客运专线站场PHC桩的合理沉桩顺序研究

唐旭

摘要： 采用圆孔扩张理论解析计算和有限元数值模拟计算对PHC管桩单桩和群桩的挤土效应进行了分析和研究，并同时研究了PHC管桩的挤土效应对CFG桩和搅拌桩的影响，在此基础上进行的不同桩型施工顺序的优化。

Abstract： This paper uses analytical calculation of column cavity expansion and finite element numerical simulation to analyze and study the squeezing effect of the single pile and grouped piles of PHC pile. At the samen time， it studies the effect of squeezing effect of PHC pole on the CFG pile and mixing pile. Based on this， the construction sequence of the piles with different types is optimized.

关键词： PHC桩；圆孔扩张；有限元数值模拟

Key words： PHC pile；column cavity expansion；finite element simulation

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0081-04

0 引言

苏州火车站地区综合改造工程是苏州市区历史上建设规模最大的工程，主要由新建沪宁城际铁路苏州站场、普速铁路苏州站、城市轨道交通2号线与4号线火车站站以及与之配套的无柱雨棚、生活和办公所属房屋工程。中铁二十四局承担新建沪宁城际铁路苏州站场工程、既有普速车场改造工程及过渡线等，其施工里程范围为XK84+615～XK81+675。路基加固采用PHC桩、CFG桩和水泥土搅拌桩三种地基加固形式，三种不同桩型加固区域彼此相接，桩的挤土效应将制约桩的施工顺序和施工质量。现拟采用圆孔扩张理论并结合有限元数值模拟方法，对PHC桩沉桩过程中的挤土影响范围及其对周围地层的影响程度进行了研究和分析，并对两种方法的计算结果进行对比，用于合理确定现场桩基的施工顺序。

1 有限元模拟计算PHC桩单桩挤土效应

PHC桩挤土效应非常复杂，相对于解析计算方法，有限元模拟能够考虑更多的因素。应用ANSYS有限元软件轴对称模型模拟圆孔扩张造成的径向位移和径向应力，以对PHC桩静压沉桩造成的径向位移场、径向应力场进行模拟分析，并与解析计算结果对比。

1.1 基本假定

①采用总应力法进行分析计算；

②根据实际沉桩过程，为简化计算，以二维轴对称问题模拟；

③土体为均质连续的横观各向同性弹塑性体，考虑几何非线性，采用八节点二维轴对称单元；

④桩长21m，半径25cm，从上至下，同时扩孔；

⑤孔壁上作用向下的桩土间摩擦，大小考虑为土的粘聚力，以模拟桩土间的摩擦作用。

压桩过程中桩表面附近的土层己进入塑性破坏状态，应变值很大，应力值也很大，已达到了材料的破坏应力。从国内外研究现状看，现在广泛使用的土体本构模型有Drucker-Prager模型和Mohr-Coulomb模型，本研究计算分析时采用Druker-Prager模型。

1.2 计算模型图及参数

土体水平和竖直计算区域均为40m，土体上表面为自由边界，下表面竖向固定，右侧面水平固定，桩半径25cm，桩长21m。把静压桩的贯入看成圆柱形孔扩张，有限元计算简图如图1所示。扩张半径是从O开始的，但如果在数值计算中采用0半径，将产生无穷大的环向应变，所以应假定沉桩前土体存在初始半径。有文献认为如果初始半径为r0的小孔扩张到一定程度时，孔壁的径向应力与沉桩时桩侧的极限径向应力相等，此时的理论半径便可作为最终半径。Gibson和Anderson（1961）进一步指出，当小孔从r0扩张到2r0时，扩张压力与极限压力仅相差6%，因此可近似地用从r0到2r0的圆孔扩张来模拟半径为R的桩贯入。对于饱和土，桩的压入过程近似为不排水过程，根据体积关系，有：

R2=（2r0）2-r02

取R=0.25m，则r0=0.144m。

计算模型中不建立桩，而将沉桩过程考虑为沿径向方向施加（R-r0），即0.106m的位移；桩土接触面的摩擦力按相应每层土的粘聚力c考虑，施加在桩土接触面节点上。有限元模拟计算桩土参数如表1所示。

有限元模拟计算网格划分及边界、荷载设置如图2所示。

1.3 计算结果

模拟PHC桩挤土效应得到的土体径向位移沿水平向分布曲线如图3所示，图例中Z表示竖向深度（下同）。

从计算结果可看出，径向位移在0.5d处位移为8.3cm；在一倍桩间距（2.2m）处衰减到1cm，衰减较迅速。

径向位移沿竖直方向的分布曲线分别如图4所示，图例中r表示离桩中心的距离（下同）。计算结果表明，离桩不同距离土体的径向位移延竖直方向分布规律基本相同，即桩端、桩顶对应位置处的径向位移普遍较小，而中间一段基本保持不变。

径向应力延水平方向迅速衰减，分布规律如图5所示，在2.5m处已基本衰减到1kPa以内。土层深度Z=20m处径向应力最大，该层深度离桩0.25m处径向应力为713kPa；离桩2.5m后，径向应力基本衰减到1kPa以内。

径向应力沿竖直方向的分布曲线如图6所示，在离桩同一距离处延竖直方向径向应力发生较大变化，呈先增大后减小趋势，如图6中离桩0.5m曲线所示。先增大，是由于土体表面可以上下隆沉，对径向应力有所削减；后减小，与土层性质相关。

对于PHC桩单桩沉桩施工引起的挤土径向位移和径向应力，理论计算和数值计算结果均表明，在离桩中心3d（1.5m）时，理论计算径向位移约为2cm，以后接近线性衰减。当离桩中心2.2m时，即本工程的实际桩间距时，计算的径向位移约为1～1.4cm，径向应力为65.6kPa。其中数值模拟的结果较Vesic圆孔扩张理论计算的结果略小，但二者呈现的规律相同。

考虑到在目前的设计桩间距（2.2m）处，PHC单桩引起的径向位移已达到1.4cm左右，如果考虑群桩的挤土效应累加，极易超过基桩的平面误差标准2cm，为此需要进一步研究群桩的挤土情况。

2 PHC桩群桩挤土效应分析

PHC桩群桩产生的挤土效应将对周边环境造成显著的不利影响，而群桩可简化为“等量桩” 考虑，再采用圆孔扩张理论对群桩施工引起的土体位移进行估算。根据无限长圆柱形小孔扩张的概念，估算方法将问题考虑为平面应变轴对称模型，在离小孔中心半径为R的边界面上将会产生Δ的位移，因为小孔扩张的面积F1等于F2，F1为桩的横截面积，如图7所示。

由几何关系可求得：

Δ=■-R（1）

公式（1）没有考虑土体的压缩性、打桩方式以及位移的分配等因素，故实际土体的水平位移ΔH的结果尚需进行修正：

ΔH=K1K2K3Δ（2）

其中K1为挤土系数，它与土的塑性指数、饱和度、沉桩速率以及土体的压缩性有关，软土底层K1取值在0.70～0.95之间；K2为挤土分配系数，它与桩的数量、密度以及打桩方向等因素有关，根据上海常规设计的经验，可取K2=0.50～0.80；K3为水平向位移分配系数，取值在3/5～2/3之间。为了使本计算的结果偏于安全，根据苏州土层性质及特点，在计算时K1、K2、K3的取值分别为0.90、0.8和0.67。

根据不同桩型加固范围设计，本工程中咽喉部位的三块区域（编号1#、2#、3#）PHC桩施工范围较大，且与另外两种桩型邻接距离最近，因此该三块区域PHC桩群桩施工对另外两种桩型施工区域的影响最大，如图8～9所示。选取该三块区域，运用前述公式进行计算。

针对1#区域，PHC桩加固区域长度约为335m，宽度为17m和12m，将其分为5个17m×17m和20个12m×12m的方形区域，如图10所示。

按照等面积原则将各个方形区域内所有的桩等效为一根位于群桩形心处大直径的“等量桩”。

R=r■（3）

其中，R为等量桩半径；r为PHC桩半径；n为区域内的桩数。

PHC桩间距为2.2m，因此17m×17m区域中有60根桩，其“等量桩”半径R为1.94m；12m×12m区域中有30根桩，其“等量桩”半径R为1.37m。邻近区域内的搅拌桩或CFG桩受到的挤土位移为各方形区域等量桩在该点产生挤土位移的矢量和，矢量叠加原则如图11所示。

邻接PHC桩加固区且处于PHC桩长条形加固区正中位置的搅拌桩所受的累积影响较大，如图10所示，选取该位置搅拌桩进行计算。计算结果表明，搅拌桩所在位置处土体的水平位移ΔH为23.05cm。

针对2#区域，PHC桩加固区域长度约为162m，宽度为15m，将其分为11个15m×15m的方形区域，如图12所示。

15m×15m区域中有46根桩，其“等量桩”半径R为1.7m。选取受影响较严重的搅拌桩进行研究，计算结果表明搅拌桩所在位置处土体的水平位移ΔH为12.2cm。

针对3#区域，PHC桩加固区域长度约为169m，宽度为16m和21m，将其分为2个21m×21m和8个16m×16m的方形区域，如图13所示。

21m×21m区域中有91根桩，其“等量桩”半径R为2.38m；16m×16m区域中有53根桩，其“等量桩”半径R为1.82m。选取受影响可能较严重的CFG桩进行研究，计算结果表明CFG桩所在位置处土体的水平位移ΔH为19.8cm。

小结：上述计算结果表明，PHC桩群桩的挤土效应对邻近搅拌桩或CFG桩有显著的影响，需要采取措施加以防治。其中，合理安排不同桩型之间的施工顺序是最经济、有效的措施。

3 不同桩型之间合理的施工顺序

沉桩施工顺序总体上应该遵循的原则：先施工PHC桩，后施工搅拌桩和CFG桩；PHC桩应该沿施工区域长边从中间往两边施工，尽量使挤土的累积方向不朝向搅拌桩和CFG桩加固区域。

PHC桩与搅拌桩紧邻施工时，沉桩施工顺序示意如图2.29所示，仅以1#区域举例说明。其中，编号①为先施工的区域，②为后施工的区域，施工流水走向为静压桩机的作业路线，也可根据现场实际情况采取跳打方式。

4 小结

采用理论分析和数值模拟为手段，对沪宁城际线中PHC桩的挤土效应进行了分析和研究，可以获得以下几点认识。

①通过对群桩挤土效应的计算分析可知，沪宁正线PHC桩整体施工完成后，水泥土搅拌桩处理咽喉区（1#区域）产生的最大水平位移ΔH为23.1cm，站场区水泥土搅拌桩处理区（2#区域）产生的最大水平位移ΔH为12.2cm，CFG桩处理的咽喉区（3#区域）产生的最大水平位移ΔH为19.8cm。

②上述计算结果表明，PHC桩施工对邻近区域的挤土位移影响很大，尤其是咽喉区的CFG桩和搅拌桩，在近20cm的挤土位移下，不仅桩位发生工程不允许的平面误差，而且如此位移条件下，搅拌桩和CFG桩（尤其是紧邻PHC桩部位）被挤断的概率较大。为此建议顺序安排方面，先施工PHC桩，再施工邻近区域的CFG桩和搅拌桩。

参考文献：

[1]实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的应用[M].西北工业大学出版社，1998.

[2]有限元分析及应用[M].清华大学出版社，2009.

[3]有限元分析基础[M].武汉大学出版社，2003.