基于静载试验的预应力管桩基础沉降计算
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摘 要：大量的工程实践表明，桩基的沉降对于建筑物的稳定性至关重要，特别是对于高层建筑物和复杂建筑物来说，其有效的沉降预测的意义更为明显。文章结合邯郸某住宅楼工程桩静荷载试验为实例，利用ABAQUS建立了桩-土相互作用的数值模型，并与静荷载试验数据对比分析，取得了较好的吻合度。根据建筑物地基沉降观测数据与数值模拟对比分析，由此验证了ABAQUS应用于桩基沉降是切实可行的。
关键词：沉降计算;静载试验;ABAQUS;本构模型;管桩
中图分类号：TU473.1 文献标志码：A 文章編号：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
伴随经济的发展，大多数的国内城市中，高层建筑物如雨后春笋般出现。高层建筑物的沉降是建筑物在建成以后是否安全的重要指标之一，而桩基础却可以有效减少建筑物的沉降。远在上个世纪的五十年代，研究人员分析了数量巨大的建筑物实测沉降观测的材料，并在经过大量的桩基载荷试验研究之后，对桩基的沉降变形和其规律有了更加清醒的认识[1]。目前由于有限元应用的广泛实践，预应力管桩基础的模拟和方法设计产生了巨大的进展，考虑土-桩-筏基-上部结构共同作用的方法分析越来越成为一种新的趋势。现在科学工作者从不同的方面，根据自己掌握到的经验资料包括试验数据，总结出了多种分析沉降的仿真模型和理论计算内容[2]，这对于工程的设计具有非凡的指导意义。无论采用怎么样的分析的模型，在土-桩-筏-结构体系之中，土是问题的关键，而土参数的取值是重要而复杂的，只有通过试验研究和总结分析，把握某些重主要参数的具体取法，模拟才可控制到较好的精度，计算建筑沉降时才能达到较好的精度并实现更大的价值。
2 桩基沉降的理论研究法
桩基的沉降划成单桩和群桩两种沉降[3]。单桩受到载荷后，沉降值由以下两个部分构成：桩本身形成的压缩形变和桩底以下的土层的压缩量。现在，计算单桩的沉降变形的量的计算方式大多有分层总合法、弹性理论法、载荷传递剖析法、剪切变形传递法、数值计算法和其他一些简化的算法[4]。虽说从单桩沉降出发的研究方法在理论上比较精确，但真正应用于工程都还有非常多困难，现今在工程中也还只能采取半经验半理论的实用方法。
3 工程实例及静载试验
某工程位于邯郸市经济开发区东区，该工程主要建筑物为3栋23层、2栋11层高层住宅楼以及1～2层商业及地下车库。
3.1 单桩竖向抗压静载试验
静载试验（Static Load Testing）的概念是在桩的最上面逐级施加竖向荷载、竖向上拔力或水平方向的力，观测桩顶部为随时间产生的沉降位移、上拔距离或水平距离，来得到相应的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力的试验方法[5]。
3.2 施加荷载方式
（2）静载试验数据：用慢速维持荷载法采集本次的材料，即每级荷载施加后，按照第5min、15min、30min、45min、60min的时间顺序测读桩顶的沉降量，接着每隔30min再测读一次，直到每小时之内桩顶沉降量不大于0.1mm，并且连续出现两次（从分级的荷载施加以后第30min开始，每次按1.5h连续三次每30min的沉降的观测值分析），就是说沉降速率到达相对稳定的标准后，再次施加下一级的荷载。
（3）终止施加荷载：出现任意以下情况时，应当停止加载：
a.加入某级荷载后，桩顶沉降量比前一级荷载作用下的沉降量的5倍还要多，并且桩顶的总沉降量超过40mm;
b.加入某级荷载后，桩顶沉降量比前一级荷载作用下沉降量的2倍还要多，并且经一天后未能达到《建筑桩基检测技术规范》（JGJ106-2014）中第4.3.5条第2款相对稳定标准; c.达到设计规定要求的最大加载值并且桩顶的沉降达到相对稳定的标准;
d.工程桩做锚桩时，锚桩的上拔量已达到试验规定的允许值;
e.荷载-沉降的曲线以缓变型的形式发展时，可将荷载加载至桩顶总沉降量为60mm～80mm;当桩端的阻力尚无法充分发挥时，可将荷载加载至累计沉降量超过80mm。
本次检测时J001、J002、J003桩的终止条件均满足上述第3条情况，即达到设计要求的最大加载量后终止试验。
3.3 单桩静载试验
在荷载-沉降曲线中可以看出，对编号J001的预应力管桩逐级施加荷载，在管桩的承载力极限值4450kN范围内，随着荷载值不断增大，沉降量也逐渐增大，且增大的趋勢也逐渐增大，其最大沉降量为24.83mm;编号J002的管桩，最大沉降量为26.26mm;编号J003的管桩，最大沉降量为14.19。
4 有限元分析
4.1 模型的建立
根据地质勘查资料，各土层的物理力学性质指标不同，将图4中土体模型划分为16个土层。
对桩长为32m和33m，桩径均为500mm的预应力管桩与土体共同作用体施加荷载。根据静载试验测得的单桩竖向抗压极限承载力为4450kN，故本次模拟将荷载（890kN～4450kN）等分为9级，在ABAQUS模型中逐级加载，得到相应的荷载沉降曲线。
4.2 模拟分析结果
4.2.1 沉降荷载模拟分析
在图6中可以看出，采用ABAQUS模拟计算得到的荷载沉降曲线中，随着分级施加的荷载的增大，其沉降量也逐渐增大，在预应力管桩的承载力极限值4450kN时，沉降量达到最大值，最大值为26.12mm。
4.2.2 静载试验与数值模拟的比较
4.2.3 结果拟合分析
根据静载试验的荷载曲线和ABAQUS数值模拟的荷载沉降曲线对比可以发现，模拟曲线和实测曲线基本吻合，这说明了采用ABAQUS软件对模型进行分析时所采用的土体参数是合理的，因而可以利用ABAQUS建立数值模型，对预应力管桩的最终沉降量进行预测。
5 结束语
通过以上分析得出以下结论：
（1）对比模拟结果与静荷载试验数据结果，发现模拟计算值较静荷载试验值偏大，但两者荷载位移曲线基本拟合，且均为缓变型，验证了ABAQUS数值模拟在管桩沉降计算时所采用的土体参数是合理的。
（2）运用ABAQUS数值模拟时，选取的土体参数应当合理，土体参数将会影响最终结果。
（3）根据楼体地基沉降观测值与模拟结果对比分析，发现模拟计算值较现场观测值偏大，但两者荷载位移曲线基本拟合，验证了ABAQUS数值模拟可以有效的预测预应力管桩基础的最终沉降量。
参考文献：
[1]施峰.PHC管桩荷载传递的试验研究[J].岩土工程学报，2004（01）：95-99.
[2]肖章寿.管桩的竖向抗压承载力机理及沉降分析[J].福建地质，2013（02）：161-166.
[3]何思明，郭强，等.单桩沉降计算理论研究[J].岩石力学与工程系报，2004，23（4）：688-694.
[4]雷长顺，肖世伟.高速铁路预应力管桩地基沉降理论分析与计算[J].山西建筑，2012，38（03）：146-148.
[5]訾平华.浅析几种缺陷桩在静载试验中的表现[J].铁道勘察，2013，39（01）：30-33.
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