预应力混凝土管桩实测与数值模拟优化对比分析.pdf

9 4 四川 建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 4 0卷第 6期 2 0 1 4年 1 2月 预应力混凝土管桩实测与数值模拟优化对比分析 何夕平 ， 常东明 ， 杨建斌 ， 童天培 ( 1 安徽建筑大学土木工程学院， 安徽 合肥2 3 0 0 2 2 ； 2 中国十七冶集 团有 限公 司， 安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 0 ； 3 中建四局第六建筑工程有限公司， 安徽 合肥2 3 0 0 0 1 ) 摘要： 预应力混凝土管桩由于具有施工速度快、 施工安全等优势已在软弱土地区被广泛使用。本文结合具体工 程， 针对地基中桩土相互作用的原理， 通过简化桩土单元体竖向相对位移分布模式 ， 引入库仑 一摩尔模型 ， 利用 F L A C一 3 D软件对预应力混凝土管桩在竖向荷载下的沉降变化进行模拟 ， 将模拟计算结果与现场静载试验结果进 行对比， 并模拟不同桩长、 不同桩径对桩基沉降的影响， 得出桩的最优设计。本文分析方法和结论可为类似工程设 计和施工提供依据， 便于工程应用。 关键词： 预应力混凝土管桩 ； 静载试验； 数值模拟 ； 沉降 中图分类号 ： T U 4 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 9 4 0 5 Th e c o mp a r a tiv e a n a l y s i s o f m o n i t o r i n g v alu e a n d n u m e r i c al s i mu l a tio n o f pr e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e HE Xi p i n g ， C HAN G Do n g mi n g ， YANG J i a n b i n ， T ONG T i a n p e i ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， A n h u i J i a n z h u U n i v e r s i t y ， H e f e i 2 3 0 0 2 2 ， C h i n a ； 2 Ch i n a Mc c l 7 Gr o u p C o ， L t d ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 0， C h i n a ； 3 C h i n a C o n s t r u c t i o n 4 T H E n g i n e e ri n g B u r e a u 6 T H C o ， L t d ， H e f e i 2 3 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： D u e t o t h e f a s t c o n s t r u c t i o n s p e e d， c o n s t ru c t i o n s a f e t y a n d S O o n， p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n s o ft s o i l r e g i o n C o mb i n e d w i t h t h e e n g i n e e ri n g p r a c t i c e， t h i s p a p e r f o c u s e d o n t h e p ri n c i p l e o f p i l e s o i l i n t e r a c t i o n i n f o u n d a t i o n， t h r o u g h s i mp l i f y t h e v e r t i c a l r e l a t i v e d i s p l a c e me n t d i s t rib u t i o n p a t t e r n o f p i l e s o i l e l e me n t I n t r o d u c e d mo h r - c o u l o mb mo d e l ， u s e d F L AC一 3 D s o f e w a r e t o s i mu l a t e d s e t t l e me n t c h a n g e s o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e u n d e r v e r t i c al l o a d， c o mp a r e d t h e r e s u l t o f n u me ri c a l s i mu l a t i o n w i t h t h e r e s u l t o f s t a t i c l o a d i n g t e s t ， a n d t h e n s i mu l a t e d t h e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e w h i c h h a v e d i f f e r e n t l e n g t h o r d i f f e r e n t d i a me t e r h o w t o a f f e c t e d t h e s e t t l e me n t o f p i l e f i n a l l y g e t t h e o p t i mu m d e s i g n o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e I n t h i s p a p e r a n a l y s i s me t h o d a n d c o n c l u s i o n c a n p r o v i de r e f e r e nc e f o r s i mi l a r e n g i n e e r i n g de s i g n a n d c on s t ruc t i o n， a n d c o nv e ni e n t for e n g i n e e ring a pp l i c a t i o n s Ke y wo r d s ： p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p i l e ； s t a t i c l o a d i n g t e s t ； n u me ri c a l s i mu l a t i o n； s e t t l e me n t O 引 言 预应力混凝土管桩是采用先张法预应力离心成 型工艺制成的一种圆管形钢筋混凝土预制桩。具有 单桩承载力高 、 施工速度快 、 施工安全、 使用范 围广 等优点， 在工程 中得到广泛应用 。根据相关规范， 桩 基施工后要进行桩承载力试验 ， 虽然试验 中也 能得 到与承载力相应 的沉降 ， 但静载试验 中的沉降量 Js 与建筑物的后期沉降量 5 不同， 前者是瞬时试验 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 1 1 3 作者简介 ： 何 夕平 ( 1 9 6 3一) ， 男， 安徽合 肥人 ， 硕士 ， 教 授 ， 硕 士生导 师 ， 主要从事建筑结 构、 施工技术等方面 的研究。 基金项 目： 国家科技支撑计 划课题资助 项 目( 2 0 1 1 B A J 0 3 B 0 4 )； 安徽 省教育厅高等教 育振兴计划课题资助 ( 2 0 1 3 z d j y l 2 1 ) E m a i l - 1 0 4 7 0 8 0 55 8 q q e o m 值 ， 后者是实际最终值 。影 响单桩静载试验 中的沉 降量 S的主要因素是桩、 桩周土和桩端土的性状 ， 而 建筑物后期沉降量 s 除 了这些 因素外 ， 还与群桩效 应、 土 的蠕 动 效应 、 建 筑 物 的结 构形 式 等诸 多 因 素 1 有关。本文通过具体工程中预应力混凝土管 桩的静载试验沉降结果与数值模拟分析结果进行对 比， 得 出了一些有益的结论 ， 可为类似工程设计 、 施 工提供借鉴。 1 工程概 况 某建材大市场家具城 ， 该工程为三层框架结构 ， 基础设计采用预应力混凝土管桩 ， 桩长 3 2 i n ， 桩径 5 0 0 m m， 壁厚 1 0 0 mm， 桩身混凝土强度等级为 C 8 0 ， 总桩数 6 1 5根 ， 单 桩竖 向抗 压承载力 特征 值 1 0 0 0 k N。工程各土层的设计参数见表 1 。 何夕平， 等 ： 预应力混凝土管桩实测与数值模拟优化对比分析 9 5 表 1 土层设计 参数 Ta b l e 1 S o i l d e s i g n p a r a me t e r s 层序 土的名称 层厚 土层描述 2单桩竖向抗压静载试验 本工程分三段施工 ， 进行三段静载荷试验 ， 在第 三段随机选取 3 1 7 、 4 9 8 和 5 3 1 桩进行单桩竖 向抗 压静载试验 。 2 1 试验设备及布置 本次试验竖 向荷载 由千斤顶配合压 重平台提 供。位移测量用两只精度达 0 0 1 m m 、 量程为 5 0 m m的 M S 一 5 0型容栅式数显百分表， 对称安放在桩 两侧 ， 采用型号为 J C Q 一 5 0 3 A W 的全 自动静力载荷试 验仪进行静压试验。静载试验布置如图 1所示 。 图 1 试验 布置 F i g 1 Te s t p l a n 2 2 试验加载与分级 本工程单桩竖向抗压承载力特征值设计要求为 1 0 0 0 k N， 根据 J G J 1 0 6 -2 0 0 3 建筑基桩检测技术规 范 要求 ， 加 载量不应小于设计要求 的单 桩承载 力特征值 的 2 0倍 ， 即为 2 0 0 0 k N。分级荷载 为最 大加载量的 1 1 0 ， 即 2 0 0 k N为一级 。本 次试 验第 一 级取两倍分级荷载加荷， 即首级加载 4 0 0 k N ， 以 后各级加载 2 0 0 k N。试验采用快速维持荷载法 ， 每 级荷载达到相对稳定后且不符合终止加载条件之一 时加下一级荷载 ， 当加载到最大加载量时终止加载 ， 然后分级卸载到零 。 2 3沉降观测 根 据 规 范 J G J 1 0 6 -2 0 0 3条 文 说 明 4 3 6 4 3 7 ， 施加每级荷载后维持荷载 l h ， 按第 5 m i n 、 1 5 m in 、 3 0 ra i n 时间间隔测读桩顶沉降量， 以后每隔 1 5 m i n测读一次沉降量。若最后 1 5 ra i n时间间隔测定 的桩顶沉降增量 与相邻 1 5 m i n时间间隔测定 的桩 顶沉降增量未见明显收敛 ， 则应延长维持荷载加载 时间 ， 直至最后 1 5 m i n的沉降增量小于相邻 1 5 m i n 的沉降增量时 ， 方可施加下一级荷载。 卸载时每级卸载量为加载时的两倍 ， 每级荷载 维持 1 5 mi n ， 在第 5 、 1 5 rai n时测读一次沉降后 ， 即 可卸下一级荷载。卸载至零后 ， 应测读桩顶残余沉 降量 ， 维持时间为 2 h ， 测读时间为 5 m i n 、 1 5 m i n 、 3 0 mi n ， 以后每隔 3 0 mi n测读一次。 2 4终止加载条件 结合规范和本工程实际情况 ， 满足下列条件之 一 时即可终止加载： 1 ) 当荷载一 沉降( QS ) 曲线上有可判定极限承 载力 的陡降段 ， 且桩顶总沉降量超过 4 0 mm； 2 ) 某级荷载作用下 ， 桩顶沉降量 大于前一级荷 载作用下沉降量的两倍 ， 且经 2 4 h尚未达到稳定标 准 ； ( 3 ) 2 5 m以上 的非嵌岩桩 ， 当 QS曲线呈缓变 型时， 桩顶总沉降量大于 6 0 m m时 ； ( 4 )达到设计要求 的单桩 承载力特征值 的两 倍 ， 即为 2 0 0 0 k N。 根据以上方法 ， 测得 3 1 7 、 4 9 8 和 5 3 1 桩的荷载 一 沉降曲线分别如图 2 7所示。 图 2 3 1 7 桩的 q s曲线 F i g 2 3 1 7 p i l e o f Qs c u r v e 2 5试验结果分析 1 ) 以 3 1 7 桩 为例进行分析。从竖 向静载试 验 的 QS曲线可看 出， 当最大荷载加至 2 0 0 0 k N时 ， 桩顶最大沉降量为 6 9 1 mm， 满足 建筑基桩检测技 术规范 中对沉降量的规定( 4 0 m m) 。最后一级荷 载作用下的桩顶沉降量为 0 9 5 mm。从 5一l 曲线 看 ， 各级荷载作用下曲线较为平坦 ， 未见明显弯折 ； 9 6 四川建筑科学研究 第 4 O卷 t mi l l 5 1 5 3 O 4 5 6 0 9 0 1 8 0 # 三 苎三 睾三 =竺睾 苎皇 昌 6800 00 kk NN t _ 卜 。- 1 0 0 0k N 七 _ _ - H 1 2 0 0 k N t _ 1 4 0 0 k N t = 1 6 0 0 k N 。 。 。 1 。 。1 8 0 0 k N 。 。_ 2 0 00 1 c 图 3 3 1 7 桩的 S l g t 曲线 F i g 3 3 1 7 p i l e Sl g t d i a g r a m Q k N 4 0 0 8 0 0 l 20 0 1 6 0 0 2 0 00 图 4 4 9 8 桩的 Q S曲线 F i g 4 4 9 8 p i l e o f Q S c u r v e t mi n 1 5 3 0 45 6 0 9 0 l 3 5 2 7 0 图 5 4 9 8 桩的 S l g t 曲线 F i g 5 4 9 8 p i l e S 一 d i a g r am 图 6 5 3 1 桩的 QS曲线 F i g 6 5 3 1 p i l e o f Q S c u r v e 从卸载过程的回弹曲线看， 全部卸载后桩顶残余沉 降变形为 3 6 3 m m， 最大回弹量为3 2 8 m m， 回弹率 为 4 7 4 7 。静载试验因试验荷载达到预定最大加 载量而终止加载 。 t mi n 1 5 3 0 4 5 6 0 9 0 2l 0 图 7 5 3 1 桩 的 S l 曲线 Fi g 7 531 pi l e S l g t di ag r a m 2 ) 当试验的最大加 载量达到 2 0 0 0 k N时 ， 3根 试验桩在各级荷载作用下的沉降都稳定 ， QS曲线 线型相似 ， 均呈缓慢变形 ， 没有明显的弯折陡降段 ， 即 3根试验桩都没有达到极限状态 ， 可以认为极 限 承载力均大于 2 0 0 0 k N。 3 ) 根据 建筑桩基检测技术规范 可知， 本工程 单桩竖向抗压承载力特征值可取最大加载量载荷值 的一半， 即 2 0 0 0 2=1 0 0 0 k N。 3 数值模拟分析 本文采用 F L A C 3 D软件 别进行数值建模 ， 对 桩 、 土体分别形成单元 ， 通过简化桩土单元体竖向相 对位移分布模式 ， 引入库仑 一摩尔模型和各 向同性 弹性模型， 对预应力混凝土管桩进行模拟分析 ， 推定 在数值模拟情况下预应力混凝土桩的沉降量随荷载 的变化情况。 3 1 材料参数的选取 材料参数 由变形特性参数和强度特性参数 两 类 。快速拉格 朗 日有 限差分法采用体 积模 量 K和 剪切模量 G两个 弹性常量来 反映材料行为 ， K和 G 可由如下公式求得 ： 一 星 “ 一 3 ( 12 v ) G = 式 中， E为弹性模量 ； 为泊松比。各土层及管桩基 本参数见表 2 。 表 2 土层及桩的基本参数 Ta b l e 2 P i l e a n d t h e s o i l o f t h e b a s i c p a r am e t e r s 名 称 ， 内 嚣 角 杂填土 1 8 5 0 1 5 0 淤泥 1 7 1 0 1 4 5 淤泥质粉质粘土 1 8 2 0 3 3 5 粉质粘土与粉砂互层 2 0 0 0 4 4 含砾砂砂质粉土 1 8 4 0 7 2 5 桩 2 5 0 0 1 9 1 E 4 1 2 9 1 2 4 2 8 7 3 7 7 5 9 8 1 6 2 E 4 1 O 8 1 8 3 3 5 1 0 4 0 l 8 4 8 3 0 O 2 4 6 8 l、 0 2 4 6 8 口、 柏 加 O 3 5 7 口 口 、 2 0 1 4 N o 6 何夕平， 等： 预应力混凝土管桩实测与数值模拟优化对比分析 9 7 3 2建立 模型 模型的分析区域 为桩长 、 桩径 、 1 0倍桩径外侧 土体 、 1 5倍桩端平面以下土体的范围。模型假定桩 顶面 自由， 桩端 l 5倍 桩径范 围处的平面固定 ， 桩侧 土仅考虑在竖向有位移。对工程静载试验中 3 1 7 预应力混凝土管桩进行模拟分析 ， 建立桩土体系模 型 ， 如图 8所示。 图 8 桩土模型 Fi g 8 Pi l e s o ft mo de l 3 3 模型加载分析 模型加载与试验 时加载相同， 初始加 载为 4 0 0 k N， 此后 每级荷 载增 加量 为 2 0 0 k N， 最 终加 载值 2 0 0 0 k N， 每次加载后荷载一 沉降曲线如图 9所示。 图9 数值模拟管桩的 Q S曲线 F i g 9 N u me c a i s i mu l a t i o n o f t h e p i p e p i l e QS c u r v e 3 4 数值模拟与静载试验对 比 桩顶荷载一 沉降( Q S ) 曲线实测值与模拟值对 比如图 l 0所示 。 荷载 N 0 2 I 孟-4 蜉 6 - 8 图 1 0 QS曲线对比 F i g 1 0 QS c u r v e c o mp a ri s o n c h a r t 由图 1 0可以看出模拟结果与实测荷载一 沉降曲 线基本吻合 ， 说明模拟分析对工程设计和施工具有 一 定的指导意义。但二者之 间也有一定 的误差 ， 这 一 方面是由于模拟 中参数很难做到精确 ， 另一方面 是由于模拟中没有考虑孔隙水压的消散过程和接触 面等特性的影响。这在工程 中还需要作进一步的研 究 。 4不 同桩 长、 不 同桩径 对桩 沉 降影 响 分析 本文通过 F L A C一3 D软件模拟分析 ， 在保持桩 径不变 、 改变桩长和桩长不变 、 改变桩径等情况下 ， 分析在相 同的沉降下承载力最大或在相同的荷载下 沉降最小的桩型， 以便选择合适的桩型， 优化设计， 为类似工程提供借鉴 引。 保持桩径 D=5 0 0 m m及壁厚 d=1 0 0 m m不变 ， 改变桩长 ， 采用 L=2 0 m、 2 5 m、 2 8 m、 3 2 m、 3 5 m 五种工况对预应力混凝土管桩进行模拟分析。分析 结果如图 1 1 所示 。 0 -2 I 4 匠 螺一 6 _8 -1 0 图 l 1 不 同桩长 的 QS曲线 F i g 1 1 D i ff e r e n t p i l e l e n g t h o f Q S c u r v e 由图 1 1 可看出 ， 在相 同荷载作用下 ， 随着桩长 的增加， 桩顶沉降逐渐减小， 桩的承载力逐渐增大。 根据静载试验的 Qs曲线 ， 3根试验桩都没有达到 极限状态 。由模 拟的 QS曲线知 ， 桩长 2 8 m时 ， 其承载力 已符合设计要求。在相 同的载荷下， 尤其 是加载到 2 0 0 0 k N时 ， 长 2 0 m和 2 5 m桩 的沉降量 明显增大 ， 桩长 2 8 m与本工程设计桩长 3 2 m的沉 降相差无几 。所 以， 建议本工程 中应选用 2 8 m长的 预应力管桩 。 保持设计桩长 L = 3 2 m不变， 改变桩径 D及壁 厚 d ， 采用 Dd= 4 0 0 9 5 m m、 5 0 01 0 0 fi l m、 5 0 0 1 2 5 mm、 6 0 01 5 0 mm， 对这几种不 同型号的预应力 混凝土管桩进行模拟分析计算。分析结果如 图 1 2 9 8 四川 I 建筑科学研究 第4 0卷 所示 。 O -4 遨 8 1 2 图 1 2 不 同桩径 一壁厚的 Qs曲线 F i g 1 2 D i ff e r e n t p i l e d i a me t e r o f Q S c u r v e 由图 l 2曲线可知 ， 随着桩径 的增加 ， 桩顶沉降 值减小； 对于相同桩径不同壁厚的管桩 ， 随着壁厚的 增加 ， 桩顶沉降值有很微小 的增加。在相 同的载荷 下 ， 四种桩型之 间的沉降差异较 明显 ， 尤其在桩 型 4 0 0 9 5 m m的情况下， 其沉降量更是直线下降， 比 较危险。另外三种桩型虽都未达到极 限状态 ， 但随 着桩外径( 壁厚) 的扩大 ， 混凝 土用量就会增 加 ， 成 本就会相应提高 ， 所以， 本工程中所采用型号为 5 0 0 1 0 0 m m的桩 ， 是比较经济、 合理 的。 基本吻合 ， 说 明利用 F L A C 一 3 D模拟计算的研究方法 基本可行 ， 可为类似工程参考。 2 ) 由本文分析知 ， 增加桩长可 以增加单桩极 限 承载力 ， 并减小桩的沉 降， 但二者不成正比。桩长增 加到某一值后 ， 承载力提高幅度会越来越小 ， 同时桩 长的增加 ， 成本也相应提高。 3 ) 根据静载试验和数值模拟的优化对 比分析 ， 本工程桩采用桩径 一 壁厚为 5 0 01 0 0 m m、 桩长 2 8 m的预应力混凝土管桩 比较经济合理。本项 目的其 他工程可借鉴使用。 参 考 文 献： 5 结 语 1 ) 利用 F L A C 3 D软件模拟计算桩基 在竖向荷 载作用下的沉降， 模拟结果与实测的荷载一 沉降曲线 张忠苗 桩基工程 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 7 刘金砺 ， 高文生 建筑桩基技术规范应用 手册 M 北京 ： 中国 建筑上业 出版社 ， 2 0 0 8 J G J 1 0 6 -2 0 0 3建筑基桩检测技 术规范 s 彭文斌 F L A C 3 D实 用 教 程 M 北 京 ： 机 械 工 业 出版 社 ， 2 0l 1 陈育民， 徐 鼎平 F L A C F L A C 3 D基 础与1 - 程 实例 M 北京 ： 水利水电出版社 ， 2 0 0 9 周俊颖 ， 武志飞 预应力混凝土管桩的应用研究 J 建材技术 与应用 ， 2 0 1 2 ( 6) 胡俊合 高强预应力混 凝土管桩在 高层建筑 中应用 J 低 温 建筑技术 ， 2 0 1 2 ( 7) ( 上接第 7 1页) 接为铰接 ， 不产生附加弯矩 ， 钢拉杆与一短杆铰接 ， 短杆与桁架下弦铰接 ， 具体如图 l 3所示。 4 图 l 3 拉杆 与桁 架连接节 点 的问题 ， 采用简单有效 的方法针对性补强结构 ， 调整 结构刚度。 2 ) 原展馆外围钢管“ 脚手架 ” 对结构 的抗扭及 抗侧刚度有贡献 ， 现应按结构实际现状进行建模分 析。 3 ) 合理地增加钢支撑能有效地解决结 构侧 向 及扭转刚度较弱的问题 。 4 ) 对钢桁架采用预应力拉杆加 固能 有效提高 桁架的承载能力 ， 并控制其跨中挠度。 参 考 文 献 ： 1 上海建筑科学研究院 原世博会 日本产业馆主馆改造抗震鉴 结论 筑 抗 震 设 计 规 范 1 ) 对于钢结构改造加 固应认真分析结 构存在 3 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 钢 结构设计规范 s i j l寸 _ 益 矗