PHC管樁樁土相互作用影響因素分析

區(qū) 桂 華

(中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司，天津　300250)

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PHC管樁樁土相互作用影響因素分析

區(qū) 桂 華

(中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司，天津300250)

以某火車站地下車庫工程為例，通過FLAC3D三維有限差分軟件，分析了PHC管樁與土之間的接觸面參數(shù)對樁端承載力、樁側(cè)摩阻力、樁頂沉降量和樁端承沉降量的影響，得出了一些有應(yīng)用價值的結(jié)論。

PHC管樁，樁土接觸面參數(shù)，單樁承載力，樁側(cè)摩阻力

0　引言

隨著城市建設(shè)和鐵路運輸?shù)娘w速發(fā)展，原有的PC混凝土管樁已經(jīng)不能滿足當(dāng)下建筑需求，PC具有耐久性差、抗剪強度低，在實際工程中應(yīng)用量也逐漸減少。從而替代傳統(tǒng)PC的新型管樁成為現(xiàn)今使用量最廣的管樁——PHC(預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁)。PHC所采用的混凝土材料強度最低為C80，所采用的鋼絞線屈服強度可達1 275 MPa，拉伸強度可達1 422 MPa，鋼絞線與高強離心噴射混凝土具有高度的握裹力。PHC中的鋼絞線采用的是低碳鋼，其具有良好的點焊性。生產(chǎn)時可采用PC鋼棒編籠，采用自動混焊工藝和生產(chǎn)設(shè)備自動生產(chǎn)管樁。PHC具有良好的鐓鍛性，施工時可在其端頭進行鐓頭和滾絲，錨固極其方便。采用PC鋼棒時，鋼棒成品是呈卷起狀態(tài)，而當(dāng)松卷后則可自動伸直，無需再人工校直，因此鋼棒成品是傳統(tǒng)螺紋鋼和其他建筑鋼材的替代品。PHC管樁在正常受力時，主要承載的部位為樁端承載和摩擦承載，PHC的承載能力遠高于人工挖孔樁和鉆孔灌入樁等，其施工成本也僅為鋼樁的1/3～2/3。

PHC在受力時，受外界荷載影響較大，如樁頂荷載、樁徑、樁長和樁土的接觸面參數(shù)等、管樁的彈性模量和所接觸土的彈性模量等。本文對各種影響因素的相互作用進行研究，結(jié)合相關(guān)工程實例，并使用FLAC3D三維有限差分(并非有限元)計算軟件對其影響因素進行模擬分析。

1　工程案例

某火車站地下公共車庫，地下共1層，結(jié)構(gòu)主體采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。所建工程的地質(zhì)地貌屬于黃土地區(qū)，并且所建工程的場地平坦。該建筑基礎(chǔ)在設(shè)計時即采用PHC管樁，樁徑和樁長為φ600 mm×10 m。進行模擬時為簡化計算模型，根據(jù)相關(guān)地勘資料，將地基土體有效分為3層，土體分別為黃土層、古黃土層和粉質(zhì)粘土層，土層及PHC管樁的具體參數(shù)如表1所示。

表1　各土層和PHC管樁的性能參數(shù)

為方便分析，在模擬時定義以下假定：1)PHC管樁模型采用彈性模型假定，土體模型采用摩爾庫侖模型假定，樁—土界面采用無厚度接觸面和庫侖剪切本構(gòu)模型；2)模擬加載時采用樁頂靜載方式加載，初始荷載定位100 kN，加荷時每級荷載也為100 kN，加載至樁端產(chǎn)生刺入破壞，加載時考慮自重初始地應(yīng)力場；3)模擬時假定樁端底部存在500 mm厚的封底混凝土層，避免發(fā)生土塞；4)為使模擬計算結(jié)果更接近實際情況，在模擬時根據(jù)圣維南原理徑向土體的寬度大于15倍樁徑，且徑向土體的寬度超過樁長，土體深度方向自樁端底部向下超過10倍樁徑的高度。模擬時為縮短軟件計算時間，以位移變化超過樁軸線1/2位置作為失效進行計算。

2　模擬試驗方案和計算結(jié)果分析

在對樁和土之間的相互影響模擬分析時，其接觸面參數(shù)是影響其相互作用的主要因素，因此在建立模型時，樁尺寸設(shè)計值φ600 mm×10 m，接觸面參數(shù)和摩擦角選取樁相鄰?fù)翆拥慕佑|面參數(shù)和摩擦角的0.5倍，0.6倍，1倍和10倍，其他參數(shù)為默認(rèn)數(shù)值，通過以上參數(shù)的變化對樁和土之間的相互作用進行分析。

2.1模擬計算結(jié)果

1)初始地應(yīng)力場和樁土自重作用。圖1為不同接觸面參數(shù)下的Z方向的初始地應(yīng)力云圖和最大不平衡力收斂圖。從應(yīng)力云圖中可知，初始地應(yīng)力云圖變化基本均衡，應(yīng)力均呈層狀有規(guī)律的逐漸增加，且在同一深度范圍內(nèi)應(yīng)力基本相同；最大不平衡力收斂圖走勢也基本相同，從而可知，模型建立有效，可進行下一步模擬計算研究。

2)不同荷載作用下樁土沉降云圖。接觸面參數(shù)和施加荷載分別為(0.5C，0.5φ，600 kN)，(0.6C，0.6φ，700 kN)，(1C，1φ，1 100 kN)和(10C，10φ，2 800 kN)作用下的樁土沉降云圖和樁身沉降位移如圖2所示。從圖2中可知，在豎向荷載作用下，樁基附近土體呈以樁體為中心的沉降盆，樁體附近土體沉降量最大，隨著距離樁體越遠，其土體沉降值也越來越小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)樁頂荷載足夠大時，樁體附近土體與其他土體產(chǎn)生了剪切破壞，導(dǎo)致樁體和土體之間產(chǎn)生滑移；距離樁端越近的土體較距離較遠的土體發(fā)生的剪切變形也逐漸增大，位于樁端處的土體剪切變形量也為最大，模擬所用網(wǎng)格線扭曲變形也最為嚴(yán)重，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于樁體與土相互作用時，其土體的沉降主要發(fā)生在樁端處，樁頂荷載由樁體通過側(cè)向土體和樁端底部土體承擔(dān)，從而間接證明PHC管樁是一種摩擦型端承樁。

3)計算結(jié)果。將不同接觸面參數(shù)下施加各級荷載后，樁頂和樁端沉降量分別進行匯總，得到不同接觸面參數(shù)與樁頂沉降量和樁端沉降量的關(guān)系，分別如圖3和圖4所示。

當(dāng)樁頂荷載為500 kN時，為更清楚的得到接觸面參數(shù)在500 kN荷載作用下與樁頂沉降量之間的關(guān)系，采用對數(shù)的方式進行擬合，得到S—lgC(φ)曲線關(guān)系圖，如圖5所示。樁身軸應(yīng)力與樁體深度變化關(guān)系如圖6所示，樁側(cè)阻力與樁體深度變化關(guān)系如圖7所示，樁頂荷載與樁端阻力變化關(guān)系如圖8所示。

2.2計算結(jié)果分析

1)從圖3中可知，接觸面參數(shù)對樁頂沉降量影響較小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于在不同荷載作用下，樁頂沉降量主要是由于樁體被壓縮變形而產(chǎn)生，樁側(cè)阻力對其樁頂沉降量影響較小。

2)從圖4中可知，接觸面參數(shù)對樁端沉降量有輕微影響。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于在不同荷載作用下，樁端沉降量主要是由于在荷載作用下，樁端刺入土體而產(chǎn)生土體壓縮變形，接觸面參數(shù)增大時其摩阻力也同時增大，從而可分擔(dān)一部分樁端荷載，從而可減小樁端沉降量。

3)從圖5中可得，其他條件不變下，隨著樁土接觸面參數(shù)的逐漸增加，樁頂位移逐漸減小，但接觸面參數(shù)分別為10C，10φ和

0.5C和0.5φ時，其樁頂沉降量僅相差0.1 mm，因此直接證明樁土接觸面參數(shù)對樁頂沉降量影響較小。

4)從圖6中可得，當(dāng)樁土接觸面參數(shù)不同時對樁端和樁頂沉降量影響較小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于在管樁傳遞荷載時，主要是以樁端承載力為主，樁側(cè)阻力對其位移變化影響較小。

5)從圖7中可得，當(dāng)樁土接觸面參數(shù)不同時，均表現(xiàn)為在樁端和樁頂側(cè)面阻力較大，其樁部中側(cè)所承擔(dān)摩阻力較小。但在樁中部范圍內(nèi)，樁土接觸面參數(shù)不同時，側(cè)向摩阻力呈反方向增加或減少，這說明在樁體埋深小于4 m時，樁側(cè)阻力隨著樁土接觸面參數(shù)的增大而增大；當(dāng)樁體埋深大于4 m時，樁側(cè)阻力隨著樁土接觸面的增大而減小；而當(dāng)樁體埋深為4 m時，樁土接觸面參數(shù)的變化對樁側(cè)阻力無影響。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)樁土接觸面參數(shù)較大時隨著樁體埋深的增加，由于上部荷載的作用，上部樁體的壓縮變形應(yīng)力與樁側(cè)土體的摩擦力相抵，而下部樁體所承擔(dān)的豎向承載力則較小，因此4 m以下位置的樁側(cè)摩阻力較小；當(dāng)樁土接觸面參數(shù)較小時隨著樁體埋深的增加，由于上部荷載的作用，上部樁體的壓縮變形應(yīng)力大于樁土接觸面參數(shù)時所產(chǎn)生的摩阻力，而樁體下部承擔(dān)的豎向承載力較大，當(dāng)樁體埋深大于4 m時，壓縮應(yīng)力才能與樁側(cè)摩阻力相抵，從而導(dǎo)致樁體下部樁側(cè)摩阻力較大。

6)從圖8中可得，樁土接觸面參數(shù)越大樁端阻力越小，這說明樁體在承受上部荷載時，隨著樁土接觸面參數(shù)的增大其側(cè)向摩阻力也越大，可承擔(dān)的豎向荷載也越大。因此在生產(chǎn)管樁時，可提高模具的粗糙度，從而提高管樁的側(cè)向摩阻力，降低樁端阻力，從而可直接提高單樁承載力。

3　結(jié)語

從上文分析可得，樁土接觸面參數(shù)越大時輕微降低樁頂沉降量，可提高樁體側(cè)向摩阻力，減小樁端阻力。隨著樁體埋深的增加，側(cè)向摩阻力均隨著樁土接觸面參數(shù)的增加呈先增加后降低再增加的趨勢。因此在制作管樁時，可增加模具的粗糙度從而可直接提高單樁承載力。

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Analysis of PHC pipe pile soil interaction influence factors

Ou Guihua

(China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co., Ltd, Tianjin 300250, China)

Taking the train station underground garage engineering as an example, through FLAC3D three-dimensional finite-difference analysis software, the thesis analyzes the impact of PHC pipe pile-soil interaction interface parameters upon pile end bearing capacity, lateral pile friction resistance, top pile subsidence volume and pile end cement settlement, and draws some valuable conclusions.

PHC pipe pile, pile-soil interface parameters, single pile bearing capacity, lateral pile friction resistance

1009-6825(2016)25-0060-03

2016-06-26

區(qū)桂華(1965- )，女，高級工程師

TU473.13

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