芙蓉堤澇區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土樁性能分析

田明征

(江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，江西 瑞昌 330096)

江西省氣象水文和地形地貌條件特殊，暴雨頻發(fā)，給下游人民生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅，因此洪澇災(zāi)害防治一直以來都是全省災(zāi)害治理的重點[1-2]。堤澇區(qū)堤防加固是當(dāng)前防洪措施中應(yīng)用最廣的方法，而預(yù)應(yīng)力混凝土樁由于單位承載力造價低、成樁質(zhì)量可控性強(qiáng)、質(zhì)量檢測方便等優(yōu)點，在我國堤防工程中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。目前國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力管樁的性能進(jìn)行了部分研究。李紅星等[5]開展了砂土場地基礎(chǔ)的側(cè)向荷載、側(cè)向-扭轉(zhuǎn)耦合荷載、循環(huán)荷載現(xiàn)場試驗。根據(jù)柱頂傾角、泥面位移、扭轉(zhuǎn)角和基礎(chǔ)內(nèi)的測試結(jié)果分析和對比了PHC短樁基礎(chǔ)的受力變形規(guī)律以及扭轉(zhuǎn)荷載的影響；陳驍?shù)萚6]采用MATLAB得到了PCCSSR最為經(jīng)濟(jì)且力學(xué)性能優(yōu)異的截面形式，還對PCCSSR的制作、安裝中存在的問題進(jìn)行了分析。此外還有部分學(xué)者對無黏結(jié)和裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究[7-8]。本文以芙蓉堤澇區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土樁工程為例，結(jié)合現(xiàn)場單樁承載力測試數(shù)據(jù)，分析了不同因素對預(yù)應(yīng)力管樁極限承載力的影響，并提出了降低樁身沉降的施工方法，研究結(jié)果可為相關(guān)堤防加固工程提供參考。

1 工程概況

彭澤縣芙蓉堤澇區(qū)治理工程芳湖泵站位于長江干堤(芙蓉堤)樁號8+950處，芙蓉新閘東側(cè)，總集雨面積為515.6km2，共劃分為1個治澇片，2016年7月大暴雨使?jié)硡^(qū)積水嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)卦斐蓸O大的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)現(xiàn)場初勘查明，鉆探深度范圍內(nèi)的土層可分為6個工程地質(zhì)層：①填土層，可塑或可塑-硬塑狀，層底高程-1m；②粉質(zhì)黏土層1：灰褐色，軟塑-可塑狀，層底高程-7m；③粉質(zhì)黏土層2：灰褐色、灰黃色，可塑狀，層底高程-31m；④粉質(zhì)黏土層3：灰黃色、黃色。以硬塑狀為主，局部可塑-硬塑狀，夾礓結(jié)石(較富集)，層底高程-39m；⑤輕砂壤土層：灰黃色，稍濕-濕。中密狀。夾礓結(jié)石局部夾粉質(zhì)黏土，層底高程-69m；⑥黏土層：黃色、暗黃色，硬塑狀。無搖震反應(yīng)，有光澤，干強(qiáng)度及韌性高。含氧化鐵粉末，夾礓結(jié)石(較富集)，層底高程-80m。

2 數(shù)值模型及計算參數(shù)

本次建立的混凝土樁數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 混凝土樁數(shù)值模型

模型中網(wǎng)格劃分采用三角形劃分技術(shù)，使用的有限元網(wǎng)格由1359個單元和11632個節(jié)點構(gòu)成。模型中地基土的厚度與實際勘測厚度保持一致，寬度為12m,深度為80m，混凝土樁直徑600mm，樁嵌長度為44.5m，邊界條件為地基左右兩側(cè)水平約束，底部邊界水平和豎向全約束，地基表面為自由面。此外，混凝土樁與地基結(jié)構(gòu)之間采用接觸單元，切向摩擦系數(shù)為0.9，法向采用硬接觸，計算用對稱分析方法。在模擬初始階段，先以降溫法計算地基土的應(yīng)力，以確定初始側(cè)壓系數(shù)K0。這個過程采用Jaky傳導(dǎo)公式來模擬，其中K0等于1-sinφ′，然后激活地下水位0.5m以下的地基單元。此外，需要將最初的位移重置為零，因為測量數(shù)據(jù)是在沒有任何干擾的情況下獲得的。最后，激活界面單元，施加軸向荷載，直到樁發(fā)生破壞。數(shù)值計算當(dāng)中，預(yù)應(yīng)力混凝土樁為線彈性樁材料，因此采用線彈性模型，地基土則簡化為彈塑性模型，采用莫爾-庫侖本構(gòu)方程。本次數(shù)值計算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計算參數(shù)

3 荷載沉降曲線分析

為驗證模型合理性，需要將現(xiàn)場樁基測試的位移荷載曲線與數(shù)值模型中的曲線進(jìn)行對比分析。目前現(xiàn)場評估樁身軸向荷載承受能力方法主要為全靜載試驗，即維持荷載(ML)試驗?，F(xiàn)場測試試驗順序為加載、卸載和重新加載到預(yù)期荷載水平，之后繼續(xù)提高荷載，直至達(dá)到最大軸樁承載力。測試時先施加700kN(50%的工作負(fù)荷)初始加載值，其次是第二個、第三個、第四個和第五個加載循環(huán)，分別為1400kN(100%工作負(fù)荷)、2100kN(150%的工作負(fù)荷)、2800kN(200%的工作負(fù)荷)和3500kN(250%的工作負(fù)荷)，以達(dá)到液壓千斤頂?shù)淖畲蟪休d能力。現(xiàn)場樁基測試結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場樁基測試結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場測試的位移荷載曲線與數(shù)值模型中的曲線結(jié)果如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場測試的位移荷載曲線與數(shù)值模型中曲線結(jié)果

試驗結(jié)果表明，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬中的荷載位移曲線(Q-S)十分符合，誤差總和不超過2%，因此認(rèn)為本文所建模型合理。當(dāng)采用Mazurkiecwicz理論，外推荷載-沉降曲線方法得出樁極限承載力為4110kN，而利用Davisson的方法得到了一個較小的結(jié)果，為3890kN，差異約為5%。

4 Q-S曲線的影響因素分析

4.1 樁側(cè)土摩擦系數(shù)

荷載位移曲線可以形象地反映樁基的實際工作狀況，能夠宏觀地反映樁土破壞機(jī)理和破壞模式，所以我們可以通過觀察荷載沉降曲線來分析研究樁體承載情況。為研究混凝土樁與地基土摩擦系數(shù)對Q-S曲線的影響，采用0.7、0.8、0.9、1四種摩擦系數(shù)進(jìn)行研究。如圖4所示。

圖4 混凝土樁與地基土摩擦系數(shù)對Q-S曲線的影響

由圖4可知，同一軸向荷載下，樁土摩擦系數(shù)越大，樁身下沉位移越小，混凝土樁對軸向壓力的承載力越大。因此，在施工中采用摩擦性能較好的填土，可以增大樁基礎(chǔ)與地基土體之間的摩擦力，從而提高樁基的承載力。在本例中，4種摩擦系數(shù)的樁基極限承載力大小分別為2632、3124、3345、3955kN，而實際測量中的樁基最大承載力約為3890kN，因此在施工中，可以通過在淺層換填密實度較大的砂層，來提高極限承載力。

4.2 樁身嵌入深度

不同樁體嵌入深度的Q-S曲線變化情況如圖5所示。

圖5 不同樁體嵌入深度的Q-S曲線變化情況

由圖5可知，樁的嵌入深度越大，樁基的承載力越大，同一軸向荷載的沉降越小。這是由于除豎向重力外，地基土單元在天然狀態(tài)要達(dá)到平衡還需受水平側(cè)向壓力作用，而這一力的分解與土的豎向重力成正比。因此，混凝土樁作為地基土的一部分，其嵌入深度越深，所受到的側(cè)向壓力越大，承載力也隨之提高。但實際工程當(dāng)中，樁身嵌入深度的增加必然會增加工程造價，因此需要在經(jīng)濟(jì)和安全上做預(yù)算平衡。在本例中，當(dāng)軸向荷載為1425kPa時，嵌入深度35m的樁基最先出現(xiàn)破壞，破壞時的位移為0.015mm，且這一深度在3種嵌入深度中Q-S曲線最陡，即受力后下沉最快。當(dāng)嵌入深度為47.5m時，混凝土樁極限承載力為3971kN，破壞時的位移為0.026mm；而當(dāng)嵌入深度為50m時，樁基承載力達(dá)到了4750kN，較實際測量中增大了18.1%。

4.3 混凝土樁材料

為討論混凝土材料對樁基荷載沉降曲線的影響，本文通過在混凝土樁中加纖維的方式來對樁的性能進(jìn)行模擬分析。圖6為加纖維后的混凝土樁試樣。

圖6 加纖維后的混凝土樁試樣

由圖6可知，加纖維后混凝土樁的承載力有較大提升，同一軸向荷載下，加纖維后的混凝土樁承載力明顯大于不加纖維后的試樣。其增強(qiáng)機(jī)理為：在混凝土樁的制備過程中內(nèi)部原來就存在缺陷，加入纖維后，纖維與基體間黏結(jié)緊密，形成的復(fù)合混凝土樁會減弱缺陷對于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。

圖7為普通混凝土樁與加纖維后樁基的Q-S曲線結(jié)果。

圖7 現(xiàn)場測試與加纖維后數(shù)值模型中Q-S曲線結(jié)果

由圖7可知，纖維的數(shù)量與混凝土樁的承載力并非成正比關(guān)系，當(dāng)纖維參量達(dá)到40%時，樁基承載力反而降低，因此在實際工程中應(yīng)當(dāng)對纖維的臨界參量進(jìn)行優(yōu)化。此例中，當(dāng)纖維參量為30%時，樁基承載力最大，為4750kN，而纖維參量為10%和20%時的樁基承載力分別為4550和4680kN，比不加纖維的混凝土樁承載力提升了17%和17.4%，纖維參量為30%時提升了19%。

5 結(jié)論

預(yù)應(yīng)力混凝土樁是我國堤防加固工程中應(yīng)用最廣泛的加固結(jié)構(gòu)之一。本文結(jié)合現(xiàn)場和數(shù)值分析結(jié)果得出樁土摩擦系數(shù)能夠顯著提高混凝土樁的承載力，因此，建議在施工淺層地基中采用摩擦性能較好的密實砂土來作為填土。此外，在混凝土樁加入纖維后，其承載力也有較大的提升，但纖維參量不易過多，本文得出纖維參量為30%時最優(yōu)，這一比例下相比無纖維混凝土樁承載力能提升19%。最后，在工程預(yù)算允許范圍內(nèi)，可以適當(dāng)增加樁身嵌入深度來提高混凝土樁的承載力。