PPRC劲性体在复合地基处理中的有限元分析

李伟

摘要：PPRC劲性体复合地基是一种新型的地基处理方法，目前对其的理论研究还不够充分，为了详细分析PPRC劲性体复合地基的承载特性，本文采用有限元分析软件ANSYS根据某工程背景建立了PPRC劲性体复合地基有限元模型，以此为基础对比分析PPRC劲性体和CFG桩，得出了结论，为PPRC劲性体的推广应用提供理论依据。

Abstract： Precast Pipe-pile of Reinforced Concrete composite ground is a new method of ground treatment， and the theoretical research on it is not enough at present. In order to analyze the bearing characteristics of PPRC composite ground in detail， in this paper， finite element analysis software ANSYS is used to establish a finite element model of PPRC composite ground based on a project background， on the basis of this， the conclusion is obtained by comparing and analyzing the PPRC and CFG pile， which provides a theoretical basis for the popularization and application of PPRC.

关键词： PPRC劲性体；沉降；复合地基；有限元分析

Key words： Precast Pipe-pile of Reinforced Concrete；settlement；composite ground；finite element analysis

中图分类号：TU470 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）06-0125-02

1 概述

预制混凝土劲性体简称PPRC劲性体，是一种预应力高强度混凝土管桩，桩身采用先张法预应力钢筋和抗压强度大于C60的混凝土，单桩承载力高，能充分发挥桩和桩间土的作用，有效减小地基沉降。和目前广泛使用的CFG桩相比，具有桩身混凝土强度高、单桩承载力高、造价低、节省工期等优点，在工程建设方面有很大的应用前景。

PPRC劲性体复合地基属于刚性复合地基，由预制混凝土劲性体和桩间土共同承担上部荷载，适用于处理黏性土、粉土、砂土、人工填土和淤泥质土等地基，具有承载力高、调整幅度大、沉降变形小、沉降稳定较快等特点。在上部荷载作用下，由PPRC劲性体承担主要荷载。劲性体属于挤土桩，桩周摩阻力能得到充分发挥，端阻力随着荷载作用的时间及桩侧阻力发挥的程度而逐渐增高。同时，桩顶褥垫层发挥调节作用，使桩间土与桩身进入共同工作状态，逐渐形成复合地基。

本文根据某具体工程实例，采用ANSYS软件对PPRC劲性体复合地基进行有限元计算，同CFG桩就承载特性和变形特性进行对比分析，得出了结论，为工程实际应用提供参考。

2 ANSYS模拟分析的基本假设和有限元模型

2.1 基本假设

①同一种材料为均质、各项同性；

②桩体为线弹性体，符合广义虎克定律；

③土体为Druker-Prager理想弹塑性模型；

④桩与桩间土之间无相对滑移。

2.2 有限元分析模型

本文主要根据PPRC单桩问题进行有限元建模分析，因为单桩模型简单，各影响因素之间干扰较少，有利于分析影响因素的作用。由于PPRC劲性体属于管桩，所以为了方便计算，把桩按面积相等简化为方形。并考虑到对称性，取1/4模型进行建模分析，桩身和土体模型均采用六面体八节点单元solid45单元，网格划分时在桩顶和桩端网格加密，模型边界水平方向取20倍桩径，竖直方向为2倍桩长。考虑桩土之间的接触，设置接触单元，接触面上桩体目标面为target170单元，土体接触面为conta173单元。在模型边界水平方向施加全部约束，在底部施加z方向约束，对称面对称约束。

根据工程的实际情况，PPRC劲性体桩径400mm，桩长19m，单桩有限元模型各种材料的参数见表1。有限元模型见图1。

3 有限元结果及分析

3.1 根据现场单桩复合地基承载试验结果进行有限元加载分析，得到PPRC劲性体复合地基的荷载沉降曲线如图2所示，当桩顶荷载加到400kPa时，理论计算沉降量是11.06mm。现场单桩复合地基承载试验的结果如表2，实际的平均沉降量是11.18mm，理论值与实际值相差无几，基本相符，可以验证PPRC劲性体复合地基有限元模型的合理性和正确性。

3.2 CFG桩复合地基因其良好的特性在工程中被广泛应用，为此选取了相同桩径和桩长的CFG桩进行有限元建模分析，在相同条件下和PPRC劲性体进行对比分析。CFG桩有限元模型同图1基本一致，只是桩身弹性模量和桩截面面积略有不同。两种桩的有限元沉降计算结果如表3，图3给出了两种桩的荷载沉降曲线。

由图3可以看出，当刚开始加载时，PPRC劲性体和CFG桩产生的沉降变化趋势基本相同，幅度差别很小，随着荷载的增加，桩开始主要承担上部荷载，CFG桩产生的沉降量逐渐大于PPRC劲性体产生的沉降量，并且两个沉降值之间的差距逐渐增大，PPRC劲性体对地基沉降的作用效果逐渐明显。而在同一荷载值作用下，PPRC劲性体因桩身弹性模量大，单桩承载力高，其沉降量也要比CFG桩小。因此，相对于CFG桩，PPRC劲性体能更有效的减小地基沉降。

3.3 桩土应力比n是表征復合地基承载特性的重要参数。通过图4的荷载桩土应力比对比曲线可以看出，荷载越大，两种复合地基的桩土应力比越大。在荷载作用初期，荷载均匀传递到桩和桩间土，桩土应力比变化不大，随着荷载的增加，桩上应力加剧，PPRC劲性体因其刚度远大于CFG桩，桩体承担应力更多，并且桩土应力比在加载过程中变化幅度比CFG桩更大，在荷载较大超过300kPa后，土体的承载作用逐渐发挥，桩土应力比增长幅度逐渐减小，最后趋于稳定。在外荷载作用下，PPRC劲性体的桩土应力比始终要高于CFG桩，桩体能更多的承担荷载。

4 结论

同CFG桩相比，PPRC劲性体作为复合地基的竖向增强体，桩身弹性模量大，桩间土承载力可以得到充分发挥，产生的变形更小，能起到更好的减小沉降的效果。同时，单桩承载力更高，提高了复合地基的承载能力。因此，在进行地基处理设计时，同样的条件下，选择PPRC劲性体比CFG桩更具有工程价值。

参考文献：

[1]刘鸿权.预制混凝土劲性体PPRC在复合地基的应用[J].工程建设与设计，2016（05）：67-70.

[2]王瑞芳，雷学文.CFG桩复合地基沉降数值分析[J].建筑科学，2003（02）：38-41，45.

[3]刘胜群，吴建奇，陈玉平.ANSYS有限元软件在CFG桩复合地基中的应用[J].铁道建筑，2006（12）：66-69.

[4]蔡宁.CFG桩复合地基承载特性影响因素分析[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2011，43（06）：784-789.

[5]叶观宝.地基处理[M].中国建筑工业出版社，2009：225-237.endprint