现浇混凝土薄壁管桩单桩承载性能分析

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1、现浇混凝土薄壁管桩单桩承载性能分析费康刘汉龙高玉峰陈育民(河海大学岩土工程研究所，南京210098)摘要振动沉模现浇混凝土薄壁管桩(简称P(YC柱)技术是河海大学自主开发研制的用于地基加固处理的新技术，它是一种适合干软土地区的新型高效优质桩型。本文采用考虑土塞与桩相互作用的简化方法和全面反映桩土接触面滑移、脱开特性的非线性有限元对单桩静载试验进行了模拟，研究了PCC桩的荷载传递机理。分析结果表明荷载沉降曲线数值模拟结果与现场试验相当接近，并揭示了内外侧摩阻力的分布，端阻力的发挥，土塞的作用等一些目前无法由

2、现场试验得到的结果。关键词薄壁管桩；土塞；荷载传递；简化方法；有限元人X1前言现浇混凝土薄壁管桩又称PCC桩⋯“，是河海大学岩土工程研究所刘汉龙教授等人开发的专利技术(专利号zL01273182．x，cNl367296A)。该技术是依靠振动力将内外双层钢套管所形成的环形腔体在活瓣桩靴的保护下打入到设计深度，在腔体内浇注混凝土后振动拔管，环形域中便形成混凝土管桩。本文采用考虑了土塞与桩相互作用的简化方法和考虑桩土接触面滑移、脱开的非线性有限元对单桩静载试验进行了模拟，研究PCC桩的受力特性。2简化方法2．1

3、简化模型桩荷载一沉降曲线的非线性主要是桩土界面间上的塑性变形和滑移所造成的，内外桩土界面上的互相作用可以采用Smith提出的弹塑性模型‘“，在分析静载试验时忽略阻尼作用。桩体和土塞均用一系列的集中质量块体和线性弹簧模拟”o，桩结点和土塞结点之间通过弹簧与滑块连接(图1)，从而在分析中可以考虑土塞和桩的相互作用。桩结点和桩周土结点之间，桩端和桩端土之间也都采用弹簧与滑块连接。将作用在长度△L的桩身单元的外摩擦力等效为一个摩擦力r。作用到桩身第m个结点上有r。=d。X“。≤2”ro△Lr一(1)d。=27rr

4、o△L×k。(2)式中U。是桩土界面上土的位移；k：是弹簧的刚度。桩身与桩周土或土塞之间的界面处在剪应力达到最大剪应力前，不会发生相对位移．即桩身位移“=“。内摩擦力的发挥伴随着土塞中心与土塞边缘的相对位移，桩内摩擦力R。为R。=D。X(【，乞一u-)≤2Ⅱ-△Lr～(3)图1简化模型中国土木工程学会第九届土力学及岩土5-程学术会议论文集北京2003—10—25～28D。=2Ⅱr：△L×k。，其中r。是桩的内半径；U1是土塞中心点的位移；u2是桩与土塞界面处土的位移。桩端土体反力为r。=d。ד。≤d—A

5、d。=A×k6其中“。是桩底位移；k。是弹簧刚度；A是桩的横截面面积。同样．土塞底部反力为R。=D。×U：≤口一A，D。=A：×k^其中u：是土塞在桩底处的位移；k。是弹簧刚度系数；A。是土塞的面积。2．2计算方法由桩体和土塞第m个结点的平衡条件可得6。△“。一1一(b。+b。十l+d。+D。)△“。。+D。U。+b。+lAu。+l=0B。△U。l+D。△“。(B。+B。+1+D。)△U。+／3。+lAU。+l=0其中b。=AE／：,L；B。=A，E／△L。式(9)、(10)可以联合写成矩阵形式[K]{△

6、“}={AF}其中[K]是2(n+1)×2(”+1)的对称系数矩阵，{△“}7={△“o，△uo，△“l，△ul，⋯，△“。，△u。}{AF}7={一△P。，△P。，0，⋯0}其中△P。，△只分别是作用在桩顶上和土塞顶上的荷载增量。由于桩头顶板作用，△U0，同时考虑到△只+A只=Ap，将式(11)变为[K7]{△“’}={AF’}{△“7}7={△“o，△“l，△u1，⋯，△“N，△u。}{AF’}7={一△P，0，⋯0}(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)因此有△“。=(

7、14)(15)(16)[K7]是将[K]中的第一列加到第二列上，第一行加到第二行上，然后去掉第一行和第一列后得到的新的刚度矩阵，为2n+1×2n+1的对称矩阵。当结点上的应力达到最大的剪切应力或端承力时，相应的刚度取为零，以此来模拟桩土间的滑移或刺入变形。3简化方法的工程验证和有限元对比有限元法可以模拟桩和桩周土的几何形状，本构模型，边界条件，桩和土之间的接触，可以展示整个区域的应力应变场，更好揭示PC(2管桩的荷载传递机理。同时为了验证简化方法．对南京大厂经一路PCC桩软基加固工程的现场静载试验进行了模

8、拟。3．1工程概况南京市大厂区市政经一路工程位于南京钢铁集团公司厂区北侧，最高填土高度在6m左右，在填土方量大的地段分布着8m～18m厚粉土和粉质粘土，采用现浇管桩技术加固地基。拟分析的桩长7．8m，外径1000nml，壁厚120rflrn。628————一壁堕，苎．壅壅塑塑圭蔓壁篁堇兰墼至塑堂坌堑————3．2计算参数桩体弹性模量E=20GPa，泊松比u=0．18。土体采用Mohr—Coulomb弹塑性模型，有限元计算土体参