的桩顶浇筑一个固定桩帽，但传统的与试桩桩顶直接连接在一起的桩帽(如图1所示)尚且存在许多不足。

(1)在基桩达到龄期的条件下，常常要求静载试验桩顶的标高与设计的桩顶标高相一致，这就表示在试验前，需把试桩周围多余的土方开挖掉，再凿掉试桩上部的松散破碎层和低强度的混凝土，冲洗干净后在试桩上浇筑桩帽，桩帽浇筑完毕后又需等到桩帽的混凝土强度达到要求才可进行竖向抗压静载试验[3]，影响到整个工程的施工进度。

(2)为了防止试桩在加载时因荷载太大而导致桩帽被破坏，从而被迫终止试验，影响试验结果的客观性及可靠性。静载试验桩帽的混凝土强度等级一般会比试桩本身的混凝土强度高1～2等级，且试桩桩帽在距桩顶的一定桩径范围内均会用钢板围裹或设置箍筋，桩帽内部也会设置几层钢筋网片。从经济上考虑增加了试验的成本。

(3)大吨位的静载试验试桩的桩径一般都比较大，在浇筑桩帽时常常会因为没有控制好垂直度，造成桩帽的轴心与试桩的轴心不重合，实际试验时桩顶可能会受到偏心力矩的作用，使试桩处于不利的受力状态，容易把桩头压裂，影响试验结果。

从大吨位静载试验传统桩帽的分析不难看出，桩帽的设计还存在许多的不足，因此，本文针对以上几个问题提出了一种新的桩帽设计，即在原有的桩帽设计基础上，设计一个可吊装的移动式桩帽，如图2所示。

一个单位工程的基桩通常需要做1%且不少于3根的静载试验，这就表示一个单位工程的总桩数越多，所做的静载试验根数就越多。在试验前便可先针对这个工程的桩型，按照图2的设计提前先做一个可以移动的桩帽，这就使得可移动式桩帽具有如下几个优点：

(1)因桩帽在距桩顶的一定桩径范围内均会用钢板用来围裹或设置箍筋，桩帽内部也会设置几层钢筋网片，如果每一根试验桩均需做桩帽，所需的成本较大，改用可移动式的桩帽时，便不需要在每一根试验桩上做桩帽，只需在做试验前把可移动式桩帽吊装至试验桩上便可进行试验，试验完成后再吊至下一根试验桩，节约了成本。

(2)每一根试验桩如果都需要做桩帽，对整个试验的进度也具有一定的影响。当采用可移动式的桩帽时，桩顶上便无需再做桩帽，当做完一根试验桩时，把可移动试桩帽再吊桩至下一根的试验桩，大大节省了试验的工期。

(3)在做静载试验前，先将桩顶整平，再找出桩的中心点，试验时只需把可移动试桩帽的轴心与桩的中心点对齐，便可以较好的控制好桩帽与桩轴心的垂直度，使试桩处于较有利的受力状态，保证试验的可靠性。

综上所述，从大吨位静载试验传统桩帽的分析不难看出，传统桩帽的设计还存在许多的不足，本文研究内容是尝试制作一个可移动式的桩帽，采用三维有限元分析软件来建立一个用于基桩单桩竖向抗压静载试验的可移动式预制桩帽模型，分析可移动式预制桩帽在抗压静载试验过程中与试桩之间的相互影响，讨论可移动式预制桩帽在做抗压静载试验的可行性。

2　可移动桩帽静载试验过程中不利因素的有限元分析

通过结合某工程地勘等设计料，选取典型的地质土层条件，利用有限元分析软件OpenSeesPL[4]，研究了可移动桩帽的基桩在竖向荷载作用下，桩的竖向位移以及工作性状。同时，对影响基桩竖向承载力的桩帽偏心、桩帽倾斜以及混凝土强度等因素进行了数值模拟及分析。

2.1桩-土模型的建立

OpenSeesPL提出了一种通用的框架，有助于简化三维有限分析系统对土壤和土壤结构分析。建模通过对基本特征进行定义形成几何模型。试验中的基桩是受竖向荷载，我们可以用空间对称模型来模拟基桩的力学性状，其几何模型如图3所示。

2.2有限元分析

利用已建立的模型，对数值模拟的结果进行分析讨论，得出一些对工程实际有意义的结论。首先研究了在不偏心情况下，基桩在竖向荷载下的沉降情况以及反应性状。其次，桩帽偏心或倾斜时，对试桩的沉降以及反应性状影响。最后，通过改变混凝土强度，同一荷载水平条件，强度不同是否产生一定的影响。将桩静载试验的各级加载作为每级荷载的增量，计算荷载达到静载试验的最大荷载为止。桩顶施加集中荷载，逐级加载，每级荷载1 000kN，总荷载为10 000kN，桩径为1 200mm。将桩帽及上部结构对于桩基的作用简化为桩顶部的力和力矩。

2.2.1模型验证

当桩帽不偏心时，对桩顶部中心施加竖向荷载。这相当与传统桩帽在竖向力作用时的受力情况。研究在一般的情况下，数值模拟的结果是否在合理的范围之内，验证模型的可靠性。首先对于土壤弹塑性进行了讨论，分别定义土壤材料为线性与非线性[5]，模拟结果与实测值进行了对比分析。

从图4中桩顶荷载-沉降的分析比较曲线可以看出，非线性计算的结果是更接近实测值，桩顶处的沉降受到土体非线性的影响比较明显，并随着竖向荷载的增加，这种影响越来越明显。在荷载较小时，模拟结果略小于实测值，但是，当较大荷载屈服后，数值模拟结果大于实测值。总体上来看，模拟结果与实测结果基本相符。

2.2.2偏心受压的单桩承载力

可移动桩帽在试验时，由于难以控制桩帽的垂直度，可能造成桩帽的轴心与试桩的轴心不重合的状况。实际试验时，桩帽偏心使得桩顶受到偏心力矩的作用，使得试桩处于不利的受力状态，对单桩的竖向承载能力有一定影响。因此，讨论桩帽偏心对于单桩的竖向承载力的影响是很有必要的。接下来将讨论在相同荷载的情况下，偏心距不同对整根桩的沉降值的影响。根据力的平移定理——作用在刚体上的力F，可以平移到同一刚体上的任一点O，但必须附加一个力偶，其力偶矩等于力F对新作用点O之矩，e为偏心距大小。当有偏心距时，将偏心力简化为作用于桩顶中心处的力以及附加一个力偶M，且

M=F×e

(3-1)

偏心受力我们将分四类情况来讨论：在可以移动桩帽混凝土强度不变的情况下，偏心距为e=0m,e=0.2m,e=0.4m,e=0.6m时；数值模拟结果如图5所示。

从图5中给出的力矩增大时桩顶荷载与桩顶沉降关系可以看出，偏心力对于基桩的沉降值影响值不大。当偏心距 时，最大沉降值达到5.99mm，而偏心距达到0.6m时，最大沉降值达到6.21mm，沉降偏离值仅达到3.7%，影响较小。

2.2.4桩帽倾斜时对于单桩承载力的影响

当可移动桩帽吊装时，由于桩顶处与桩帽底部混凝土并没有直接相连，可能造成桩帽底部与桩顶处形成一定的角度。因此，讨论桩帽倾斜时对单桩的承载能力即沉降值是否会有影响。本节将讨论倾斜角度为5°、10°、15°这三种情况对试验结果是否有影响。

从图6、图7、图8上可以看出，随着桩帽倾斜度的增大，加载在桩帽上的力也变小了，沉降值从倾斜角为0°时的5.99mm减小到了5.35mm，沉降的偏离值达10%，需引起重视。从另外一个角度来看，当倾斜角度增大时，真正加载到桩顶处的荷载达不到预期的值，所以试验结果是有存在很大误差的。所以控制可移动桩帽的垂直度在试验中是非常重要的。

2.2.5混凝土强度变化对单桩承载力的影响

在竖向力的作用下，试验桩处于受压的状态。而桩身抗压强度高，承载力主要由土壤来承受。接下来将讨论混凝土强度不同时，对于桩基在不同程度偏心受压情况的影响。模拟结果图9、图10 、图11所示。

由图9、图10、图11可得，当混凝土强度改变时，不同的受压情况下，基桩的沉降值的变化都是非常小的。混凝土强度为C25时，e=0m时最大沉降值为6.16mm，e=0.2m是最大沉降值为6.28mm，比e=0m时的沉降值仅增加了1.9%，e=0.4m时最大沉降值为6.35mm，比e=0m时的沉降值仅增加了3.1%，偏心距为e=0.6m时最大沉降值为6.45mm，比e=0m时的沉降值仅增加了不足5%。混凝土强度不同时，偏心受力所影响的差值最大就是C25时的差值，所以可以说明偏心受力情况下，竖向抗压静载试验桩基的沉降值变化不大。以下也将从同一荷载水平下，不同偏心距的情况，不同混凝土强度沉降值对比分析。

从图12、图13、图14、图15可得，当偏心距e改变时，最大沉降值差值随着偏心距的增大有所增大，最大差值是对应的是偏心距e达到最大值0.6m时，C25混凝土沉降值达到了6.45mm，而C40混凝土的沉降值则是6.15mm，差值最大为4.6%。对比分析可知，一方面体现出混凝土强度增大，桩身的抗压承载能力提高了；另一方面也体现在偏心所造成的沉降值增大，但是偏离值最大也不足5%，可以说明偏心对于沉降值的影响很小。

3　结论

本文采用以基桩为线性弹性材料，土体材料为非线性弹性材料，运用有限元软件OpenSeesPL对桩基静载试验进行了模拟，得到以下的一些结论：

(1)结合现场实体工程得到的桩顶-沉降数据，将模拟结果与其进行对比分析，结果显示模拟结果能较好的反映现场试验的实际情况，建议多模拟几组实测成果进行对比，验证模型的适用合理性，以便于可以进一步的应用。

(2)通过在不同的偏心状态下，可以得出偏心对于基桩的承载力的影响是非常小。

(3)桩帽倾斜对试验结果影响较大，且会对试验结果评价造成误差。

(4)通过分析桩身混凝土不同时，偏心受压对于沉降值的影响，结果显示不同混凝土强度下，偏心的影响依然都是非常小的，进而可发现，混凝土强度增大时，沉降值减小，说明了桩身承载力有所提高。

(5)在竖向荷载作用下，应变值最大是发生在桩端土，很好的体现了桩的作用，将荷载传递给桩侧土和桩端土。沉降值主要由桩身混凝土自身的弹塑性压缩与桩下土体产生的桩端沉降的总和，桩身混凝土的质量及桩的完整性对桩端沉降有重要影响。

[1]中华人民共和国建设部.建筑基桩检测技术规范(JGJ106-2014)[S].北京: 中国建筑工业出版社.2014.

[2]邱发强,罗晓东,翁俊梅,郑万芳,罗建彬,余察军.一种可移动的静载试验桩帽[P].中国福建: 201420499258, 2014-09-01.

[3]方卫东.大吨位基桩单桩竖向抗压静载试验检测方案[J].西部探矿工程.2005.(07).9-10 .

[4]Lu Jinchi, Elgamal Ahmed, Yang Zhao hui.OpenSeesPL: 3D Lateral Pile-Ground Interaction User Manual[Z].Department of Structural Engineering.December 2011.University of California, San Diego.

[5]恭晓南.土塑性力学[M].杭州.浙江大学出版社.1997.1233-1235.

Finite Element Analysis on Movable Pile Cap of Foundation Pile with Large-tonnage Static Load test

QIU Faqiang

(Xiamen Inspection Center of Engineering, Xiamen 362000)

By referencing to data of a engineering geological survey, selecting typical geological conditions and adopting OpenSeesPL, a Finite Element Analysis (FEA) software, the author studied when under the effect of vertical load, the vertical displacement and working properties of foundation piles of movable pile caps. Meanwhile, the numerical simulation and analysis is made on pile cap offset and slope, as well as strength of concrete. The results show that sedimentation value of pile is not affected by the strength change of concret and pile cap offset, however, pile cap slope apparently influences sedimentation value. Therefore, it is instructive to compressive static load test on large tonnage foundation pile.

Movable pile cap; Finite element analysis; Vertical compression static load test

福建省住建厅科技研究开发项目(2014-K-28)

邱发强(1977.09-)，男，高级工程师。

E-mail:rainy95@sina.com

2016-03-15

TU458+.1

B

1004-6135(2016)04-0071-05