PE 套管防治PHC 樁基礎凍拔作用的數(shù)值模擬研究

姜偉 張勃 劉功良 李顯文 付世博 李棟

(1、東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍 江大慶 163318 2、青海黃河光伏系統(tǒng)設計咨詢有限公司，陜西 西安 710000 3、黑龍江八一農墾大學土木水利學院，黑龍 江大慶 163318）

光伏發(fā)電技術是解決化石能源過度依賴問題的可行方案。光伏支架基礎受力特點是豎向荷載小，抗拔強度起控制作用。高緯度低海拔地區(qū)的光伏發(fā)電站建設項目需要考慮季節(jié)性凍脹以及高水位給抗凍脹施工帶來的影響。

樁基礎凍脹效應和抗凍脹措施已進行了較多研究。孫超等[1]對樁錨支護的季節(jié)性凍脹進行了數(shù)值模擬，提出基坑越冬監(jiān)測及防護方案。孫洪偉等[2、3]對船臺樁基礎凍拔進行了觀測，制定了剛性和柔性套筒的防治措施。位于大慶的某光伏電站建設中使用了PHC 管樁外套PE 管措施。本文通過數(shù)值模型，預測和評價抗凍脹效果。

1 理想化假定

1.1 土的凍脹效應

在室內試驗（圖1）基礎上，結合當?shù)貧庀髿v史設置了土體凍脹的溫度變形系數(shù)。

圖1 體積應變隨溫度的變化實驗值

1.2 樁和土材料參數(shù)

以往研究證明線彈性本構描述土體是合理的[4]。土工試驗獲得的土壤部分物理參數(shù)列于表1，作為模擬中采用的材料常數(shù)。

表1 樁和土的材料常數(shù)（0℃）

1.3 PE 材料參數(shù)[5]

根據(jù)美國《PE 管- 設計與安裝》AWWA M55，PE 管長期彈性模量約為初始值的1/4。考慮大慶低溫環(huán)境，PE 材料參數(shù)取值見表2。PE 套管隔離樁身與凍土，減小樁土間的相互作用。套管與樁身間存在一定空隙時抗凍脹效果最佳。需要考慮套管承受外荷載。管材環(huán)剛度與彈性模量的關系由公式（1）確定。

表2 PE 套管的材料常數(shù)（0℃）

式中，Sp是管材環(huán)剛度，MPa；Ep是管材彈性模量，MPa；t0是管材壁厚，mm；D0是管材直徑，mm。

1.4 樁- 土-PE 套管的接觸處理

當土體凍結時，樁外表面與土壤凍結在一起，難以發(fā)生相對位移；在非凍結區(qū)，樁土間摩擦力較大，正常狀態(tài)下的相對位移非常小。因此將樁土接觸設置為綁定。同樣的，對于PE套管與凍土，二者間接觸也設置為綁定。當土體凍脹促使套管向管內變形時，可能與樁身發(fā)生接觸，因此將樁與套管接觸設置為標準。

2 模型建立

使用ANSYS 建立數(shù)值模型。土壤被理想化為高7.8 m，直徑4 m 的圓柱，沿高度分為凍脹性粉質粘土、粉質粘土和砂土三部分。樁的內外徑分別是160 mm 和300 mm，套管的直徑是355 mm，壁厚8 mm。使用Solid187 單元進行離散化處理（圖2）。

圖2 有限元模型和現(xiàn)場照片

分步施加荷載和邊界條件：第一步，對土柱側面施加對稱約束，底面施加全約束，施加整體加速度；第二步，根據(jù)設計對樁頂施加0.012 MPa 豎向荷載；第三步，對凍土部分施加溫度膨脹效應。

3 結果分析

3.1 抗凍脹效果預測

圖3 顯示了樁- 土體系的豎向位移。土壤在樁位附近受到上部荷載和樁自身重力的影響，凍脹量較少，在遠離樁位處凍脹較大；樁身凍拔量約8.2 mm。圖4 顯示了樁身與套管間無填充物時的豎向位移。套管在自身高度范圍內隔離了樁身與凍土的接觸，代替樁身發(fā)生向上凍拔，其凍拔量約62.3 mm；樁身凍拔量約3.1 mm，減少了62.2%。圖5 顯示了填充飽和土時的豎向位移。填充飽和土下，套管隔離效果減弱，其年凍拔量約13.6 mm；樁身年凍拔量約8.2 mm，未顯示出明顯的抗凍脹效果。

圖3 樁- 土豎向位移（無套管）

圖4 樁- 套管- 土豎向位移（樁身套管間無填充）

圖5 樁- 套管- 土豎向位移（樁與套管間填充飽和土）

3.2 長期凍脹風險評估

按表3 改變套管參數(shù)后分別進行模擬。圖6 展示了管樁不同階段的年凍拔量情況。樁身與套管間無填充時，套管的年凍拔量增加；填充飽和粉質粘土時，變化趨勢不變，但變化量非常小，效果不理想。評估長期凍脹風險要考慮年融沉量。管樁下方位于持力層內，年融沉量非常小；而套管全高度位于凍深內，年融沉量較大。因此將樁身年融沉量理想化為0，將PE 套管年融沉量視為年凍拔量的50%，計算25 年使用基準期內累計凍拔量如圖7 所示。可以看出，樁身25 年凍拔量約70.8 mm，相對不采取措施下降低了65.5%；以凍拔量300 mm 為修復歸位標準，在25 年內需要在第10 年和第19 年進行兩次歸位。

圖6 樁身和套管年凍拔量隨時間變化

3.3 PE 套管失效風險評價

公式（1）計算得到PE 套管環(huán)剛度見表3。凍結時土體積膨脹，會對套管產生壓力，根據(jù)國家現(xiàn)行標準《水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范》GB/T50662，靜冰壓力按照公式（2）取值：

表3 PE 套管的環(huán)剛度

計算得凍土對套管的壓力約1.5 MPa，遠大于環(huán)剛度。圖8 顯示了套管較大變形的位置。套管與樁身間無填充時，套管上下端變形較大；套管與樁身間填充飽和粉質粘土時，套管上端變形較大。

圖8 套管變形情況

4 結論

4.1 PE 套管與樁身間無填充時，套管代替發(fā)生凍拔，此時樁身年凍拔量約3.1 mm，減少了62.2%；PE 套管與樁身間填充飽和土時，樁身年凍拔量約8.2 mm，未顯示出明顯的效果。

4.2 樁身年凍拔量隨PE 材料老化逐漸降低，25 年累計凍拔量約70.8 mm，降低了65.5%。

4.3 在25 年使用期內共需進行2 次PE 套管的修復歸位，分別是第10 年和第19 年。

4.4 套管受凍土靜壓力破壞失效的可能性非常大，其破壞可能從上下兩端起始。