PHC管樁地基處理對水閘抗震安全影響研究

張鴻偉

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

1 概述

目前很多學者對PHC管樁進行了大量的研究，Yan Shao等采用ABAQUS有限元軟件研究了預應力高強混凝土管樁的擠土效應[1-2]。Zhijian Yang采用試驗手段研究管樁在低周反復荷載作用下的破壞過程和破壞模式[3]。李光明[4-9]等對地震區和軟土區預應力混凝土管樁的抗震性能進行了研究。阮起楠[10]借鑒了國外有關規范，對管樁的抗震設計作了探討，認為預應力混凝土管樁可用于抗震烈度7度以下的一般地區建筑工程。上述文獻主要針對PHC管樁本身特性及設計理論進行研究，涉及樁與結構聯合抗震的研究則相對較少[11-12]。隨著近年地震災害頻發，結構抗震及抗震性評價成為了研究的熱點問題。本文以某工程水閘為研究對象，基于樁基-結構的耦合整體，對比分析PHC管樁地基處理和灌注樁地基處理對水閘結構的影響，為PHC樁基礎的水閘結構設計提供依據。

2 PHC樁地基處理及其特征分析

某水閘工程，為浮筏式鋼筋混凝土結構，共兩孔。閘室底板厚為1.5 m，上、下游設有齒墻。閘室地基為軟土地基，工程區地層自上而下為近代堆填的人工拋石、第四系淤泥類軟土、粉質黏土和砂土，下覆巖層侏羅紀細粒黑云母花崗巖[13]。工程場地平坦，周邊環境相對簡單。據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2015)，工程區地震峰值加速度值為0.10g(相應地震基本烈度為Ⅶ度)。閘室底板坐落于淤泥質層，由于承載力和沉降的要求，需要進行地基處理。

2.1 PHC樁設計

高強預應力混凝土管樁又稱PHC樁。此樁型穿透能力強，可獲得較高承載力；樁身強度高，后期沉降變形小，有利于上層建筑物的穩定；造價低，施工周期短，對于工期緊的工程優勢明顯。其缺點主要是具有擠土效應，對周圍建筑物有一定影響，要求邊樁中心到相鄰建筑物間距大。根據水閘閘室地基土層和上部結構荷載計算結果，基礎采用PHC管樁(外徑600 mm，壁厚130 mm)，砼強度等級為C80，水閘閘室順水流方向布置8排，垂直水流方向布置13排，共布置104根樁。樁基采用中粗砂層為持力層，樁底進入硬質土層不宜少于1.5 d，設計樁長為36 m。

根據閘室基底應力和樁位布置，當不考慮負摩阻力時，完建工況豎向荷載最大，單樁平均豎向荷載為Nk=858.74 kN，單樁豎向承載力特征值為Ra=1694.58 kN。考慮負摩阻力引起基樁的下拉荷載Qgn時，正向警戒水位工況時豎向荷載最大，單樁平均豎向荷載為Nk+Qgn=1 187.13 kN，單樁豎向承載力特征值為Ra=1 308.39 kN。正向設計擋潮工況時的水平荷載最大，單樁水平作用力H1=85.90 kN，單樁水平承載力特征值為Rha=72.30 kN(考慮了群樁效應為Rh=86.77 kN)，滿足規范要求。

2.2 PHC樁基礎樁基礎彈性模量

由PHC樁與軟基土層組成的PHC樁基礎，在空間上呈現周期性復合材料非均質性。PHC樁基礎等效彈性模量是評價地基處理效果的一個重要指標。大多數學者采用一般彈性力學問題的均質化理論進行PHC樁基礎等效彈性模量的研究[14-15]，以樁及其影響區域內的土體所構成的非均質復合體為對象，由細觀平衡方程求解得到細觀特征函數，再借助宏觀平衡方程求解彈性模量。其求解方法復雜，不適用于工程設計。

(1)

(2)

E并=fG×EG+fM×EM

(3)

式中：

EG和EM——土基相M和樁基相G所占的彈性模量；

fG和fM——分別為土基相M和樁基相G所占的體積比。

3 PHC樁地基處理對水閘抗震安全影響

以2.1節水閘為研究對象，該水閘閘墩、底板及交通橋采用C30鋼筋混凝土結構，排架柱采用C30鋼筋混凝土結構，設計的PHC樁基礎方案見2.1節。為對比不同地基處理的效果，設計鉆孔灌注樁基礎為對比方案，其中鉆孔灌注樁初擬樁徑為Φ100 cm，樁身砼強度等級為C40，樁頂通過鋼筋與上部建筑底板銜接，樁底高程按打入持力層一定深度控制，樁長40 m，排距為3.6 m×3.5 m，共布樁60根。

抗震安全分析采用數值模擬手段，取水閘閘室建立有限元模型，地基深度取1倍閘室凈寬。垂直水流的寬度選取1.5倍閘室長度，順水流方向選取1.5倍閘室長度。兩種方案均采用實體單元進行分析，共有44 837個單元和節點。進行仿真計算時，所有材料本構模型均采用線彈性模型，結構計算地基四周為法向約束，模型基底為全約束，上部閘室自由。

抗震分析采用振型分解反應譜法進行，總的地震作用效應是由各階振型的地震作用效應按平方和方根法組合得到，計算中提取水閘結構的前五階模態振型。計算模型的力學參數見表1所示。

表1 計算模型的力學參數

水閘在垂直水流方向的剛度較小[16]，故當激勵在垂直水流方向易產較大的應力。通過查閱資料亦發現水閘的最大應力通常發生在激勵在垂直水流方向的時候，故本文選取激勵在垂直水流方向(Z)上進行分析。水閘計算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意

3.1 自振頻率分析

采用子空間迭代法計算結構的自振頻率，地基仍然為無質量地基。振型組合采用振型組合方法，分析前五階振動頻率，對不同地基處理方案的水閘自振頻率進行對比(見表2所示)。

表2 自振頻率匯總 Hz

從表2中數據不難看出，經地基處理，地基彈性模量增大，水閘的自振頻率增加，從而閘室結構的自振周期將會減少，特征周期以及反應譜值所在區間亦發生改變。

3.2 閘室結構位移分析

選取閘室整體結構的最大值和最小值以及閘室底板的最大值和最小值進行分析，以此作為依據判斷閘室結構在不同地基上的變形，PHC樁基礎作用下計算結果如圖2～圖6所示。閘室整體位移的最大值和最小值計算結果見表3所示；閘室底板位移的最大值和最小值計算結果見表4所示。

圖2 PHC樁基礎Z方向的第一階振型

圖3 PHC樁基礎Z方向的第二階振型

圖4 PHC樁基礎Z方向的第三階振型

圖5 PHC樁基礎Z方向的第四階振型

圖6 PHC樁基礎Z方向的第五階振型

表3 垂直水流方向地震引起水閘豎向(UY)位移匯總 mm

表4 垂直水流方向地震引起底板豎向(UY)位移匯總 mm

由上述可知，① 垂直水流方向發生地震時，除第五振型外，地基處理后上部結構的最大位移均增大，上部閘室的最大位移主要發生在上游支架和下游交通橋處，這是由于經地基處理后，地基剛化為整體，動力響應上傳到上部結構。② 垂直水流方向發生地震時，地基處理后的底板和基礎的位移則減小，這是由于地基處理后底板因受地基約束增強。③ 相比鋼筋砼灌注樁基礎和原始地基，PHC樁基礎因其本身具有較好的強度和穩定性，地基整體強度增加，動力響應效果較好。

3.3 閘室結構應力分析

PHC管樁基礎作用下不同振型閘室結構應力如圖7～圖8所示，其他類型地基應力成果見表5所示。

a 第一階右邊墩應力云圖

d 第一階底板應力云圖

e 第一階上游支架應力云圖

f 第一階下游交通橋應力云圖圖7 第一階振型閘室各結構應力云圖

a 第三階右邊墩應力云圖

b 第三階左邊墩應力云圖

c 第三階中墩應力云圖

d 第三階底板應力云圖

e 第三階上游支架的應力云圖

f 第三階下游交通橋的應力云圖圖8 第三階振型閘室各結構應力云圖

表5 閘室第一主應力和第三主應力匯總 MPa

由圖7～圖8可知，閘室結構的應力最大處主要集中在上游支架和下游交通橋上；由表5可知，進行地基處理后，當發生垂直水流方向地震，閘室結構所受到的拉應力是增大的，壓應力也是增大的。兩種不同的地基處理方式相比，二者對地震作用下水閘結構應力的影響區別不大。

4 結論和建議

軟土地基上的水閘結構因地基不滿足承載力或沉降要求通常采取PHC樁加固地基手段，本文采用數值模擬方法，將處理的地基視為復合材料，分別計算了PHC樁地基處理、灌注樁地基處理和未進行地基處理三種方案下的水閘抗震性能，結論如下：

1)進行地基處理后，閘室結構的自振頻率會增加，反應譜所在區間亦發生改變，相應的閘室動力分析計算出的應力會相應減小。

2)進行地基處理后，受垂直水流方向地震影響，底板的位移減小，但上部結構位移增大，最大位移為排架柱和上游交通橋，水閘抗震設計時應重點關注其安全問題。

3)進行地基處理后，閘室結構的應力集中現象顯著，這是因地基約束增強所致，故在PHC樁加固地基水閘結構設計時，在應力集中處需對結構進行加強。

4)從抗震作用來說，PHC樁基礎和砼灌注樁基礎在水閘上部位移控制及閘室結構主應力控制方面作用相當，但PHC管樁基礎對于閘室底板位移控制效果相對更明顯，該研究可為水閘地基處理設計提供參考。