超流态混凝土灌注桩承载特性分析

杨 兴 宇

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

超流态混凝土灌注桩承载特性分析

杨 兴 宇

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

以ABAQUS软件为工具，建立了超流态混凝土灌注桩的有限元模型，分析了该桩型在不同因素影响下单桩沉降的变化规律，进一步揭示超流态混凝土灌注桩的承载特性。研究结果表明，在粘土层中设计使用超流态混凝土灌注桩时，为了充分发挥桩基的承载能力，需要设计15 m～20 m桩长，400 mm～600 mm的桩径。

承载特性，超流态混凝土灌注桩，桩顶沉降，有限元模型

0 引言

近些年来，超流态混凝土灌注桩由于其承载能力强、成桩质量好、施工振动小、造价便宜等优点，在黑龙江地区被广泛应用[1]。但是在超流态混凝土灌注桩的设计过程中，设计人员仍在使用普通钻孔灌注桩的计算理论和承载特性[2,3]，其理论研究严重滞后于实践。因此需要对该桩型的承载特性进行研究，为该桩型的进一步推广奠定基础。

本文主要做了以下两方面的工作：

1)收集整理哈尔滨西城晶华二期项目的勘察、设计和验桩资料，使用ABAQUS软件[4]，建立了超流态混凝土灌注桩的有限元模型。通过对比模拟结果和实测结果，验证了所建模型的合理性。

2)研究了超流态混凝土灌注桩在三种主要因素(桩长、桩径、桩周土体弹性模量)影响下的单桩沉降的变化规律[5,6]，进一步揭示了超流态混凝土灌注桩的承载特性。

1 超流态混凝土灌注桩有限元模型的建立

1.1 计算参数的选择

现以哈尔滨西城晶华二期项目25号楼的桩基础工程为例，该工程采用超流态混凝土灌注桩，桩和各层土体的具体参数见表1,表2。

表1 桩的计算参数取值

表2 土的物理力学性质指标

1.2 模型的基本假定和有限元模型的建立

为了使研究的问题得到简化，需要对桩和土体的模型做出如下假定：

1)桩身假定为线弹性体，土体假定为理想的弹塑性体。

2)由于钢筋对竖向荷载作用下超流态混凝土灌注桩的承载特性几乎没有影响，故在建立模型时，不考虑钢筋的影响，即假定桩中没有钢筋笼，为纯混凝土桩。

根据上述假定和桩与土体的参数，建立超流态混凝土灌注桩的有限元模型，可以得到模型的应力和位移云图，如图1所示。

1.3 计算结果与分析

1.3.1 静载实验实测值与软件模拟值的比较

使用ABAQUS软件，模拟施工现场静载实验的加载过程，将各级荷载作用下的软件模拟沉降值和实测沉降值进行对比，可得到实测沉降和模拟沉降的对比曲线，如图2所示。观察图2中的曲线可知，模拟生成的曲线和实测曲线基本吻合。当加载至1 600 kN时，图中没有出现明显的转折段和拐点，且最大位移值都没有达到《建筑桩基检测技术规范》中规定的40 mm的极限值，可以判定该桩的桩底土体还没有到达极限状态。

1.3.2 桩顶与桩端位移的比较

在实际工程中，桩顶的沉降量通常为桩身的压缩量和桩端处的沉降量之和。而桩身的压缩量可使用式(1)求得：

SS=ΔPtL/EpAp

(1)

其中，SS为桩身的压缩量;Δ为综合系数;Pt为桩顶的竖向荷载;L为桩的长度或桩的入土长度;Ep为桩材料的弹性模量;Ap为桩体的横截面面积。对于超流态混凝土灌注桩，当长径比L/d<40时，取Δ=1/2。当长径比L/d≥40时，取Δ=1/3。本文中L/d=47.5，故取Δ=1/3。

从模型的分析结果竖向位移云图与mises应力云图中可以发现，在荷载加载到1 600 kN的过程中，桩身的竖向应力随着桩进入土体的深度的增大而逐渐变小，桩身的沉降也随着桩进入土体的深度的增大而不断降低。当加载到最后一级荷载时，我们可以看到桩顶的位移为9.24 mm，桩端位移为6.43 mm。而通过上述的桩身压缩量公式计算可知：实际桩的压缩量为2.69 mm。由表3中对比可知，现场测量的值和模拟计算的结果基本一致。证明了所建的模型是合理的。

表3 沉降的模拟值和实测值

1.3.3 桩侧摩阻力发挥特性

在模型的分析结果中，提取各深度对应的侧阻力值(CSHEAR1)，绘制出图3所示超流态混凝土灌注桩的侧阻力曲线图。从图3中能够看出，桩侧摩阻力随深度变化的曲线出现了两个峰值，第一个峰值位于-1.8 m处，处于粉质粘土层中，当荷载加载到1 280 kN时，出现了峰值57.6 kPa，之后随着桩体顶部的加载量的继续增大，桩侧摩阻力却在不断的降低，说明此时的桩和桩周土的接触面已屈服。规范中给出了粉质粘土中，超流态混凝土灌注桩的极限侧摩阻力值的取值范围为42 kPa～62 kPa，故满足规范的要求。而在勘察报告中，提供了粉质粘土层中的桩侧的极限摩阻力值为55 kPa，可以发现，模拟值、规范值和勘察报告提供的侧摩阻力极限值非常接近，这说明了所建模型的有效性和精确性。

2 超流态混凝土灌注桩承载特性分析

2.1 桩长对超流态混凝土灌注桩承载特性的影响

假设桩径为400 mm，桩的弹性模量为30 GPa，桩周土体假定为表4中的粘土，分别建立桩长为10 m，15 m，20 m，25 m时，超流态混凝土灌注桩的有限元模型。提取模拟结果，可绘制不同桩长对应的荷载—沉降关系曲线，如图4所示。

表4 桩周土体的物理力学参数

由图4可知，在同一桩顶荷载的作用下，随着桩长的增长，桩的沉降量在不断减小，但这种减小的幅度在不断下降。当加载到1 600 kN时，10 m桩和15 m桩的最终的沉降值相差3.7 mm。而20 m桩和25 m桩的沉降值仅相差0.7 mm，两条曲线基本重合，这说明在粘土中，当超流态混凝土灌注桩的桩长达到20 m后，增大桩长已无法有效提升桩基的承载力。因此在粘土层中，设计15 m～20 m的超流态混凝土灌注桩较为合适。

2.2 桩径对超流态混凝土灌注桩承载特性的影响

假定桩的弹性模量为30 GPa，桩长为20 m，桩周土体假定为表4中的粘土，分别建立桩径为400 mm，500 mm，600 mm，700 mm时，超流态混凝土灌注桩的有限元模型。提取模拟结果，可绘制不同桩径对应的荷载—沉降关系曲线，如图5所示。

由图5可知，当桩顶荷载相同时，桩的直径越大，桩顶的沉降量就越小。观察桩径为600 mm和700 mm桩的沉降曲线发现，两条曲线接近重合，说明当桩径达到600 mm后，继续增大桩径已无法有效提升桩基的承载能力。因此在粘土层中，设计桩径为500 mm～600 mm的超流态混凝土灌注桩较为合适。

2.3 桩周土体弹性模量对超流态混凝土灌注桩承载特性的影响

在本节中，假设桩的长度为20 m，桩的直径为400 mm，桩的弹性模量为30 GPa，桩周土体假定为表4中的粘土，土体的弹性模量分别取12 MPa,24 MPa，36 MPa，来建立超流态混凝土灌注桩的有限元模型，在模拟结果中提取各级荷载作用下桩顶沉降的数值，可总结绘制出不同桩周土体弹性模量对应的荷载—沉降关系曲线图，如图6所示。

从图6中可知，当桩顶施加的荷载相同时，桩顶的沉降量随着土体弹性模量的增大而显著减小。因此在施工中，可以通过强夯等手段，增大地基土的弹性模量，从而达到减小桩基沉降，增大桩基承载力的目的。

3 结语

1)通过模拟研究可知，超流态混凝土灌注桩的侧阻力承担了绝大多数的上部荷载，因此超流态混凝土灌注桩应该是一种端承—摩擦桩。

2)在粘土层中，采用桩径为400 mm～600 mm、桩长为15 m～20 m的超流态混凝土灌注桩，可以最大程度的发挥出桩基的承载能力，并避免由于桩长和桩径过大导致的施工难度增大和成本增加。

3)在施工过程中，可以通过强夯，增大地基土的弹性模量，使桩侧摩阻力得到更充分的发挥，从而达到减小桩基沉降，增大桩基承载力的目的。

[1] 周凤林,张秋媛.孔底注浆超流态混凝土桩新施工技术研究[J].山西建筑,2011,37(19):45-46.

[2] DB 23/T360—2010，钻孔压灌超流态混凝土桩基础技术规程[S].

[3] 左秉旭,林 芳.超流态混凝土灌注桩工艺特点及承载力计算分析[J].探矿工程,2008(5):47-51.

[4] 费 康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010:3-5.

[5] 刘兴华.单桩竖向荷载传递的性状分析及工程应用[D].西安：长安大学硕士学位论文,2007:8-10.

[6] 李伟伟.长螺旋钻孔压灌混凝土桩承载特性研究分析——基于ABAQUS有限元软件[D].合肥:合肥工业大学硕士学位论文,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

杨兴宇(1992- )，男，在读硕士

TU473.1

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