基于靜載試驗的預應力管樁基礎沉降計算
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摘 要：大量的工程實踐表明，樁基的沉降對于建筑物的穩定性至關重要，特別是對于高層建筑物和復雜建筑物來說，其有效的沉降預測的意義更為明顯。文章結合邯鄲某住宅樓工程樁靜荷載試驗為實例，利用ABAQUS建立了樁-土相互作用的數值模型，并與靜荷載試驗數據對比分析，取得了較好的吻合度。根據建筑物地基沉降觀測數據與數值模擬對比分析，由此驗證了ABAQUS應用于樁基沉降是切實可行的。
關鍵詞：沉降計算;靜載試驗;ABAQUS;本構模型;管樁
中圖分類號：TU473.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0015-03
Abstract： A large number of engineering practices show that the settlement of pile foundation is very important to the stability of buildings， and especially for high-rise buildings and complex buildings， the significance of effective settlement prediction is more obvious. In this paper， taking the pile static load test of a residential building in Handan as an example， the numerical model of pile-soil interaction is established using ABAQUS， and compared with the static load test data， a good agreement is obtained. According to the observation data of building foundation settlement and the comparative analysis of numerical simulation， it is verified that the application of ABAQUS in pile foundation settlement is feasible.
Keywords： settlement calculation; static load test; ABAQUS; constitutive model; pipe pile
1 概述
伴隨經濟的發展，大多數的國內城市中，高層建筑物如雨后春筍般出現。高層建筑物的沉降是建筑物在建成以后是否安全的重要指標之一，而樁基礎卻可以有效減少建筑物的沉降。遠在上個世紀的五十年代，研究人員分析了數量巨大的建筑物實測沉降觀測的材料，并在經過大量的樁基載荷試驗研究之后，對樁基的沉降變形和其規律有了更加清醒的認識[1]。目前由于有限元應用的廣泛實踐，預應力管樁基礎的模擬和方法設計產生了巨大的進展，考慮土-樁-筏基-上部結構共同作用的方法分析越來越成為一種新的趨勢?，F在科學工作者從不同的方面，根據自己掌握到的經驗資料包括試驗數據，總結出了多種分析沉降的仿真模型和理論計算內容[2]，這對于工程的設計具有非凡的指導意義。無論采用怎么樣的分析的模型，在土-樁-筏-結構體系之中，土是問題的關鍵，而土參數的取值是重要而復雜的，只有通過試驗研究和總結分析，把握某些重主要參數的具體取法，模擬才可控制到較好的精度，計算建筑沉降時才能達到較好的精度并實現更大的價值。
2 樁基沉降的理論研究法
樁基的沉降劃成單樁和群樁兩種沉降[3]。單樁受到載荷后，沉降值由以下兩個部分構成：樁本身形成的壓縮形變和樁底以下的土層的壓縮量。現在，計算單樁的沉降變形的量的計算方式大多有分層總合法、彈性理論法、載荷傳遞剖析法、剪切變形傳遞法、數值計算法和其他一些簡化的算法[4]。雖說從單樁沉降出發的研究方法在理論上比較精確，但真正應用于工程都還有非常多困難，現今在工程中也還只能采取半經驗半理論的實用方法。
3 工程實例及靜載試驗
某工程位于邯鄲市經濟開發區東區，該工程主要建筑物為3棟23層、2棟11層高層住宅樓以及1～2層商業及地下車庫。
3.1 單樁豎向抗壓靜載試驗
靜載試驗（Static Load Testing）的概念是在樁的最上面逐級施加豎向荷載、豎向上拔力或水平方向的力，觀測樁頂部為隨時間產生的沉降位移、上拔距離或水平距離，來得到相應的單樁豎向抗壓承載力、單樁豎向抗拔承載力或單樁水平承載力的試驗方法[5]。
3.2 施加荷載方式
?。?）靜載試驗數據：用慢速維持荷載法采集本次的材料，即每級荷載施加后，按照第5min、15min、30min、45min、60min的時間順序測讀樁頂的沉降量，接著每隔30min再測讀一次，直到每小時之內樁頂沉降量不大于0.1mm，并且連續出現兩次（從分級的荷載施加以后第30min開始，每次按1.5h連續三次每30min的沉降的觀測值分析），就是說沉降速率到達相對穩定的標準后，再次施加下一級的荷載。
?。?）終止施加荷載：出現任意以下情況時，應當停止加載：
a.加入某級荷載后，樁頂沉降量比前一級荷載作用下的沉降量的5倍還要多，并且樁頂的總沉降量超過40mm;
b.加入某級荷載后，樁頂沉降量比前一級荷載作用下沉降量的2倍還要多，并且經一天后未能達到《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ106-2014）中第4.3.5條第2款相對穩定標準; c.達到設計規定要求的最大加載值并且樁頂的沉降達到相對穩定的標準;
d.工程樁做錨樁時，錨樁的上拔量已達到試驗規定的允許值;
e.荷載-沉降的曲線以緩變型的形式發展時，可將荷載加載至樁頂總沉降量為60mm～80mm;當樁端的阻力尚無法充分發揮時，可將荷載加載至累計沉降量超過80mm。
本次檢測時J001、J002、J003樁的終止條件均滿足上述第3條情況，即達到設計要求的最大加載量后終止試驗。
3.3 單樁靜載試驗
在荷載-沉降曲線中可以看出，對編號J001的預應力管樁逐級施加荷載，在管樁的承載力極限值4450kN范圍內，隨著荷載值不斷增大，沉降量也逐漸增大，且增大的趨勢也逐漸增大，其最大沉降量為24.83mm;編號J002的管樁，最大沉降量為26.26mm;編號J003的管樁，最大沉降量為14.19。
4 有限元分析
4.1 模型的建立
根據地質勘查資料，各土層的物理力學性質指標不同，將圖4中土體模型劃分為16個土層。
對樁長為32m和33m，樁徑均為500mm的預應力管樁與土體共同作用體施加荷載。根據靜載試驗測得的單樁豎向抗壓極限承載力為4450kN，故本次模擬將荷載（890kN～4450kN）等分為9級，在ABAQUS模型中逐級加載，得到相應的荷載沉降曲線。
4.2 模擬分析結果
4.2.1 沉降荷載模擬分析
在圖6中可以看出，采用ABAQUS模擬計算得到的荷載沉降曲線中，隨著分級施加的荷載的增大，其沉降量也逐漸增大，在預應力管樁的承載力極限值4450kN時，沉降量達到最大值，最大值為26.12mm。
4.2.2 靜載試驗與數值模擬的比較
4.2.3 結果擬合分析
根據靜載試驗的荷載曲線和ABAQUS數值模擬的荷載沉降曲線對比可以發現，模擬曲線和實測曲線基本吻合，這說明了采用ABAQUS軟件對模型進行分析時所采用的土體參數是合理的，因而可以利用ABAQUS建立數值模型，對預應力管樁的最終沉降量進行預測。
5 結束語
通過以上分析得出以下結論：
?。?）對比模擬結果與靜荷載試驗數據結果，發現模擬計算值較靜荷載試驗值偏大，但兩者荷載位移曲線基本擬合，且均為緩變型，驗證了ABAQUS數值模擬在管樁沉降計算時所采用的土體參數是合理的。
?。?）運用ABAQUS數值模擬時，選取的土體參數應當合理，土體參數將會影響最終結果。
?。?）根據樓體地基沉降觀測值與模擬結果對比分析，發現模擬計算值較現場觀測值偏大，但兩者荷載位移曲線基本擬合，驗證了ABAQUS數值模擬可以有效的預測預應力管樁基礎的最終沉降量。
參考文獻：
[1]施峰.PHC管樁荷載傳遞的試驗研究[J].巖土工程學報，2004（01）：95-99.
[2]肖章壽.管樁的豎向抗壓承載力機理及沉降分析[J].福建地質，2013（02）：161-166.
[3]何思明，郭強，等.單樁沉降計算理論研究[J].巖石力學與工程系報，2004，23（4）：688-694.
[4]雷長順，肖世偉.高速鐵路預應力管樁地基沉降理論分析與計算[J].山西建筑，2012，38（03）：146-148.
[5]訾平華.淺析幾種缺陷樁在靜載試驗中的表現[J].鐵道勘察，2013，39（01）：30-33.
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