PHC預制管樁在水平荷載作用下的特性研究

作者簡介：

劉登濤（1983—），工程師，研究方向：橋梁工程。

摘要：文章分析了水平荷載作用下單樁的受荷特性，研究了PHC預制管樁中的樁徑、樁長、樁壁壁厚及樁身的混凝土強度等特性。結果表明，在受到水平荷載作用時，樁徑的增大、樁長的增長、樁壁壁厚的加厚及樁身混凝土強度等級的提高，對PHC預制管樁有利，并且樁身的混凝土強度等級對其影響效果最顯著，而樁的壁厚對其影響效果較小。

關鍵詞：PHC預制管樁;橋梁工程;水平荷載;管樁參數;單樁受荷

中國分類號：U445.55+1A331214

0 引言

近年來PHC預制管樁被廣泛地應用于工業及民用建筑中，該樁是采用先張法預應力的工藝和離心成形的施工方法，再經過蒸汽養護形成的空心截面形式的預制混凝土構件，其具有單樁承載力高、施工簡便、施工速度快及施工后不均勻沉降少等特點[1]。張明義等[2]通過試驗研究，提出關于靜壓樁的承載力與時間的關系曲線;陳福全等[3]通過現場的試驗，對壓樁的機理、壓樁所受阻力及樁承載力的計算等問題進行研究;王家來等[4]利用簡化后的屈服函數，對軟化土體中的柱形應變、應力及變形進行分析研究;王成等[5]利用仿真模型建立一種空間耦合數值計算的模式，對由樁身混凝土的損傷而引起的樁體剛度降低等問題進行研究;葉萬靈等[6]對工程中的試樁資料進行收集分析，提出非線性計算的方法。

但目前該樁基技術在橋梁工程的應用相對較少，對橋梁工程中PHC預制管樁在水平荷載作用下的承載特性等研究較少。為此，本文對單樁受荷的特性及PHC預制管樁中的樁徑、樁長、樁壁壁厚及樁身的混凝土強度等特性進行了研究，以期為相關工程領域提供參考。

1 水平荷載作用下單樁的受荷特性

1.1 相關參數及公式

PHC預制管樁通常是用于承受豎向荷載較多的地方，而在橋梁工程中樁基不僅會受到豎向荷載的作用，還會受到水平荷載的作用，并且在水平荷載作用下的性狀更為主要。因此，本文先對實際工程中PHC預制管樁的p-y曲線進行繪制并計算。關于本次計算的土層樁及土層信息參數，以及樁的彎矩計算公式如下頁表1、表2和式（1）所示。

1.2 樁身的p-y[HTZDX]曲線分析

根據上述參數計算結果繪制樁身的p-y曲線，p-y曲線是在試樁時實測的土反力與變位的關系曲線，其能夠反映土的應力與應變關系。本次工程中試樁的p-y曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，在相同的樁身側移下，樁的埋深越大，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況可以看出，側移越大p-y曲線越早出現線性關系，說明此時在樁身的下部可能已經處于彈性階段，其承載力還會繼續增大。

2 樁身的參數研究

橋梁工程的樁體在水平荷載的作用下，其樁身的參數性質及樁周土體性質對樁基的受力變形影響最大，因此本文對樁身的樁徑、樁長及樁身混凝土強度及樁壁壁厚等參數進行研究，分析各個不同因素對PHC預制管樁水平受力特性的影響。本次樁所處的土層及所受的豎向荷載與表1、表2相同，在此基礎上增加了240 kN的水平荷載。

2.1 樁徑的影響分析

分別設置樁徑為800 mm、600 mm和400 mm，并對其樁頂荷載的側移曲線及p-y曲線進行分析。

2.1.1 樁頂荷載-側移曲線分析

從圖2中可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側移均在不斷地增大。對三種樁徑進行對比發現，在相同的水平荷載作用下，樁徑越小樁頂的側移就越大。

2.1.2 p-y曲線分析

從圖3中可以看出，當樁體的埋深一定時，在相同的樁身側移下，樁徑越大，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況可以看出，隨著樁徑的增大，土對樁的反力將逐漸增大。

2.2 樁長的影響分析

分別設置樁長為18 mm、15 mm和12 mm，并對其樁頂荷載的側移曲線及p-y曲線進行分析。

2.2.1 樁頂荷載-側移曲線分析

從圖4可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側移均不斷增大。對三種樁長進行對比發現，在相同的水平荷載作用下，樁長越短樁頂的側移就越大。

2.2.2 p-y曲線分析

從圖5可以看出，當樁體的埋深一定時，在相同的樁身側移下，樁體的長度越長，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況也可以看出，隨著樁長的增大，土對樁的反力將逐漸增大。

2.3 樁壁壁厚的影響分析

分別設置樁壁的壁厚為0.12 mm、0.1 mm和0.08 mm，并對其樁頂荷載的側移曲線及p-y曲線進行分析。

2.3.1 樁頂荷載-側移曲線分析

從圖6可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側移均不斷增大。對三種樁的壁厚進行對比發現，在相同的水平荷載作用下，壁厚越厚樁頂的側移就越小。相比于樁長及樁徑的影響，樁壁的壁厚對樁體在水平荷載作用下的影響比較小。

2.3.2 p-y曲線分析

從圖7可以看出，當樁體的埋深一定時，在相同的樁身側移下，樁壁越厚，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況也可以看出，隨著樁壁厚度的增大，土對樁的反力將逐漸增大。相比于樁長及樁徑的影響，樁壁的壁厚對樁體在水平荷載作用下的影響比較小。

2.4 樁身混凝土強度的影響分析

分別設置樁身混凝土強度等級為C30、C40和C50，并對其樁頂荷載的側移曲線及p-y曲線進行分析。

2.4.1 樁頂荷載-側移曲線分析

從圖8可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側移均不斷增大。其中當混凝土強度等級為C30情況下，曲線變化得最為明顯，說明此時的混凝土強度等級對樁體的側移影響很大。對三種樁的樁身混凝土強度進行對比發現，在相同的水平荷載作用下，混凝土的強度等級越高時對樁頂的側移就越小，對比樁長、樁徑及樁壁壁厚發現，樁身的混凝土強度等級對其側移影響最大。

2.4.2 p-y曲線分析

從圖9可以看出，當樁體的埋深一定時，在相同的樁身側移下，樁身的混凝土強度等級越高，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況也可以看出，隨著樁身的混凝土強度等級增大，土對樁的反力將逐漸增大。相比于樁長、樁徑的影響及樁壁的壁厚對樁體在水平荷載作用下的影響，樁身混凝土的強度等級對其影響最大。

3 結語

由于目前對橋梁工程中PHC預制管樁在水平荷載作用下的承載特性等研究較少，本文通過對單樁受荷的特性及PHC預制管樁中的樁徑、樁長、樁壁壁厚及樁身的混凝土強度等特性進行研究。研究結果表明，PHC預制管樁在受到水平荷載作用時，隨著樁徑的增大、樁長的增長、樁壁壁厚的加厚及樁身混凝土強度等級的提高，PHC預制管樁的側移越小，并且發現樁身的混凝土強度等級對其影響最顯著，而樁壁壁厚對其影響效果較小。本文僅對PHC預制管樁的部分特性進行研究，以期為相關工程領域提供參考。

參考文獻：

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