PHC管樁在老黏土地區(qū)的水平向承載力性狀的數(shù)值分析

席培勝， 孫曉凱， 張小濤， 劉 波

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（簡(jiǎn)稱PHC樁）是一種重要的新型樁基礎(chǔ)［1］，采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和混凝土離心法制成的一種細(xì)長(zhǎng)圓管形鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件。此種類型的樁具有工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)、質(zhì)量有保證、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)［2］，目前作為豎向承載樁廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)建設(shè)工程，在沿海軟土地區(qū)應(yīng)用與發(fā)展較為成熟。但在我國(guó)中部與西南地區(qū)廣泛分布的第四紀(jì)晚更新世及其以前沉積的黏性土（俗稱老黏土）地區(qū)［3］，地質(zhì)條件的差異以及預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的施工特點(diǎn)，管樁作為支護(hù)樁在老黏土地區(qū)應(yīng)用的理論研究和工程實(shí)踐較少，尤其是對(duì)PHC管樁在水平荷載作用下的工作性狀研究更少，從而限制了PHC管樁作為支護(hù)樁在工程建設(shè)中的大規(guī)模應(yīng)用。本文采用FLAC3D有限差分軟件［4］，建立了PHC管樁與土體相互互作用的模型，計(jì)算了管樁在水平荷載作用下的受力性狀，得到了樁土相互作用的相關(guān)規(guī)律。

1 工程地質(zhì)條件

結(jié)合安徽省合肥市濱湖新區(qū)某PHC管樁工程地質(zhì)勘察報(bào)告［5］，整理得到老黏土地區(qū)各土層的物理力學(xué)性質(zhì)，見表1:

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 樁土數(shù)值模型的建立

根據(jù)單樁與土相互作用的力學(xué)分析研究，樁體采用線彈性材料，即彈性模型；土體采用Mohr－Coulomb模型［6］，樁土接觸面采用庫(kù)倫剪切模型。結(jié)合老黏土地區(qū)工程地質(zhì)情況，為簡(jiǎn)便建模分析，現(xiàn)簡(jiǎn)化各土層的物理力學(xué)性質(zhì)見下表2。管樁型號(hào)為:PHC－AB600－130，樁長(zhǎng)10m，樁身C80混凝土彈性模量取5．0×104MPa，密度取2500kg／m3。

土體深度設(shè)為2倍樁長(zhǎng)，即20m。寬度為50倍樁的直徑，即30m。為了減少計(jì)算時(shí)間，利用對(duì)稱性原理，樁土體均取1／2模型進(jìn)行計(jì)算，在對(duì)稱面上設(shè)立正對(duì)稱的邊界條件，樁土計(jì)算模型單元?jiǎng)澐秩鐖D1、圖2、圖3所示，樁體劃分358個(gè)單元，土體劃分6192個(gè)單元。接觸面單元如圖4所示。

表2 簡(jiǎn)化后的各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 樁土體整體模型

圖2 局部放大模型

圖3 樁土相互作用模型

圖4 樁土接觸面模型

3 數(shù)值模擬過程

在樁頂一節(jié)點(diǎn)施加與x方向相反的水平作用力，指向樁頂截面圓環(huán)形形心。模擬水平靜載荷試驗(yàn)，采用分級(jí)加載方式加載，初級(jí)荷載30kN，分級(jí)荷載為30kN，持續(xù)加載，加載至土體擠壓破壞，停止加載。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4．1 水平荷載對(duì)樁頂水平位移的影響

通過對(duì)樁體在各級(jí)荷載作用下的數(shù)值計(jì)算，得到樁頂水平位移隨水平荷載變化曲線如圖5:

圖5 水平荷載－水平位移

荷載－位移曲線的線型是樁身材料或樁周土破壞機(jī)理和破壞模式的宏觀反映。由圖5中可以看出，曲線為緩變型，加載初期，荷載較小，樁頂水平位移隨荷載變化不顯著，可以說明是由于樁周老黏土產(chǎn)生相應(yīng)的變形對(duì)樁形成一種抵抗作用，使得樁頂產(chǎn)生微小位移，隨著加載荷載不斷增大，加載至480kN以后，樁頂位移增大，達(dá)到51．33mm，曲線呈陡升狀態(tài)，說明本級(jí)荷載作用下，樁周土體已經(jīng)喪失穩(wěn)定，不能再為樁體提供相應(yīng)的抵抗力，已達(dá)到極限狀態(tài)，不能再繼續(xù)承載。由上述分析可知，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在老黏土地區(qū)水平承載力性狀基本符合一般樁土相互作用的機(jī)理；但是由數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析，PHC管樁在老黏土地區(qū)與土的相互作用可得，當(dāng)水平荷載達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，樁頂才會(huì)有明顯水平位移，樁周土體才有較明顯的變形，這個(gè)荷載值比普通樁的150kN～350kN要大很多，這是PHC管樁在老黏土地區(qū)水平承載能力的一個(gè)突出特點(diǎn)。通過圖6可以更明顯的反映這一特點(diǎn):

圖6 水平荷載－位移梯度曲線

由圖6水平荷載－位移梯度曲線可知，在水平荷載達(dá)到480kN時(shí)，位移梯度有明顯凸起，說明樁周土達(dá)到極限承載能力，根據(jù)單樁水平臨界荷載Hcr和單樁水平極限荷載Hu判定標(biāo)準(zhǔn)，即可認(rèn)為此時(shí)荷載是單樁水平臨界荷載Hcr，當(dāng)加載至720kN時(shí)，曲線出置影響，樁頂水平應(yīng)力最大，隨樁深度曲折現(xiàn)第二拐點(diǎn)，此時(shí)荷載為水平極限荷載Hu。

由此說明，PHC管樁在老黏土地區(qū)水平承載力性狀符合普通樁一般規(guī)律，但承載水平有所提高。

變化。在樁土水平接觸面，樁身水平應(yīng)力達(dá)到最大值，在480kN荷載作用下，水平應(yīng)力為2．68MPa。

4．2 水平荷載對(duì)樁身水平位移的影響

通過對(duì)樁體在各級(jí)荷載作用下的數(shù)值計(jì)算，得到樁身水平位移隨水平荷載變化曲線如圖7:

圖7 各級(jí)荷載作用下樁身水平位移

由圖7分析可知，在30kN荷載作用下，整個(gè)樁身在樁周土約束力作用下，樁頂水平位移為0．119mm，樁身沒有顯著水平位移；當(dāng)荷載逐級(jí)增大時(shí)，樁身有明顯位移。當(dāng)荷載加至480kN時(shí)，樁頂位移達(dá)到51．33mm，并且樁身位移隨著樁入土深度的增加不斷減小 ，達(dá)到一定深度水平位移為0，本次模擬的“零”點(diǎn)位于入土深度6m左右，往后隨深度增大，樁身水平位移也呈非線性增大，但是方向與加載方向相反。在480kN荷載作用下，樁底水平位移為3．61mm。由此可知，水平荷載作用下管樁樁身變形主要主要在裝頂段7m范圍內(nèi)，樁頂段3m范圍內(nèi)樁身水平位移較大，水平荷載對(duì)樁身下段的水平位移影響甚微。

4．3 水平荷載對(duì)樁身水平應(yīng)力的影響

通過對(duì)樁頂施加水平荷載，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果得樁身水平應(yīng)力在各級(jí)荷載作用下的分布，如圖8。由圖8分析可知，樁身水平應(yīng)力具有明顯的非線性特征，由于荷載作用位在入土深度1m處，由于樁土之間的相互作用，樁身水平應(yīng)力減小至最小，本級(jí)荷載作用下為0．623MPa。隨著深度增加，樁身水平應(yīng)力先增大后減小，在樁身入土深度2m處達(dá)到極值，隨后逐漸減小，在入土深度6m處減小為零，隨后水平應(yīng)力反向，在樁底達(dá)到反向最大值，但數(shù)值較小，在480kN荷載作用下，樁底水平應(yīng)力為0．118MPa。

4．4 水平荷載對(duì)樁身彎矩的影響

樁身最大彎矩是描述樁基受力變形的一個(gè)重要特性，為研究PHC管樁在老黏土地區(qū)的水平承載力，必須對(duì)其樁身彎矩進(jìn)行分析研究。考慮水平荷載對(duì)樁身彎矩的影響，由數(shù)值模擬分析結(jié)果得如下曲線圖9。

圖9 各級(jí)荷載作用下樁身彎矩分布

由曲線分析可知，樁身彎矩隨水平荷載的變化呈明顯的非線性特征，水平荷載較小時(shí)，樁身彎矩很小，對(duì)樁身承載力幾乎沒有影響。當(dāng)荷載逐級(jí)加大，樁身彎矩明顯增大。樁身最大彎矩發(fā)生在入土深度1．5m左右和樁底部分，并且樁底彎矩和樁身彎矩放向相反，6m附近是中性點(diǎn)位置，反映出高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的剛性樁的性質(zhì)。在480kN荷載作用下，彎矩極值分別為－375．45kN·m和398．48kN·m。在極限荷載720kN作用下，樁身最大彎矩有稍微下移的趨勢(shì)，在0．5m～2．5m范圍內(nèi)，樁身彎矩相差不大。

4．5 水平荷載對(duì)樁土相互作用的影響分析

樁體水平承載力最后是由樁土相互作用確定的，在樁體達(dá)到承載極限的時(shí)候，土體發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生塑性區(qū)；塑性區(qū)分布及位移矢量如圖10、11所示:

圖10 樁側(cè)土體塑性區(qū)分布

圖11 樁側(cè)土位移矢量

由圖10、11分析可知，頂部樁周土體受壓產(chǎn)生塑性變形，延伸到外側(cè)土體一定距離；樁頂水平位移最大，然后隨樁身往下逐漸遞減，在一定深度水平位移為0，然后再往下水平位移方向相反，大小也隨深度增加，在樁底處有一定的水平位移。

5 結(jié) 論

本文采用彈塑性有限差分法，分析了PHC管樁在老黏土地區(qū)的水平向承載力性狀，得到了以下一些結(jié)論:

（1）通過數(shù)值模擬計(jì)算分析，PHC管樁在老黏土地區(qū)的水平承載力性狀符合一般樁土相互作用規(guī)律，呈現(xiàn)明顯的非線性特征。

（2）由于老黏土地區(qū)的特殊土質(zhì)情況，尤其是其較高的黏聚力值，通過計(jì)算得到PHC管樁的水平承載能力較普通土質(zhì)地區(qū)有所提高。

（3）通過模擬計(jì)算分析，準(zhǔn)確反映了水平荷載對(duì)樁土體的作用力，樁身變形和應(yīng)力主要分布在樁身中上部和樁底位置，在樁身下部區(qū)段內(nèi)，樁身變形及應(yīng)力很小。

1 GB13467－2009，先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

2 王成，鄧安福．水平荷載樁樁土共同作用全過程分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（4）:476～480．

3 郭揚(yáng)，崔偉．PHC管樁在老黏土地區(qū)應(yīng)用的試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（2）:108～115．

4 孫書偉，林杭，任連偉．FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2011．

5 郭揚(yáng)，崔偉．應(yīng)用圓柱孔擴(kuò)張理論對(duì)PHC管樁承載特性的研究［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（2）:269～273．

6 Poulos H G，Davis E H．Pile foundation analysis and design［M］．New York:John Wiley and sons，1980．