宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱

管桩在工程建设中被大量运用，因此，针对其工作特性的研究越来越深入。正确处理在各种荷载作用下管桩与土的相互作用问题已成为目前管桩研究的热门问题。在静荷载作用下的管桩工作特性研究方面，ｒandolph等［12］提出了管桩与土相互作用模型，研究了管桩与土的相互作用特性，得到了管桩承载力的函数，并通过模型试验验证了此模型的合理性。费康等［3］研究了薄壁管桩的荷载传递机理，利用有限元方法研究了管桩内外侧摩擦力的分布以及土塞作用。在动力荷载作用方面，丁选明和刘汉龙等［46］在简化桩—土接触关系并把单相介质土体对管桩的作用视为voigt体连接的情况下初步得到了

［78］

动力特性研究，得到了桩顶导纳函数以及桩顶复刚度的表达式，并对比了研究结果和三维模型得到的结

果，检验了结论的正确性。吴文兵等［10］研究了土塞效应对管桩动力特性的影响，采用虚土桩法和附加质量法获得了土塞—管桩的相互作用规律。贾媛媛等［11］研究了大直径钢管桩在竖向荷载作用的承载

力特性，分析了竖向荷载作用下大直径钢管桩的桩身参数以及桩侧土摩擦系数对其承载力特性的影响规律。

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱

东南沿海软弱土地基中管桩运用广泛，这一区域地下水位普遍较高，以前的研究中大多把地基土作为单相介质，不考虑土中孔隙水的影响，而很多实芯桩的振动理论研究成果表明，土中孔隙水对土的波动及桩的振动均有着明显的影响。此外，管桩在施工过程中极易对桩周土产生影响，比如施工挤密和施工松弛效应，把土体视为均匀介质的研究成果在严格意义上是不适用于受到施工效应影响的管桩动力分析

的。因此，本研究基于饱和多孔介质理论和novak薄层法，考虑管桩的施工效应，在饱和土中建立管桩基础的纵向振动模型，并综合分析施工效应和饱和土体水含量对桩顶动力响应的影响。

1计算模型

针对饱和土中管桩的动力问题，关键是要合理建立管桩与饱和土的耦合振动模型。本研究考虑施工效应时饱和土中管桩的纵向振动特性问题，建立的管

桩—土耦合作用模型如图1所示。采用内径为ra、外

径为rb的粘弹性摩擦管桩，受施工效应影响的内部区域为rm，将内部区域细分为n个薄层同心环区域。

图1管桩—饱和土相互作用模型

fig.1pipepileandsaturated

soilinteractionmodel

［9］进行了饱和土中管桩的

管桩桩顶动力响应解析解。刘林超等

基于多孔介质理论和novak薄层法

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱

2

第4期翟志明等:考虑施工效应时饱和土中管桩的纵向振动研究

2饱和土体的动力响应

以饱和多孔介质理论和novak薄层法为理论基

［9］

2ss2sls

?r2rrt2vtt?2lls

?ρlw+sw－w=0

?t2vtt

1433

，(1)

ssss

wl为土中液相的纵向位移;ns为土中固相的体积分数，nl为土中液相的体积分数，并且满足ns+nl=

(nl)2·γl

1;ρs为土体的固相的表观密度，ρl为土体的液相的表观密度;sv=l为液固耦合系数，g为重

k

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱lll

+∞

把式(1)进行laplace变换，其中，w(r，s)=w(r，t)e－stdt，s=iw，则式(1)变换为:

0

2ss

s

rrr，(2)

l2lls

由式(2)可得:

μ

s

2ss2

2+μ－ρs－l2+svsw=0，(3)

rrrρs+svs

化简可得桩身周围土中任意环形范围内动力方程为:

2ss

r22+r－r2α2ws=0，(4)

rr

2

ρs+svs

解方程(4)得:

ws(r)=ak0(αr)+bi0(αr)，(5)式中，k0(αr)是零阶的类虚宗量的bessel函数，i0(αr)是零阶的第二类虚宗量的bessel函数，a和b作为复值常数，它们的值由研究区域中任意同心环区域土体的边界条件决定。

由于外部区域不受施工扰动影响，可视为土质均匀。根据多孔饱和介质理论和novak平面应变理

论解式(5)，得外部区域任意一点的土体位移为:

wsm(r)=ami0(αmr)+bmk0(αmr)，(6)

式中，am，bm为外部区域边界条件决定的复数常数。利用水平无穷远处土体位移衰减为零，得bm=0，

则外部区域土体位移为:

wsm(r)=amk0(αmr)，

土体中任一点处的竖向剪切应力为:

s

τm(r)宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱=μm=－μαmamk1(αmr)，(7)

dr

其中，k1(αmr)为一阶第二类虚宗量的bessel函数。

在内外两区域交界面处，内部区域土体受到的竖向剪切力来自于外部区域土体，根据剪切刚度定

义，可得饱和土体内外区域界面处的剪切复刚度为:

－2πrmτ(rm)2πrmμsαmk1(rmαm)

kkm=s=

础，可以得到饱和土体的动力控制方程为:

()[()]=0

?μsw+1w－ρsw－sw－w

()

式中，μ=g(1+2iξ)，g为土骨架的剪切模量，i=槡－1，ξ为土体阻尼比;w为土中固相的纵向位移，

力宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱加速度，k为渗透系数，γ=ρg为液相的重度。

∫

{(

)

w1w－［ss2ws－ss(wl－ws)］=0

2+

μ

ρv

ρsw+svs(w－w)=0

[]

ws1ws2(svs)s

ww

ｄｚｄβ

式中：σｖ—土芯竖向应力；σ′—土芯有效竖向应力；γ′—土芯有效重度；ｄ—桩内壁直

径；β—土芯与桩内壁之间的剪应力与竖向有效应力的比率。

（２）国内将预应力混凝土管桩与钢管桩的性能作了比较，在敞口钢管桩承载力计算公式

的基础上，得出了预应力混凝土管桩的承载力估算公式［２］：

　　　　　　　ｒａ＝ｕｐ∑ｑｓｉａｌｉ＋λｐａｐｑｐａ　　（２）　　　　当４＜ｈｂ／（ｄ－宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱２ｔ）＜５时　　　　λｐ＝０．２ｈｂ／（ｄ－２ｔ）　　　　当ｈｂ／（ｄ－２ｔ）≤４时　　　λｐ＝０．８　　　　当ｈｂ／（ｄ－２ｔ）≥５时　　　λｐ＝１．０

式中：ｕｐ—桩身周长；ｑｐａ一桩端持力层的端阻力特征值；ｌｉ—桩穿越第ｉ层土厚度；λｐ—桩端“土塞”的闭塞效应系数；ａｐ—桩端投影面积；ｄ—预应力混凝土管桩外直径；ｑｓｉａ—第ｉ层土的桩侧阻力特征值；ｔ—预应力混凝土管桩壁厚；ｈｂ一桩端进入持力层深度。（３）我国现行ｊｇｊ９４－２００８《建筑桩基技术规范》对预应力混凝土管桩的进行承载力计

算按如下公式［３］：

　　　　　　　ｑｕｋ＝ｑｓｋ＋ｑｐｋ＝ｕ∑ｑｓｉｋｌｉ＋ａｐｓｋａｐ　　　　　（３）

ｒａｎｄｏｌｐｈ对敞口管桩的土芯应力进行了静力分析，得出下式１：

　　　　　　　ｄσｖ＝γ′＋４σ′ｖ　　　　（１）

2

第　２　期肖章寿：管桩的竖向抗压承载力机理及沉降分析

１６３

２β

　　　　当ｐｓｋ１＞ｐｓｋ２时，ｐｓｋ＝ｐｓｋ２

式中：ｑｓｋ、ｑｐｋ分别为总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值。

影响土塞效应的主要因素有土性、桩径、桩的入土深度等。通过一系列的现场试验结果证明，钢管桩内的土塞高度与钢管桩的直径以及土层的性质有密切相关，在工程施工结束后

相当长的时间内，因打桩扰动，土塞在桩端１０倍桩径以上，土塞的工程特性指标比原状土层差很多；虽然在桩１０倍桩径范围内的土塞密实，但闭塞效应很难达到１００％。

桩在下沉宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱中地基土进入管桩内形成土塞是一个复杂过程，它受打桩过程中管桩的振动、地基土中因振动和挤压所产生的超孔隙水压力以及地基土性质等因素相互影响，土塞的工程特性指标发生很大变化。

目前国内外专家都已经把“土塞效应”考虑到承载力中，但我国的现行规范对管桩的承载力计算只用一种单一的计算模式，把敞口管桩与闭口管桩的承载力计算只考虑截面的大小变化，而没有考虑土层及施工方法不同，显然不能正常反应不同的工程个体，在实际工程中往往也把敞口管桩与闭口管桩同等使用。敞口管桩与闭口管桩在同一土层中沉降有什么不同呢，笔者进行了数据归类分析。

２　荷载－沉降试验结果对比及分析

福州某一安置房项目，挑选１０根φ４００ｍｍ基桩进行荷载－沉降试验，其中５根为敞口

桩，编号为１＃，２＃，３＃，４＃，５＃；５根为闭口桩，编号为６＃，７＃，８＃，９＃，１０＃，底部桩靴均用钢板密封。采用慢速维持荷载法分１０级，级取分级荷载的２倍，后面采用逐级等量加载进行静载荷试验。试验桩桩长均为２０ｍ，桩端持力层均为粘土。试验分两批次进行，其中１＃，２＃，３＃，６＃，７＃，８＃在打完桩后１５ｄ进行静载试验。４＃，５＃，９＃，１０＃在打完桩后４５ｄ进行静载试验。设计单桩极限承载力均为２　９８０ｋｎ。实测得到的ｑ－ｓ曲线（图１，２）。

２．１　两种桩型沉降结果分析２．１．１　敞口桩ｑ－ｓ曲线

从图１中１＃～３＃桩可以看出预应力敞口管桩ｑ－ｓ曲线属于缓变型。当桩顶荷载增加到单桩极限承载力２　９８０ｋｎ时（试验设定值），沉降在１０～１５ｍｍ。从ｑ－ｓ曲线中可以看出，当荷载在２～６级时，每级的沉降量几乎呈线性增加，即此时桩侧摩阻力发挥主要作用，而

桩端摩阻力发挥很小。随荷载继续增加，桩顶沉降较上一级沉降增加，桩侧摩阻阻力达到极

限值，桩端摩阻力继续发挥作用。在第３级荷载之前，桩底沉降微小，此时的桩顶沉降为桩

身的弹性变化量，即桩承载力基本上只由桩侧摩阻力承担。在荷载逐渐增加时，桩端阻力逐渐发挥作用，此时管桩承载力主要是桩侧摩阻力和桩端阻力的综合作用。继续加载，桩身弹性变形在桩顶沉降中的比例逐渐减小，而桩底沉降所占比例则线性增加。

２．１．２　闭口桩ｑ－ｓ曲线

预应力闭口管桩也是属于缓变型。从图２中６＃～８＃桩得知，在荷载加限承载力，桩顶沉降缓慢增长，当桩顶荷载增加到单桩极限承载力２　９８０ｋｎ时（试验设定值），沉降为

　　　　当ｐｓｋ１≤ｐｓｋ２时，ｐｓｋ＝１（ｐｓｋ１＋ｐｓｋ２）

3

１６４

福　建　地　质　ｇｅｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｆｕｊｉａｎ第　３２　卷

图１　１＃～５＃敞口桩单桩竖向抗压静载试验ｑ－ｓ曲线图

ｆｉｇ．１　ｄｉａｇｒａｍ　ｓｈｏｗｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ｑ－ｓ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　１＃～５＃ｏｐｅｎ　ｐｉｌｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓ－

ｓｉｖｅ

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱

５～１０ｍｍ。而从图中得知，在荷载加限承载力之前，除级荷载时沉降量稍大以外，其余几级荷载，每级沉降量△ｓ变化不大，△ｓ基本上为桩身弹性变形。而随桩顶荷载的增

加，桩端阻力得到充分发挥，沉降量也较上一级沉降增加，但没有发生线性增加的趋势。

２．２　成桩后间歇时间对桩沉降影响

（１）在４５ｄ后对敞口的另外两个管桩进行静载试验，得出如图１的４＃、５＃桩的ｑ－ｓ曲线，当桩顶荷载增加到单桩极限承载力２　９８０ｋｎ时（试验设定值），沉降在２５～３０ｍｍ。（２）在４５ｄ后对闭口的另外两个管桩进行静载试验，得出如图２的９＃、１０＃桩的ｑ－ｓ曲线，当桩顶荷载增加到单桩极限承载力２　９８０ｋｎ时（试验设定值），沉降在５～１０ｍｍ，

没有发生沉降突变现象。

4

第　２　期肖章寿：管桩的竖向抗压承载力机理及沉降分析

１６５

图２　６＃～１０＃敞口桩单桩竖向抗压静载试验ｑ－ｓ曲线图

ｆｉｇ．２　ｄｉａｇｒａｍ　ｓｈｏｗｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｔｅｓ　ｑ－ｓ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　６＃～１０＃ｏｐｅｎ　ｐｉｌｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｃｏｍ－

ｐｒｅｓｓｉｖｅ

２．３　敞口桩与闭口桩受力机理及沉降比较分析

（１）敞口桩随沉降增大，部分桩底土进入管内，形成土塞。其受力性状表现为桩侧摩阻

力随桩沉降逐步发挥，而管桩沉降引起桩端阻力发挥，但因敞口桩桩端截面面积较小，端阻力也比较小。桩端阻力（环形面积）发挥极限后，土塞发生相对位移，这样就产生内侧阻力作用于环形内侧面积，产生更大的侧阻力。此时，管内土塞摩阻力才开始发挥作用，桩侧摩阻力达到极限值后，桩端阻力也随即达到极限值。闭口桩则不然，因其桩端闭口，即桩端截

面积为敞口桩截面积的１．５６倍。在桩静压施工时，与敞口桩对比，进入敞口桩管内的土被

挤到桩周，即产生很大的挤土效应。同时桩端阻力也比敞口桩的桩内侧摩阻力与端阻之和大很多。所以敞口桩与闭口桩在桩侧阻力发挥到极限后明显沉降较大。

（２）第二组试验在４５ｄ后进行，从图１的４＃和５＃桩和图２的９＃和１０＃桩可以看出敞

5

１６６

福　建　地　质　ｇｅｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｆｕｊｉａｎ第　３２　卷

口桩沉降明显加大，而闭口桩沉降和原来同等条件下没有什么大的变化，其原因分析为闭口桩桩端密封，避免了地下水渗入桩端持力层相反，对于敞口桩，地下水直接进入持力层，地下水对持力层的软化对桩端阻力与桩侧摩阻力造成极为不利的结果。

３　结论

（１）敞口管桩与闭口管桩桩端截面形式不同，桩端持力层为粘土时，在达到极限承载力

之前，敞口管桩沉降明显大于闭口管桩的沉降。

（２）敞口管桩在地下水通过管芯对持力层长时间的软化、桩侧土液化后沉降明显加大，

所以在基础设计时应充分考虑此项因素。

（３）敞口桩虽然有“土塞效应”，但个别对沉降量有特殊要求的工程基础，选择敞口桩

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱

时应经过充分论证，建议使用闭口桩更加合适。

参　考　文　献

１　陈克华．管桩的荷载传递机理及承载力研究．工程建设与管理，２００８，１０

２　ｊｇｊ　９４－２００８．建筑桩基技术规范．

ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

摘要：对设有加强环的phc管桩与普通phc管桩进行了水平往复循环加载试验，并做了荷载位移滞回曲线分析，试验结果表明有加强环的phc管桩的延性比普通phc管桩有明显的提升。通过abaqus软件分析不同外径下的加强环对管桩与承台节点处延性的影响，通过在管桩与承台节点处设置五组不同外径的加强环，分别分析节点处的荷载位移滞回曲线，从而分析不同外径的加强环对管桩延性的影响。分析结果表明，不同外径的加强环对管桩的作用效果不同，随着外径的增加，其管桩水平抗弯和抗剪能力也在提高。

关键词：加强环；延性；phc管桩；抗震

中图分类号：tu528.73文献标志码：a文章编号：10023550（2017）09013904

influenceofdifferentdiameterofreinforcingringontheductilityofpipepile

zhangqing，xuanhuaizhen，guozhaosheng，hewubin

（collegeofarchitectureandcivilengineering，taiyuanuniversityoftechnology，taiyuan030024，china）

abstract:witharingofphcpipepileandphcpipepiletostrengthenthehorizontalcyclicloadingexperiment，andtheload

displacementhystereticcurvesanalysis.thetestresultsshowthatstrengthentheductilityofthephcpiletotheringthantheordinaryphcpipepilehasimprovedsignificantly.byusingabaqussoftwaretoanalysisdifferentdiametersofstrengtheningeffectofringofpipepile

andpilecapnodeductility，byfivegroupsofdifferentdiametersofthestiffeningring，respectively，analysisofnodeloaddisplacementhystereticcurves，soastoanalyzethedifferentdiametersofthereinforcementeffectofringontheductilityofpipepileisarrangedinthepipepileandpilecapatanode.theresultsshowthattheeffectofdifferentdiameterofreinforcingringonthepipepileisdifferent，withtheincreaseofoutsidediameter，thehorizontal宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱bendingandshearcapacityofpipepileisalsoimproved.keywords:reinforcingring；ductility；phcpipepile；earthquakeresistance

0引言

近年，随着预应力混凝土管桩不断发展，管桩的纵向

承载力提升很大。但是钢筋混凝土结构的设计不仅要满足

竖直方向强度的要求，还要满足水平方向延性的要求，尤

其是在抗震构件中。刘海成，郭全全[1]等人通过实际例子得

出了，对于环形截面构件，预应力混凝土会随着预应力的增加延性系数显著降低，因此在进行phc管桩设计时，应

该足够的重视构件延性问题。目前，国内对在往复荷载作用下的管桩的受力性能有一定的研究。张伟，贺武斌等[2]通

过试验和数值模拟得到，当其在强烈地震作用下时，桩基础特别是管桩和承台结合点处以及管桩与管桩之间的连接点处容易受到较大的剪力和弯矩作用，桩头节点容易发生脆断而影响整体稳定性；本文通过在管桩与承台节点处设置钢筋混凝土加强环对管桩延性影响的基础上，通过abaqus软件模拟在不同尺寸的加强环保护下，对混凝土

管桩延性的影响。1试验概况

1.1试件的基本数据

此次试验选用的宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱是两根桩长2850mm，桩身直径为400mm，壁厚为95mm，ab型的高强混凝土管桩，混凝土强度为c80，其中试件一为普通phc管桩，试件二是配有

一个加强环的phc管桩。两试件预应力钢筋均为7准12，箍筋为准6@100。承台混凝土强度等级c30，试件一的承台尺寸为1.5m×0.8m×0.9m，而由于设有加强环的原因，试件二的承台尺寸为1.5m×1.0m×0.9m，试件二与试件一除了加

强环钢筋笼不同外，两试件的连接构造相同且桩身嵌入承

台的深度均为50mm，试验装置及桩身截面如图1。

试件一和试件二均是经过离心成型并经高压蒸养而

成。对于普通phc管桩在浇筑前，将管桩直立同时放入填

芯钢筋骨架，与承台钢筋固定，然后支模板浇筑混凝土形

收稿日期：20161009

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（51408395）；山西省自然科学基金（201601d011055）；山西省留学人员科技活动择优资助项目（02020028）

·139·

1

图1试件配筋及截面（单位：mm）

成成型管桩。而对于带有加强环的管桩，制作与前者基本

相同，只需在浇筑混凝土前，将填芯钢筋骨架与加强环钢筋和承台钢筋骨架同时安装再进行一次性浇筑，即形成带

有加强环的填芯混凝土管桩。1.2试验加载及测点布置

如图所示，承台是用钢梁和两组地脚锚栓固定，此次加载，纵向加载采用千斤顶加压，压力保持200kn，水平加

载则采用一台电液伺服加载器通过反力墙产生水平位移

荷载，分级加载，每次位移增量相同，往复循环加载。

此次测点分布在管桩与承台连接部位的4根纵筋相

同部位。在浇筑前，在该部位布置钢筋应变片，用来测量该处钢筋的应变。

1.3试验加载及结果分析

（1）试件一加载过程。加载初期，管桩处于弹性阶段，

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱

荷载曲线呈直线变化，荷载加载到大值79.5kn以后，在每次的循环加载中，管桩承受的大荷载值快速减小，尽

管桩顶变形较大，但荷载简化很小。

（2）试件二加载过程。加载初期和试件一表现相同，荷

载曲线呈直线变化，当荷载值达到120kn左右时，荷载达到极限，当继续增加位移到60mm时，荷载突然降低，大

约为66kn，此刻认为管桩已失去抗弯能力，试验完成。由图2、3的荷载位移滞回曲线可知，试件一在加载初

期处于弹性阶段，继续加载到位移为20mm时，荷载达到大值100kn左右，而试件二中，位移一直加载到50mm时，

荷载才达到大值，此时荷载为130kn。而且从整体上看，设有加强环的管桩荷载位移滞回曲线比普通桩的饱满许

多，也就是说，有加强环的管桩能消耗更多的能量，从而提

高了管桩的整体延性。2数值分析

通过以上的试验我们可以得出，在管桩与承台的节点处设有加强环可以明显提高管桩的延性，为了更好的研究加强环对管桩的影响，此次通过abaqus软件模拟不同外

径的加强环对管桩延性的影响。

如果在管桩与承台节点处设置加强环，一是可以对节点处起到锚固作用，二是可以增大受力面积，从而提高受

弯和受剪的能力。从材料力学中抗弯承载力公式可知，随

·140·

图2试件一的荷载位移滞回曲线

图3试件二的荷载位移滞回曲线

着加强环外径的部分不断增大，管桩抗剪能力也在增大[4]。2.1模型建立

此次建模，采用三维实体单元c3d8r混凝土模型，该

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪

模型的优点是：

（1）当网格比较粗略时也不会出现严重的沙漏问题。（2）在复杂的受力情况下，不会出现自锁问题[3]。采用

宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪预应力混凝土管桩（pc管桩）和高强度预应力混凝土管桩（phc管桩）、预制板式楼梯、alc板、陶粒板、pc构件、叠合板、预制砖胎膜、桥梁桩、预制墙板、预制楼梯、预制飘窗、成品墙板、管桩柱

的钢筋模型是t3d2桁架模型，对于三维模型，因为六面体单元可以使用更小的成本得到高精度计算，所以模型选

取的六面体单元。2.2模型选取

综合大量文献[56]所选模型标准，本次选取桩长为2.85m，外径d=400mm，内径d=210mm，壁厚95mm；用强度为c80的混凝土做桩身。预应力钢筋为7准12，箍筋为准6@100。加强环的外径分别选用500、600、700、800、900mm五组。

2.3材料的选择及其本构关系

模型材料本构关系的选取往往是模型建立的基础。本

文将采用弹塑性理论，混凝土塑性损伤模型主要作用是模拟混凝土在受拉和受压两种状态下塑性应力应变关系，而

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且在模拟循环往复荷载作用下，该模型能得到更加精确的受力分析，所以针对它的这个优点，混凝土的本构关系将采用混凝土损伤塑性模型，为了让其收敛性，选用单折线线性模型的钢筋，也就是屈服前，钢筋随应力的变化而变

化，屈服的数值基本不变，但仍处于线性变化。2.4荷载加载

为了让试验更加接近试验时的状况，在桩的一端“绑定”了一个弧形夹具，它的目的是使所加的荷载能够更好

的作用在桩上，水平位移的加载则根据规范中给出的加载的大位移和在试验加载过程中的实际加载位移过程中

出现塑性破坏时的情形进行分析，jgj94—2008《建筑桩基技术规范》指出出现以下情况之一的，则停止加载：情形一，较小位移时桩身即被折断；情形二，水平位移超过40mm。

综合以上情形，本次模拟可考虑采用40mm的极限位移

值，循环往复初始宁波陶粒板alc板预制pc构件管桩柱梁桩成品墙体镇海慈溪加载位移是5mm，以后逐级增加5mm[7]。如图4。

图7d=700mm时的荷载位移滞回曲线

图8d=800mm时的荷载位移滞回曲线

图4水平位移控制曲线

ａｎｄ　ｓｅｔｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｌｅ

ｘｉａｏ　ｚｈａｎｇｓｈｏｕ

（ｆｕｊｉａｎ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｃｅｎｔｅｒ

ｏｆ　ｃｏｎｓｒｕｃｔｉｏｎ　ｗｏｒｋｓ，ｆｕｚｈｏｕ，３５００１１）

ａｂｓｒａｃｔ

式中，α=[ρss2－(svs)2]s

l2+svs/μ。

sdwm(r)s