超高性能混凝土管桩承载能力及影响因素数值分析

黄家森

(广西北投交通养护科技集团有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

软土地基当中采用超高强度混凝土管桩施工具有较大的优越性，主要是因为其具有承载力高、工艺简单、造价低以及效果好等特点。近年来，国内学者对混凝土管桩施工进行了一些研究，邱鹤、谭祥韶[1-2]以某工程为例，通过对倾斜预应力管桩的分析，研究了桩长以及桩倾角变化对管桩承载力的影响，研究表明，当管桩倾角达到一定值时，会对其极限承载力产生影响。徐燕、吴军杰等[3-4]以沿海地区工程为研究分析对象，重点分析预应力管桩的施工特点和加固机理，并对持力层、桩端入土深度、挤土效应等进行了分析。何旭龙、张超等[5-6]介绍了预应力管桩具有的强度高、承载力强以及施工方便、环保等特点，并以某铁路软基处理为研究对象，从预应力管桩计算、方案设计和施工技术等方面作了详细探讨。慕雪、郭贝[7-8]在介绍预应力管桩优点的基础上，分析了其存在断桩、上浮和倾斜等缺点，并以实际工程实例对在施工中应采取的预防措施进行了分析。目前的研究中，大多聚焦于预应力管桩的施工工艺及其特点，少有分析预应力管桩自身参数变化对其性能发挥的影响。鉴于此，本文主要以高强度混凝土(PHC)管桩和超高强度混凝土(UHPC)管桩为研究对象，分析了二者的承载能力，并重点分析了参数变化对UHPC管桩的轴向承载力影响规律，研究结果可为类似工程设计提供参考和借鉴。

1 概述

某桥梁工程下部结构采用桩基础形式，本文将UHPC的特性与预制桥面板相结合，提出采用一种适用于装配式桥梁的非预应力UHPC管桩基础。这种桩基础不仅可以提高管桩的承载能力和混凝土耐久性，还取消了一般预应力钢筋的使用，取而代之的是普通带肋钢筋，其作为纵筋和接桩锚固钢筋使用，可以在一定程度上提高装配式桩基础施工效率。

2 数值建模

本文为了探讨超高性能混凝土管桩承载能力及参数影响特性，不指定工况。如图1所示，采用大型有限元软件ABAQUS建立数值分析模型，假定管桩的外直径为500 mm，混凝土壁厚为100 mm，分别建立UHPC管桩和PHC管桩模型，具体尺寸详见表1。其中混凝土和钢筋分别采用CSD8R三维实体单元和T3D2三维桁架单元，PHC管桩模型采用预应力，本文预应力的施加采用降温法[5]，UHPC管桩采用大直径纵筋代替预应力钢筋，表2为混凝土和钢筋的物理力学参数，图2为管桩钢筋配筋示意图。

图1 数值模型图

图2 管桩钢筋配筋示意图

表1 模型的力学参数表

表2 材料的物理力学参数表

3 数值结果分析

3.1 UHPC与PHC管桩对比分析

为了对比UHPC管桩与PHC管桩二者的轴向承载性能，如图3所示，提取得到了UHPC管桩与PHC管桩二者的轴力-位移关系曲线。由图3可知，在管桩轴心受压的弹性阶段，轴力-位移曲线呈现出近似线性变化，二者达到峰值荷载后开始进入非弹性阶段。UHPC管桩在达到峰值荷载之后承载力明显下降，持续加载直至管桩破坏，之后管桩的承载力大小基本趋于稳定；PHC管桩在到达峰值荷载之后，位移迅速增大，即该管桩混凝土迅速开裂破坏，同时承载力下降，但由于预应力存在，此时钢筋仍未屈服，承载力出现缓慢上升的趋势，随着轴压的不断增大，钢筋发生屈服，管桩整体破坏，之后管桩的承载力大小基本趋于稳定。此外，由图3可知，UHPC管桩的抗压承载力明显高于PHC管桩，UHPC管桩与PHC管桩极限承载分别为16 246 kN和4 978 kN，对应的极限位移分别为5.14 mm和2.35 mm，即UHPC管桩极限承载力和极限位移分别为PHC管桩的3.3倍和2.2倍。

为了反映极限承载力状态下管桩的特征，如图4和图5所示，以PHC管桩为例，提取得到了轴向荷载取4 978 kN时的管桩损伤云图和钢筋应力云图。由图4～5可知，在轴向荷载取4 978 kN时，PHC管桩出现中间鼓包，两端鼓曲现象，此时PHC管桩损伤最大，预应力钢筋和箍筋均开始发生屈服。对于UHPC管桩，在轴向荷载取16 246 kN时，只在钢底座附近产生局部小范围损伤，此时的纵筋和箍筋均没有屈服，说明UHPC管桩可以承受更大的轴向荷载。

图3 混凝土管桩轴力-位移关系曲线图

(a)PHC桩

(b)UHPC桩

(a)PHC桩

(b)UHPC桩

3.2 影响UHPC管桩轴向承载力的参数分析

为了研究探索影响UHPC管桩轴向承载能力的因素，本节以上述UHPC管桩模型为例，采用控制变量法对混凝土壁厚d、混凝土强度以及箍筋配箍率的影响进行分析。

3.2.1 混凝土壁厚d影响分析

为研究UHPC管桩混凝土壁厚d变化对其轴向承载力的影响，取壁厚d分别为80 mm、100 mm、120 mm三种工况，其他参数保持不变，图6所示为监测到的不同壁厚d时的管桩轴力-位移曲线。由图6可知，不同壁厚时的轴力-位移曲线规律相同，即在未达到极限承载力之前，管桩轴力-位移曲线呈现出近似线性变化，在达到极限承载力之后，管桩逐渐出现脆性破坏，轴向变形缓慢增大，持续加载直至管桩破坏。对比三条曲线可知，壁厚d为80 mm、100 mm、120 mm时对应的管桩极限承载力分别为13 580 kN、16 445 kN、18 876 kN，相比壁厚d取80 mm，壁厚d取100 mm和120 mm时管桩极限承载力分别增大了21.1%和39.0%，即随着混凝土壁厚d的增大，管桩极限抗压强度增大，且呈正相关增大规律。

图6 不同壁厚d时轴力-位移曲线图

3.2.2 混凝土强度影响分析

为研究UHPC管桩混凝土强度变化对其轴向承载力的影响，取混凝土强度分别为UHPC120、UHPC150、UHPC180三种工况，其他参数保持不变，图7所示为监测到的不同混凝土强度时的管桩轴力-位移曲线。由图7可知，不同混凝土强度时的轴力-位移曲线规律相同。对比三条曲线可知，UHPC120、UHPC150、UHPC180对应的管桩极限承载力分别为13 264 kN、16 445 kN、18 135 kN，相比混凝土强度取UHPC120，混凝土强度取UHPC150和UHPC180时管桩极限承载力分别增大了24.0%和36.7%，即随着混凝土强度的增大，管桩极限抗压强度不断增大，且呈现出正相关增大规律。

图7 不同混凝土强度时轴力-位移曲线图

3.2.3 箍筋配箍率影响分析

为研究UHPC管桩箍筋配箍率变化对其轴向承载力的影响，如图8所示，通过改变箍筋直径D来改变箍筋的配筋率，分别取箍筋直径D为5 mm、10 mm、15 mm三种工况，其他参数保持不变。由图8可知，不同箍筋配箍率时的轴力-位移曲线规律相同，在未达到极限承载力之前，三种管桩轴力-位移曲线基本重合，即模型的抗压刚度基本一致。对比三条曲线可知，箍筋直径D取5 mm、10 mm、15 mm时对应的管桩极限承载力分别为16 445 kN、16 856 kN、17 040 kN，相比箍筋直径D取5 mm，箍筋直径D取10 mm和15 mm时管桩极限承载力分别增大了2.5%和3.6%，即随着箍筋配箍率的增大，管桩极限抗压强度略微增大，说明通过提高箍筋配箍率对提高UHPC管桩极限承载力的作用微乎其微。

图8 不同箍筋直径D时轴力-位移曲线图

4 结语

本文主要以PHC管桩和UHPC管桩为研究对象，分析了二者的承载能力，并重点分析了参数变化对UHPC管桩的轴向承载力影响规律，得到以下结论：

(1)UHPC管桩的抗压承载力明显高于PHC管桩，PHC管桩与UHPC管桩极限承载分别为4 978 kN和16 246 kN，对应的极限位移分别为2.35 mm和5.14 mm，即UHPC管桩极限承载力和极限位移分别为PHC管桩的3.3倍和2.2倍。

(2)改变混凝土壁厚、强度和箍筋配筋率等参数时，轴力-位移曲线规律均不变，在未达到极限承载力之前，管桩轴力-位移曲线呈现出近似线性变化，在达到极限承载力之后，管桩逐渐出现脆性破坏，轴向变形缓慢增大，持续加载直至管桩破坏。

(3)随着混凝土壁厚、混凝土强度的增大，管桩极限抗压强度均增大，且二者均呈正相关增大规律。

(4)随着箍筋配箍率的增大，管桩极限抗压强度略微增大，通过提高箍筋配箍率对提高UHPC管桩极限承载力的作用不明显。