PHC樁承載力數值模擬

龔 政

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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PHC樁承載力數值模擬

龔 政

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

張灘閘壩左岸廠房基礎地質條件復雜,廠房建基面覆蓋層較深,下伏基巖面起伏較大,且溶蝕溝槽發育,對此,設計階段采用PHC樁進行處理,從而提高地基承載力,防止不均勻沉降。采用Midas建立樁基模型,模擬單樁在分步加荷的工況下,樁體受力及沉降規律,結果表明,PHC樁承載力及沉降量滿足設計要求,為前期設計提供了較為準確的參考依據。

基礎處理;PHC樁;Midas

1 工程概況

廣東省樂昌市張灘閘壩重建工程中,左岸發電廠房基礎建基面部分為弱風化基巖,部分為砂礫卵石層,雖然砂礫卵石層承載力較高,但為了避免廠房的不均勻沉降,對位于砂礫卵石層的廠房基礎需進行處理。基礎處理形式一般采用換填和樁基礎,從地質鉆孔資料來看,砂礫卵石層在廠房建基面以下埋深度較大,最深處達到9 m,采用換填處理投資較大,因此，采用樁基處理方案,由于廠房基礎一部分為弱風化基巖,剛度較大,要滿足沉降協調,則對樁基礎的剛度要求較高,需采用剛性樁基礎,根據廠房基礎部位鉆孔資料顯示,廠房建基面覆蓋層較厚,下伏基巖(灰巖)巖面起伏較大,埋藏相對較深,且溶蝕溝、槽及溶洞發育,基礎可置于砂礫卵石、含礫粉質黏土或下伏基巖上,在非基巖出露部位采用鉆孔灌注樁或預制管樁進行處理,提高地基承載力,防止不均勻沉降。經過方案比較,決定采用PHC預制樁方案[1]。

2 數值模擬

本文結合張灘廠房基礎處理工程,利用Midas建立PHC預制樁模型,模型說明：模型長×寬×高=20 m×20 m×27.5 m,PHC樁長18 m,樁徑1 m,地層自上而下分層情況為：中粗砂,層厚6.5 m,粉質黏土層,層厚10 m,礫質黏土層,層厚1 m,最下層弱風化灰巖,取層厚10 m 。模型采用參數見表1～3，數值模型見圖1。

2.1 材料特性

材料特性見表1～3。

表1 屬性對應

表2 材料參數

表3 樁截面和接觸特性參數

2.2 網格劃分

本模型重點研究樁及樁周土體的受力變形,故對研究對象網格劃分較密,對遠離樁周的土體劃分較疏,保證了模型計算的準確性,節省了計算時間,為此采用線性梯度網格控制[2],起始網格長度為1,終止長度為0.5。

2.3 邊界條件

Midas自帶地基邊界條件,適合本模型,即對模型除頂面外的其他5個面施加法向約束。

2.4 模擬工況

樁已經全部入土,樁端嵌入弱風化灰巖0.5 m,在樁頂施加荷載2 000 kN,分8步加載。模型如圖1。

圖1 數值模擬模型示意

3 數值分析

為研究樁-土相互作用機理,特在模型樁中心處進行切面顯示,從而可以更直觀觀察樁土之間位移及變形等特征。

3.1 樁體沉降

單樁承載力進行設計時,樁體在樁端荷載作用下的位移是設計者最為關心的一個問題,也是判斷樁極限承載力的一個重要依據,為此,提取出在加荷F=2 000 kN時,樁體豎向位移,如圖2所示。

從圖2中可以讀出樁身總體沉降約2.9 cm,樁周圍的土體也形成了明顯的一個沉降區域,隨著土層范圍擴大,土層沉降值也逐步減小,符合實際受力情況。

3.2 樁體受力

樁的承載力是一個逐步發展的過程,在頂部荷載作用下,樁身上部周圍土體率先與樁體發生相對位移,摩擦力開始發揮作用,摩擦力逐步發揮出來,則樁身軸力逐步減小,從圖3中可以明顯的觀察到,樁體軸向受力呈上大下小的梯形,樁頂最大軸力1 958 kN,樁端軸力530 kN,符合實際受力情況,也從側面驗證了嵌巖樁的端阻力在總承載力中所占比例不高的事實。本模型中樁已嵌入巖體,由于巖石與樁的連接是脆性的,在比較小的位移條件下嵌固段的阻力就可以達到峰值,而且先于土的側摩阻力得到發揮,因此,樁端摩阻力最大[3]。從圖4中可以明顯看出,樁端摩阻力最大,約為150 kN/m,中部土體段則最小,到上部后開始增加,至頂部又稍微減小的一個過程,符合實際受力狀態。

圖3 樁體軸力示意

3.3 分步加荷情況下樁頂沉降

目前,對于如何確定單樁極限承載力有多種方法,諸如Q-S曲線明顯轉折點法、沉降速率法(S-lgt法)、規范經驗參數法、靜力觸探法、標準貫入法、動力法等。本文提取出樁頂沉降位移隨荷載增大的變化曲線如圖5示,該曲線無明顯轉折點,表明該樁的破壞模式屬于刺入型,根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[4]推薦：一般取S=40～60 mm對應的荷載,對于大直徑樁(d>800 mm)可取S=0.03～0.06D(D為樁端直徑,大樁徑取低值,小樁徑取高值)所對應的荷載。本工程取S=0.03D對應的荷載,即Q=2 000 kN取為該樁的極限荷載,滿足設計要求(設計單樁承載力F=950,安全系數K=2.1)。

圖4 樁側摩阻力示意

圖5 樁體Q-S曲線示意

4 結語

本文結合張灘廠房基礎處理工程,建立Midas樁基承載力模型,通過分布加荷計算,較好的反映了PHC預制管樁在該特殊地層條件下的受力情況,比較準確地反映了樁側摩阻力與樁端承載力,并確定了樁的極限承載力,為設計提供了準確地參考依據,并對類似工程具有重要的參考價值。

[1] 廣東省水利電力勘測設計研究院.廣東省樂昌市張灘閘壩樞紐重建工程初步設計報告[R].廣州：廣東省水利電力勘測設計研究院,2014．

[2] 李治.Midas/GTS在沿途工程中應用[M].北京：中國建筑工業出版社,2013:54-69：

[3] 高大釗,趙春風,徐斌. 樁基礎的設計方法與施工技術[M].北京：機械工業出版社,1999:9-35．

[4] 建筑樁基技術規范：JGJ 94—2008[S]．

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Numerical Simulation of PHC Pile Bearing Capacity

GONG Zheng

(Guangdong Hydropower Planning &Design Institute，Guangzhou 510635，China)

It is very complex that the geological conditions of left powerhouse in Zhangtan gate dam. The overburden thickness is deep on the foundation surface of the powerhouse，the bedrock surface is undulating and grike developed，so the PHC pile is taken to improve the foundation bearing force and prevent uneven settlement. In this paper，the pile model is established by Midas to simulate pile stress and settlement under the steps of loading conditions. The results show that the pile's bearing capacity and settling volume meet the design requirements and provide a more accurate upfront reference.

foundation treatment; PHC pile; midas

2016-03-29;

2016-04-25

龔政(1987)，男,碩士,助理工程師,從事水利工程施工組織設計工作。

TU473.1+1

B

1008-0112(2016)03-0005-03