安定宇

(山西省交通新技術(shù)發(fā)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(nèi)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(fù)雜，需要結(jié)合具體工程進行分析。樁土相互作用會對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生較大影響，進而影響橋梁的動力特性。因此，如果在橋梁結(jié)構(gòu)建模分析時忽略樁土相互作用，將導(dǎo)致模型與工程實際差異巨大，模型分析結(jié)果對工程的指導(dǎo)意義下降。本文基于某橋梁基礎(chǔ)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(jié)果與模擬計算結(jié)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(xù)剛構(gòu)橋梁工程，橋跨徑組合為110 m+235 m+110 m。采用PHC管樁樁基礎(chǔ)，工程地層分布特征及土層參數(shù)如表1所示?，F(xiàn)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(shù)。

表1 地層分布情況

表2 單樁物理參數(shù)

根據(jù)表1～2的數(shù)據(jù)，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(shù)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(zhǔn)確性和精度，根據(jù)圣維南原理，在進行土層建模劃分土體網(wǎng)格時，至少應(yīng)包含端樁外20倍管樁外半徑的距離范圍，樁側(cè)土體的徑向延伸應(yīng)超過樁身長度，且應(yīng)超過20～30倍管樁外半徑。對于樁土接觸面，應(yīng)包含樁側(cè)-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(yīng)。

2.3 整體建模

由于樁和土的材料性質(zhì)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(zhì)，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(jié)點。

2.4 初始平衡狀態(tài)

初始地應(yīng)力場是引起巖土發(fā)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(yīng)力場豎向應(yīng)力云圖。沿地面向地層深處，模型的初始地應(yīng)力逐漸增加。對模型的最大不平衡力進行計算，發(fā)現(xiàn)明顯趨于零的特征，表明模型處于平衡狀態(tài)。

3 數(shù)值計算結(jié)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(yīng)力逐級加載方式，直至出現(xiàn)破壞，繪制Q-S曲線圖。根據(jù)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(xiàn)樁頂周圍土體沉降大于樁端土體的現(xiàn)象，樁周沉降較大導(dǎo)致形成沉降盆。由于樁周土體在較大荷載下出現(xiàn)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(xiàn)相對滑動，相對移動出現(xiàn)不協(xié)調(diào)。樁端土體隨著壓縮變形加劇，出現(xiàn)塑性破壞。同時樁土接觸面的相對滑動也導(dǎo)致相互作用更為有限。

根據(jù)模擬結(jié)果可知，在荷載小于100 kN時，樁頂沉降受荷載影響較?。浑S著荷載的增加，在小于700 kN的范圍內(nèi)，曲線沒有明顯拐點，荷載-沉降表現(xiàn)出線性變化特征；在荷載到達700 kN時，曲線出現(xiàn)明顯拐點，此后隨著荷載的繼續(xù)增大，樁頂沉降發(fā)生急劇變化，表明樁體發(fā)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(jù)模擬結(jié)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(dǎo)至樁端；當(dāng)荷載大于100 kN以后，樁端出現(xiàn)沉降，沉降隨著樁端荷載的增加而增大。進一步根據(jù)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(yīng)力隨深度增加而減小，在0～6 m土層范圍內(nèi)，應(yīng)力變化較為平緩，在深度超過6 m后，樁身軸應(yīng)力增長速度明顯加快。樁身軸應(yīng)力整體呈現(xiàn)出層狀分布，上部軸應(yīng)力大于下部。

3.3 樁側(cè)阻力

當(dāng)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(fā)揮導(dǎo)致樁端受到的阻力逐漸明顯。對樁側(cè)阻力進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，樁身上部先出現(xiàn)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(xiàn)側(cè)摩阻力。這也表明，樁身摩阻力發(fā)揮作用的時間并非同步的，且呈現(xiàn)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(nèi)，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(tài)，基本無變化；當(dāng)荷載為500～700 kN時，樁端阻力出現(xiàn)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(fā)生迅速變化。隨著荷載的增大，樁底受到樁身軸力及樁側(cè)阻力的影響逐漸發(fā)揮，在荷載達到700 kN單樁發(fā)生破壞時，樁側(cè)阻力充分發(fā)揮，樁端阻力也開始發(fā)揮作用。

3.5 樁端、樁側(cè)阻力分擔(dān)分析

對樁端應(yīng)力數(shù)據(jù)作進一步處理，計算每級荷載下的樁端荷載，得到樁端、樁側(cè)阻力分擔(dān)的百分比。在荷載較小時，樁頂荷載由樁側(cè)阻力承擔(dān)。樁側(cè)阻力的承擔(dān)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(dān)荷載在700～800 kN時，比例增加尤為明顯。原因在于此時單樁發(fā)生剪切破壞，樁端土承擔(dān)主要荷載。在PHC管樁未剪切破壞前，由樁側(cè)阻力承擔(dān)主要荷載，屬摩擦端承樁。

4 實測結(jié)果與模擬計算結(jié)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(jié)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(fā)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(chǎn)生偏差的原因可能在于模擬過程中未考慮孔隙水壓對應(yīng)力消散的影響，導(dǎo)致模擬值小于實測值。同時對于接觸面參數(shù)的選取與實際樁土界面特征存在差異，也是導(dǎo)致模擬值與實測值偏差的原因之一。但是整體而言，模擬結(jié)果與實測結(jié)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(jié) 論

在樁頂豎向荷載作用下，PHC管樁在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮樁土間作用力，以提高管樁的設(shè)計承載能力和經(jīng)濟效益。本文基于工程實例，對FLAC3D樁土建模及計算進行詳細(xì)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(jié)果與模擬計算結(jié)果進行比較，驗證了采用FLAC3D構(gòu)建PHC管樁模型的可行性，可為同類項目提供參考。

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