PHC管樁樁土相互作用承載特性模擬分析

安定宇

(山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012)

0 前 言

PHC管樁具有強度高、施工機械化、地基承載力提升效果好等特點，在國內大型工程中較為常用[1]。但是PHC管樁樁土間的作用情況較為復雜，需要結合具體工程進行分析。樁土相互作用會對橋梁結構內力產生較大影響，進而影響橋梁的動力特性。因此，如果在橋梁結構建模分析時忽略樁土相互作用，將導致模型與工程實際差異巨大，模型分析結果對工程的指導意義下降。本文基于某橋梁基礎PHC管樁工程，采用FLAC3D軟件建立樁土模型，分析樁土在頂部荷載下的作用情況，并將實測結果與模擬計算結果進行對比，評價模型的有效性。

1 工程實例

本次工程依托某連續剛構橋梁工程，橋跨徑組合為110 m+235 m+110 m。采用PHC管樁樁基礎，工程地層分布特征及土層參數如表1所示。現場試驗采用4根500 mm×10 m的試樁，采用七級加載的慢速維持荷載法，初始荷載200 kN，每一級遞增荷載為100 kN，直至加載800 kN止。表2所示為樁身的物理參數。

表1 地層分布情況

表2 單樁物理參數

根據表1～2的數據，通過FLAC3D軟件建立接觸單元、樁身彈性模型，模擬分析PHC管樁樁土間的作用情況。

2 PHC管樁數值模型的建立

2.1 土層建模

為了有效反映樁端以下土體受力情況，提高模擬的準確性和精度，根據圣維南原理，在進行土層建模劃分土體網格時，至少應包含端樁外20倍管樁外半徑的距離范圍，樁側土體的徑向延伸應超過樁身長度，且應超過20～30倍管樁外半徑。對于樁土接觸面，應包含樁側-土層接觸面、樁端-土體接觸面，盡可能完整地反映樁土受力情況[2]。

2.2 管樁建模

本次試驗樁的外樁徑為500 mm,建模時管樁壁厚取100 mm,封底厚度取500 mm。通過混凝土封底避免端樁土塞效應。

2.3 整體建模

由于樁和土的材料性質不同，在FLAC3D建模時需要采用不同單元，樁土間作用可以通過接觸單元來進行模擬[3]。本次模擬采用“移來移去”的接觸面建模方法，向土體模型中直接插入管樁模型形成整體模型，該模型具有軸對稱性質，可以沿軸線平面切割后取1/2模型進行分析。本次實例模擬的圖層模型尺寸為長×寬×高=12 m×6 m×22 m，樁體模型為長10 m樁徑0.5 m的柱體。樁體-土層模型劃分為7 260個單元，共8 672個節點。

2.4 初始平衡狀態

初始地應力場是引起巖土發生變形和破壞的主要力源之一[3]，模擬試驗采用FLAC3D軟件自動計算生成初始地應力場豎向應力云圖。沿地面向地層深處，模型的初始地應力逐漸增加。對模型的最大不平衡力進行計算，發現明顯趨于零的特征，表明模型處于平衡狀態。

3 數值計算結果分析

3.1 樁頂沉降分析

本次模擬試驗采用FLAC3D模擬單柱豎向受壓、應力逐級加載方式，直至出現破壞，繪制Q-S曲線圖。根據模擬計算所得的位移沉降變形云圖可以看出：模型豎向荷載作用下，出現樁頂周圍土體沉降大于樁端土體的現象，樁周沉降較大導致形成沉降盆。由于樁周土體在較大荷載下出現剪切破壞，樁頂周圍土體沉降最大，隨著豎向荷載進一步增加，樁與土體出現相對滑動，相對移動出現不協調。樁端土體隨著壓縮變形加劇，出現塑性破壞。同時樁土接觸面的相對滑動也導致相互作用更為有限。

根據模擬結果可知，在荷載小于100 kN時，樁頂沉降受荷載影響較小；隨著荷載的增加，在小于700 kN的范圍內，曲線沒有明顯拐點，荷載-沉降表現出線性變化特征；在荷載到達700 kN時，曲線出現明顯拐點，此后隨著荷載的繼續增大，樁頂沉降發生急劇變化，表明樁體發生破壞。因此，從曲線圖判斷，該試樁的極限承載力大約為700 kN。

3.2 樁端沉降分析

根據模擬結果可知，在荷載小于100 kN時，樁端的沉降為0，推測此時樁身軸力尚未傳導至樁端；當荷載大于100 kN以后，樁端出現沉降，沉降隨著樁端荷載的增加而增大。進一步根據樁頂及樁端沉降曲線，可計算樁身在每級荷載下的壓縮量。

樁身軸應力隨深度增加而減小，在0～6 m土層范圍內，應力變化較為平緩，在深度超過6 m后，樁身軸應力增長速度明顯加快。樁身軸應力整體呈現出層狀分布，上部軸應力大于下部。

3.3 樁側阻力

當樁頂豎向荷載較小時，下部軸力趨于0，隨著荷載的增大，下部軸力發揮導致樁端受到的阻力逐漸明顯。對樁側阻力進行分析，可以發現，樁身上部先出現彈性壓縮，進而上部周圍土層與上部樁身間形成摩阻力，隨著荷載增加，下部樁身及土層間才出現側摩阻力。這也表明，樁身摩阻力發揮作用的時間并非同步的，且呈現出自上而下非線性分布的特征。

3.4 樁端阻力

對樁端阻力進行分析，樁端阻力在荷載小于200 kN的范圍內，僅有輕微變化；在樁頂荷載在200～500 kN時，樁端阻力呈直線形態，基本無變化；當荷載為500～700 kN時，樁端阻力出現了較為明顯的線性變化；隨著荷載進一步增大超過700 kN時，樁端阻力發生迅速變化。隨著荷載的增大，樁底受到樁身軸力及樁側阻力的影響逐漸發揮，在荷載達到700 kN單樁發生破壞時，樁側阻力充分發揮，樁端阻力也開始發揮作用。

3.5 樁端、樁側阻力分擔分析

對樁端應力數據作進一步處理，計算每級荷載下的樁端荷載，得到樁端、樁側阻力分擔的百分比。在荷載較小時，樁頂荷載由樁側阻力承擔。樁側阻力的承擔比例隨著荷載的增加而減小，樁端阻力隨著荷載的增大而增大。樁端阻力承擔荷載在700～800 kN時，比例增加尤為明顯。原因在于此時單樁發生剪切破壞，樁端土承擔主要荷載。在PHC管樁未剪切破壞前，由樁側阻力承擔主要荷載，屬摩擦端承樁。

4 實測結果與模擬計算結果的比較

表3所示為工程實測4根試樁的平均樁頂沉降值。本工程實例試驗測得試樁的極限承載力為700 kN，平均沉降與殘余沉降分別為15.17、65.85 mm,表4所示為試驗與模擬結果的對比。

表3 工程實測平均樁頂沉降值

表4 試驗值與模擬值對比

單樁在荷載達到700 kN時發生破壞，此時試驗測得樁頂沉降為15.17 mm,而模擬計算值為12.02 mm,偏差為3.15 mm；荷載為800 kN時，試驗實測樁頂沉降為69.85 mm,模擬計算值為66.96 mm,偏差為2.89 mm。從試驗曲線與模擬曲線的吻合情況來看，在樁頂荷載達到400 kN后，曲線的吻合情況較好。產生偏差的原因可能在于模擬過程中未考慮孔隙水壓對應力消散的影響，導致模擬值小于實測值。同時對于接觸面參數的選取與實際樁土界面特征存在差異，也是導致模擬值與實測值偏差的原因之一。但是整體而言，模擬結果與實測結果的偏差較小，表明通過FLAC3D模擬PHC管樁樁土作用是可行的。

5 結 論

在樁頂豎向荷載作用下，PHC管樁在設計時應當充分考慮樁土間作用力，以提高管樁的設計承載能力和經濟效益。本文基于工程實例，對FLAC3D樁土建模及計算進行詳細介紹，通過模擬和計算分析了樁土作用的形式和過程。文章將試樁實測結果與模擬計算結果進行比較，驗證了采用FLAC3D構建PHC管樁模型的可行性，可為同類項目提供參考。

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