不同壁厚的大直径管桩承载性能数值分析

马雪涛,翟朝娇,耿 坤

(安徽建筑大学 土木工程学院 安徽 合肥 230601)

20世纪80年代，大直径预应力混凝土管桩研制成功，在桥梁、一些海港工程已经普遍应用[1]。许多国内外专家学者研究了桩的承载性能[2-7]。混凝土管桩的特点是成本比较低，刚度相对比较大,受力性能好。在桩基的设计中，单桩的极限承载力是一个关键设计指标[8]。现场试桩试验成本高，而数值模拟是很好的方法，它可以降低成本。本文对不同性质的土层条件下，不同等级竖向荷载作用下不同厚度大直径管桩的承载性能进行分析。

1 工程概况

1.1 地质参数

根据工程地质勘察报告可以得到各土层物理力学相关参数，如表1所示。桩体采用C60混凝土。

表1 各土层物理力学参数

1.2 试验内容

选取不同壁厚管桩进行模拟分析，本次模拟选择大直径管桩，桩径为3.6 m，桩长37 m，分别对壁厚为300 mm、400 mm、500 mm管桩进行承载性能分析。对大直径管桩采用分级加载的模拟方式，第1级加载应力大小为1.38 MPa，每级增大0.46 MPa加载，共加载17级进行竖向模拟。绘制沉降曲线分析承载性能。

1.3 计算模型

首先要根据桩长和桩径确定整个模型的网格划分，建立桩土相互作用模型，取整个模型尺寸划分为72 m×72 m×72 m，如图1所示。假定大直径管桩体选取弹性模型，土体选取摩尔-库仑塑性模型。为了方便计算，采用一半计算模型。模型计算时，固定X=-36 m和X=36 m面上所有的点的应力和位移，约束水平方向上的位移，前方边界固定Y=0 m和Y=36 m面上所有的点的应力和位移，在模型的底部固定Z=-72 m面上所有点的应力和位移，上部为自由边界。

图1 计算模型

2 结果分析

2.1 荷载沉降曲线

在不同的土层性质条件下，利用有限差分法分别对壁厚为300 mm、400 mm、500 mm管桩进行承载性能分析，其桩顶荷载沉降曲线如图2所示。

图2 管桩桩顶荷载沉降曲线

(1)随管桩壁厚增加桩顶极限承载力而增大，壁厚300 mm的极限承载力约为9 660 kN，400 mm壁厚约为11 560 kN，500 mm的极限值约为13 500 kN。3条曲线加载前期是重合的，加载后期出现分离的变化趋势,壁厚增加减少了桩顶的沉降。

(2)在同一个试桩逐级加载的荷载作用下，桩顶沉降位移也随着增加。同一等级荷载水平作用下，桩顶沉降位移也会随着管桩的壁厚的增大而减少。

(3)不同壁厚的管桩的荷载沉降曲线均为陡降型曲线，在达到破坏时会有明显的变化拐点，对应的荷载即为极限承载力。

2.2 桩轴力计算与分析

壁厚为500 mm的管桩，在不同荷载逐级加载作用下的轴力分布，如图3所示。

图3 桩身轴力分布图

从图3可以看出，在同一荷载水平作用下，沿桩身往下轴力逐渐减小。由于桩侧摩阻力的存在，至使到桩端轴力衰减很多。荷载沿着桩身传递，其轴力沿着桩身向下逐渐减小，这与桩土相互作用传递机理相符。在加载初期，桩端轴力很小甚至为零，管桩工作状态为摩擦桩。土中同一深度的轴力在随着荷载的增加而增加。在加载后期，桩身轴力分布曲线逐渐趋于平行状态而且轴力曲线的斜率逐渐减小，说明管桩侧摩阻力已经充分发挥作用。

2.3 桩侧摩阻力的结果分析

为了分析管桩侧摩阻力，以壁厚为500 mm的管桩，当桩顶有荷载时，由于桩土相互作用，使桩和土产生相对位移，出现阻止桩向下运动的侧摩阻力。侧摩阻力通过桩体的力平衡求得。桩侧摩阻力如表2所示。

表2 桩侧摩阻力

从表2可以看出，随着埋置深度的增大，桩侧阻力不同程度的发挥作用，这与不同土层性质相关。桩顶荷载的增加致使管桩侧摩阻力逐渐发挥，后趋于稳定。上部土层逐渐发挥作用并提供了主要侧摩阻力，桩端部分提供侧摩阻力比较少。在桩顶逐级加载时，管桩端的阻力发挥作用逐渐增加。在极限荷载作用下，桩端阻力会发生较大差异的变化。即桩端阻力的变化规律随着桩顶荷载的增大而发生非线性的变化。

3 结 语

(1)桩基设计对大直径管桩的壁厚选取没有依据，本文对不同壁厚的管桩进行竖向承载性能分析，以便对大直径管桩壁厚的选取提供依据。

(2)若壁厚过小，桩端土体会出现受压沉降不均匀的现象，局部土体会出现破坏，致使桩基不能继续承受竖向荷载，随着管桩壁厚增加，桩端土体受压均匀，能够提供更多的承载性能，因此在桩基设计时，无论是保证竖向承载力还是抗弯性能，都应考虑合理壁厚。

(3)随着管桩壁厚的增加而其竖向承载力增大。但增加壁厚会增加施工成本，所以实际工程中要考虑合理管桩壁厚。