预应力混凝土管桩承载力计算和数值分析

摘要： 预应力混凝土管桩竖向承载力的确定是工程界关注的问题，学术界对预应力混凝土管桩的竖向承载力的研究也比较多。目前国外关于预应力混凝土管桩竖向承载力的经验公式不多，国内也没有一种计算方法十分精确。如果按照现行规范的经验公式来确定管桩单桩竖向承载力其结果往往比通过静载荷试验所得的试桩结果要低很多，从而造成工程成本的大量增加。本文结合辽宁盘锦某工程建设，通过静载荷试验、理论计算、数值模拟等方法分析预应力混凝土管桩的受力性状和独特的承载机理。

Abstract： The determination of the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile is a concern in the engineering field. There are many academic researches on the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile. At present， there are few abroad empirical formulas about the vertical bearing capacity of prestressed concrete pipe pile， and there is no accurate calculation method in China. If the vertical load capacity of the single pile is determined according to the empirical formula of the current code， the result is often much lower than that obtained by the static load test， which results in a large increase in the cost of the project. In this paper， combined with the project construction in Panjin， Liaoning， the static load test， theoretical calculation， numerical simulation and other methods are used to analyze the stress characteristics and the unique bearing mechanism of prestressed concrete pipe pile.

P键词： 预应力管桩；单桩竖向承载力；静载荷试验；数值分析

Key words： prestressed pipe pile；vertical bearing capacity of single pile；static load test；numerical analysis

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0159-03

0 引言

预应力混凝土管桩具有成桩质量易控制、施工简便，单桩承载力高，工程造价低，节能、环保等诸多优点。目前在许多地区已得到越来越广泛的应用。但由于开口管桩结构的特殊性，其沉桩和承载机理较为复杂，国内外许多学者对此做了大量的研究。鉴于此，本文针对盘锦地区的一个工程实例，依据沉桩施工资料，对预应力管桩静载荷试验结果进行了具体分析，并讨论了产生此结果的原因，为其他类似工程的设计施工提供技术参考。

1 工程概况

本施工场地位于辽宁盘锦，大地构造位置处于新华夏第二沉降带，堆积了厚达6000～8000m的新生界陆相地层。地貌单元属辽河河口三角洲，地势平坦，地貌单一，地层主要由第四系全新统海陆交互相沉积物组成。各土层统计物理力学指标、桩基参数指标如表 1所列。

2 静载荷试验

①1#、2#桩：当荷载分别加到1800kN时，累计下沉量分别为12.47mm、12.46mm。当荷载分别加到1890kN和1880kN时，桩急速下沉，荷载已经加不上去，千斤顶已自动卸载，桩已丧失承载力，终止加载。此时1#、2#桩的累计总沉降量分别为45.75mm和46.26mm，如表2-1。单桩竖向抗压极限承载力，取Q-S曲线陡降段前一级荷载为1800kN，如图1和图2。

②3#桩：当荷载加到1800kN时，累计下沉量为12.13mm。当荷载加到1990kN时，桩急速下沉，荷载已经加不上去，千斤顶已自动卸载，桩已丧失承载力，终止加载。此时3#桩的累计总沉降量为47.41mm。单桩竖向抗压极限承载力，取Q-S曲线陡降段前一级荷载为1900kN，如图3。

3 单桩竖向承载力计算

按规范中给出的参考数据合理取值。通过计算得到的计算结果均低于静载荷试验值。计算结果如表2。

4 数值模拟分析

4.1 地基特性

除了管桩桩身混凝士材料外，桩周有多层土体，所以在定义材料属性性窗口中，定义多个土层属性。在该对话框的窗口中，定义各种材料的弹性模量、饱和容重、泊松比、粘聚力、内摩擦角等。

4.2 材料特性

不论是二维还是三维计算模型，都需要有一个合理的网格划分方法和网格密度把握，桩土结构涉及到的模型几何形状较规则，因而采用合理的网格划分方式可以使计算来得方便。桩土材料力学性能见表3。

4.3 荷载和边界条件

根据现场预应力管桩实测资料管桩可以承受1800kN竖向荷载，本模型对管桩桩顶施加1800kN压力，并对桩顶面所有节点进行耦合，使桩顶面集中力转化为均布荷载，荷载分13级进行加载，每级加载140kN。对模型边界进行约束Ux=0，Uz=0。

4.4 理论计算、有限元分析与现场载荷结果分析

为验证数值模拟的结果是否能够正确反映管桩桩身荷载传递规律，选取现场的静载荷试验数据，并用有限元对现场情况进行数值模拟。图5为l#、2#、3#桩的静载荷数据曲线和有限元模拟静载荷试验曲线的对比情况。

在加荷的初始阶段，沉降值与实际值较相近。实测情况的最后阶段，荷载达到一定值时，沉降值会有一突然增大的现象，数值会变得非常大，这表明桩土在这一时刻的平衡关系被打破，桩体承载力达到极限。由此可以看出，有限元数值分析在实际工程中有着较好的实用性。

5 结果对比分析

静载荷试验过程与勘察报告中所反应的土层的力学性状基本一致。根据根据土的物理指标与承载力参数之间的经验确定预应力混凝土管桩的单桩承载力时，计算值和现场实测值较接近，且偏于安全。预应力管桩属于端承摩擦桩，桩身承载力较多的依靠侧摩阻力提供。在试桩施工过程中，因沉桩时间很短，桩侧阻力发挥作用较小，静载荷试验反映出来的压力值主要来自于桩端阻力，其侧阻力的发挥较少，桩的极限承载力还没有完全发挥出来。

参考文献：

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