预制混凝土管桩桩—板结构的抗弯性能研究

马 杰 戴元志 李怡彬

(1.南京河西工程项目管理有限公司，江苏南京 210000;2.江苏河海工程技术有限公司，江苏南京 210098; 3.玉溪农业职业技术学院，云南玉溪 653100)

0 引言

我国软土地基分布广泛，软土特性复杂多变，如长江三角洲地区为冲积、湖积相及滨海相淤泥质粘土，黄淮地区主要为冲积、洪积相淤泥质粉质粘土、粉土，东南沿海地区主要为滨海相、泻湖相淤泥、淤泥土。在复杂的软土地基上修建建筑物(构筑物)时，不仅要保证其稳定性，还要对其变形和工后沉降进行严格的控制。因此，工程建设前往往需要对软弱地基进行加固，而预制混凝土管桩就是一种有效的地基加固方法。

预制混凝土管桩是采用张拉预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，按外径分为300 mm，400 mm，500 mm，600 mm，800 mm，1 000 mm，1 200 mm，1 300 mm和1 400 mm等不同的规格，目前使用的管桩以400 mm，600 mm外径居多。按照钢筋含量可将管桩分为A型、AB型、B型、C型。管桩全是工厂化生产，常用节长8 m～12 m，也可根据实际情况进行尺寸定制［1］。

管桩施工完成后往往在桩顶浇筑混凝土板，形成桩—板结构［2，3］。加至桩—板结构上的荷载通过板分配给桩和桩周土，如此一来，管桩受力中心常常不在桩身轴线上，即产生偏心荷载。作为空心桩，管桩的抗弯性能差，偏心荷载下产生的桩身弯矩不容忽视。因此，实际应用中，控制管桩承载性能的可能是桩身弯矩而非竖向承载力。

文章结合某实际工程，通过工程地质勘查报告获得场地土层的物理力学参数，通过大型的三维有限元数值软件ABAQUS建立数值模型，计算了预制预应力混凝土管桩桩—板结构在竖向荷载下产生的桩身弯矩，从而揭示了桩身弯矩对管桩设计使用的影响。

1 工程概况

某工程场地位于临海滩涂地带，分布着大范围淤泥类软土。部分建筑物(构筑物)基础采用填土(堆填碎石)地基，未对深部及临海侧软土进行加固处理。使用过程中，场地堆载速率过快，堆载量过大，无间歇期，无分层压实处理，平均堆载厚度远超过了淤泥类软土的承载能力，导致地基土产生失稳滑移，外侧地面隆起，地基上建筑物地面多处开裂，致使建筑物无法正常投入使用。除此之外，距离原有建筑物外侧5 m处，拟新建一条施工通道，供施工车辆和行人使用。鉴于场地已发生明显破坏，需对场地进行勘探，根据地质勘探结果选择合适的地基加固方案对场地进行处理，以满足原有构筑物与新建施工通道的(新荷载)正常工作。

2 场地工程地质情况与加固方案

拟建场地西侧为丘陵山地，该场地原为养殖塘、淤泥浅滩，大部分已回填，回填土主要为宕渣，碎块石含量超过50%，回填土厚度差异较大，一般在5 m～7 m，局部可达9 m以上。拟建场址西高东低，实测地面标高一般为－0.20 m～6.40 m。根据勘察野外钻探、原位测试及室内试验所取得地基土物理力学性质指标，将勘探深度内岩土体划分为6个工程地质层组，细分为9个工程地质亚层，自上而下分述如下:素填土、淤泥、淤泥质黏土、含碎石粉质黏土、全风化凝灰岩、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩。拟建场地表面局部分布有素填土，成分主要由粘性土混碎块石组成，平均厚度一般为5.0 m～7.0 m，土质不均，结构松散，性质差，稳定性差，对场址地基稳定性有一定影响，设计施工时应采取合理措施。场址普遍分布淤泥及淤泥质土，场址软土地基土承载力特征值一般为50 kPa～60 kPa，软土厚度一般在1 m～32.5 m，具天然含水量及孔隙比高、压缩性大、强度低、渗透性差、高灵敏度、易触变、沉降量大且沉降历时长等特点。软土厚度不均，加之基岩面分布倾斜，在场地堆填土厚度达到和超过所能承受的极限高度后，场地地基土必然产生失稳滑移。

结合场地特性与建设方案，拟对施工通道下方进行预制混凝土管桩桩—板结构加固，该加固一方面用于支撑施工通道的竖向荷载，另一方面用于阻止滑动破坏继续发展。具体加固方案为:四排梅花形布桩的预应力混凝土管桩桩—板结构，桩径为600 mm，排间距为1.3 m，四排桩自左向右分别为 P1，P2，P3和P4，桩长以打至强风化岩层为准。板厚为0.5 m，板宽为5.2 m。

3 数值模型建立

3.1 模型建立

场地加固前，通过三维有限元软件对拟采用的加固方案进行验证，计算使用达索SIMULIA公司开发的ABAQUS有限元软件［4］。图1给出了计算模型的网格划分图。取场地其中一个剖面(垂直于施工通道延伸方向)建立数值模型，模型长40.2 m(由30 m构筑物、5 m间距和5.2 m加固宽度组成)，模型宽度取两排桩厚度(约1.3 m)，模型深度为47 m。土层分布简化为直线，土层通过Mohr-Coulomb本构模型进行描述，桩—板结构采用线弹性本构模型。根据该场地地质勘察报告，计算参数取值如表1所示。

三维模型的单元划分全部采用六面体。模型中坐标系的x方向为边坡方向，y方向为施工通道延伸方向，z方向为重力方向。对模型底面的x，y，z三方向进行位移约束，对x方向的两个边界面的x方向水平位移进行约束，对y方向的两个对称边界面的y方向水平位移进行对称约束。计算中的基本步骤为:

1)建立有限元几何模型，简化土层，进行材料参数的选取及边界条件、初始条件的施加，划分网格;

2)对原有土层进行初始地应力平衡，平衡后加上填土，进行计算，分析未加固的地基变形，检验模型;

3)简化模型，在设计位置处加入管桩桩—板结构，施加施工通道荷载(100 kPa)，计算桩的承载力和变形，分析桩—板结构中桩身轴力和桩身弯矩特性。

表1 土层计算参数

图1 有限元模型的网格划分图

3.2 模型验证

为了验证模型和参数的合理性，文中建立了原来场地的计算模型，建立的数值模型及计算后的变形示意图如图2所示。从图3中可知，在基岩斜坡对应的地面处出现明显的滑动破坏。该计算结果与目前场地的实际情况相吻合，从而验证了模型的合理性。然而，计算得到的破坏位置较实际出现裂缝的位置偏斜坡下游，该结果可能由计算模型中土层简化所致，但误差在可控范围内。

图2 模型验证

3.3 计算结果分析

计算中对板顶施加100 kPa的均布荷载，荷载通过板传递给桩和桩间土。通过软件后处理功能，得到桩—板结构板顶荷载—沉降曲线、桩身轴力和桩身弯矩结果。

图3为计算得到的荷载—沉降曲线。由于桩端支撑在强风化凝灰岩上，100 kPa荷载作用下，桩—板结构板顶的最大沉降量不足10 mm，约为1.7%D(D为桩径)。计算得到的荷载—沉降曲线几乎为直线，说明桩端土仍处于弹性阶段。鉴于竖向荷载下桩基的极限承载力常取5%D，所以设计方案符合承载力要求。

图4为自左向右四排桩桩身轴力分布曲线。由于桩—板结构左右两侧边界条件不同(主要是左侧为土，右侧为边界)，在板的协调作用下，桩身轴力分布大相径庭。主要表现为第一排桩轴力变化较大，第二、三、四排桩受力相近。四排桩的轴力均沿桩身增大，表明桩侧为负摩阻力，该结果产生的原因是:桩身支撑在强风化岩石上，桩身本身的压缩量和下沉量很小，而桩周土在自重和板底荷载的综合作用下，沉降较大，大于桩体沉降。

如前所述，桩端支撑在持力层上，桩身自身的压缩和沉降较小，在结构形式和土层分布的共同作用下，桩身将产生弯矩。图5为桩身弯矩分布曲线。从图5中可知，弯矩沿深度减小，说明桩端持力层有一定的固定桩端的作用。第一排桩的桩身弯矩最小，第四排桩的桩身弯矩最大。换言之，在场地采用桩—板结构加固时，桩身会产生大的弯矩，若该弯矩大于混凝土管桩的抗弯刚度，那么该地段不便于使用预制混凝土管桩。

图3 荷载—沉降曲线

图4 桩身轴力曲线

图5 桩身弯矩分布

GB 13476—2009先张法预应力混凝土管桩第5.2混凝土有效预压应力值［1］规定预应力管桩的抗弯刚度，见表2。其中桩径为600 mm、壁厚为110 mm的预应力混凝土管桩(A类)的抗裂刚度为167 kN·m，极限抗弯刚度为250 kN·m。仍不能满足文中计算的管桩桩身抗弯要求，因此，管桩桩—板结构使用时，不仅要满足承载力要求，更重要的是验证桩身抗弯刚度。

表2 管桩抗弯性能［1］

4 结语

预制预应力钢筋混凝土管桩是一种广泛使用的软基加固方法，管桩往往结合钢筋混凝土板使用，加至板顶的荷载通过板传递给桩和桩周土，桩顶常常受偏心荷载作用，因此产生桩身弯矩。文中通过某软基加固工程，通过三维有限元软件ABAQUS计算了四排梅花形布桩的预制混凝土管桩桩—板结构。计算结果显示:管桩荷载—沉降曲线满足承载力要求;管桩桩身轴力分布满足管桩刚度要求;然而，管桩桩身产生大的弯矩，超过了设计管桩的抗弯刚度，因此不能满足抗弯要求。由该计算结果可知，管桩设计时，既要验证承载力，又要考虑桩身抗弯。