PHC管桩桩土相互作用影响因素分析

区 桂 华

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津　300250)



·岩土工程·地基基础·

PHC管桩桩土相互作用影响因素分析

区 桂 华

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津300250)

以某火车站地下车库工程为例，通过FLAC3D三维有限差分软件，分析了PHC管桩与土之间的接触面参数对桩端承载力、桩侧摩阻力、桩顶沉降量和桩端承沉降量的影响，得出了一些有应用价值的结论。

PHC管桩，桩土接触面参数，单桩承载力，桩侧摩阻力

0　引言

随着城市建设和铁路运输的飞速发展，原有的PC混凝土管桩已经不能满足当下建筑需求，PC具有耐久性差、抗剪强度低，在实际工程中应用量也逐渐减少。从而替代传统PC的新型管桩成为现今使用量最广的管桩——PHC(预应力高强混凝土管桩)。PHC所采用的混凝土材料强度最低为C80，所采用的钢绞线屈服强度可达1 275 MPa，拉伸强度可达1 422 MPa，钢绞线与高强离心喷射混凝土具有高度的握裹力。PHC中的钢绞线采用的是低碳钢，其具有良好的点焊性。生产时可采用PC钢棒编笼，采用自动混焊工艺和生产设备自动生产管桩。PHC具有良好的镦锻性，施工时可在其端头进行镦头和滚丝，锚固极其方便。采用PC钢棒时，钢棒成品是呈卷起状态，而当松卷后则可自动伸直，无需再人工校直，因此钢棒成品是传统螺纹钢和其他建筑钢材的替代品。PHC管桩在正常受力时，主要承载的部位为桩端承载和摩擦承载，PHC的承载能力远高于人工挖孔桩和钻孔灌入桩等，其施工成本也仅为钢桩的1/3～2/3。

PHC在受力时，受外界荷载影响较大，如桩顶荷载、桩径、桩长和桩土的接触面参数等、管桩的弹性模量和所接触土的弹性模量等。本文对各种影响因素的相互作用进行研究，结合相关工程实例，并使用FLAC3D三维有限差分(并非有限元)计算软件对其影响因素进行模拟分析。

1　工程案例

某火车站地下公共车库，地下共1层，结构主体采用混凝土框架结构。所建工程的地质地貌属于黄土地区，并且所建工程的场地平坦。该建筑基础在设计时即采用PHC管桩，桩径和桩长为φ600 mm×10 m。进行模拟时为简化计算模型，根据相关地勘资料，将地基土体有效分为3层，土体分别为黄土层、古黄土层和粉质粘土层，土层及PHC管桩的具体参数如表1所示。

表1　各土层和PHC管桩的性能参数

为方便分析，在模拟时定义以下假定：1)PHC管桩模型采用弹性模型假定，土体模型采用摩尔库仑模型假定，桩—土界面采用无厚度接触面和库仑剪切本构模型；2)模拟加载时采用桩顶静载方式加载，初始荷载定位100 kN，加荷时每级荷载也为100 kN，加载至桩端产生刺入破坏，加载时考虑自重初始地应力场；3)模拟时假定桩端底部存在500 mm厚的封底混凝土层，避免发生土塞；4)为使模拟计算结果更接近实际情况，在模拟时根据圣维南原理径向土体的宽度大于15倍桩径，且径向土体的宽度超过桩长，土体深度方向自桩端底部向下超过10倍桩径的高度。模拟时为缩短软件计算时间，以位移变化超过桩轴线1/2位置作为失效进行计算。

2　模拟试验方案和计算结果分析

在对桩和土之间的相互影响模拟分析时，其接触面参数是影响其相互作用的主要因素，因此在建立模型时，桩尺寸设计值φ600 mm×10 m，接触面参数和摩擦角选取桩相邻土层的接触面参数和摩擦角的0.5倍，0.6倍，1倍和10倍，其他参数为默认数值，通过以上参数的变化对桩和土之间的相互作用进行分析。

2.1模拟计算结果

1)初始地应力场和桩土自重作用。图1为不同接触面参数下的Z方向的初始地应力云图和最大不平衡力收敛图。从应力云图中可知，初始地应力云图变化基本均衡，应力均呈层状有规律的逐渐增加，且在同一深度范围内应力基本相同；最大不平衡力收敛图走势也基本相同，从而可知，模型建立有效，可进行下一步模拟计算研究。

2)不同荷载作用下桩土沉降云图。接触面参数和施加荷载分别为(0.5C，0.5φ，600 kN)，(0.6C，0.6φ，700 kN)，(1C，1φ，1 100 kN)和(10C，10φ，2 800 kN)作用下的桩土沉降云图和桩身沉降位移如图2所示。从图2中可知，在竖向荷载作用下，桩基附近土体呈以桩体为中心的沉降盆，桩体附近土体沉降量最大，随着距离桩体越远，其土体沉降值也越来越小。产生这种现象的原因是由于当桩顶荷载足够大时，桩体附近土体与其他土体产生了剪切破坏，导致桩体和土体之间产生滑移；距离桩端越近的土体较距离较远的土体发生的剪切变形也逐渐增大，位于桩端处的土体剪切变形量也为最大，模拟所用网格线扭曲变形也最为严重，产生这种现象的原因是由于桩体与土相互作用时，其土体的沉降主要发生在桩端处，桩顶荷载由桩体通过侧向土体和桩端底部土体承担，从而间接证明PHC管桩是一种摩擦型端承桩。

3)计算结果。将不同接触面参数下施加各级荷载后，桩顶和桩端沉降量分别进行汇总，得到不同接触面参数与桩顶沉降量和桩端沉降量的关系，分别如图3和图4所示。

当桩顶荷载为500 kN时，为更清楚的得到接触面参数在500 kN荷载作用下与桩顶沉降量之间的关系，采用对数的方式进行拟合，得到S—lgC(φ)曲线关系图，如图5所示。桩身轴应力与桩体深度变化关系如图6所示，桩侧阻力与桩体深度变化关系如图7所示，桩顶荷载与桩端阻力变化关系如图8所示。

2.2计算结果分析

1)从图3中可知，接触面参数对桩顶沉降量影响较小。产生这种现象的原因是由于在不同荷载作用下，桩顶沉降量主要是由于桩体被压缩变形而产生，桩侧阻力对其桩顶沉降量影响较小。

2)从图4中可知，接触面参数对桩端沉降量有轻微影响。产生这种现象的原因是由于在不同荷载作用下，桩端沉降量主要是由于在荷载作用下，桩端刺入土体而产生土体压缩变形，接触面参数增大时其摩阻力也同时增大，从而可分担一部分桩端荷载，从而可减小桩端沉降量。

3)从图5中可得，其他条件不变下，随着桩土接触面参数的逐渐增加，桩顶位移逐渐减小，但接触面参数分别为10C，10φ和

0.5C和0.5φ时，其桩顶沉降量仅相差0.1 mm，因此直接证明桩土接触面参数对桩顶沉降量影响较小。

4)从图6中可得，当桩土接触面参数不同时对桩端和桩顶沉降量影响较小，产生这种现象是由于在管桩传递荷载时，主要是以桩端承载力为主，桩侧阻力对其位移变化影响较小。

5)从图7中可得，当桩土接触面参数不同时，均表现为在桩端和桩顶侧面阻力较大，其桩部中侧所承担摩阻力较小。但在桩中部范围内，桩土接触面参数不同时，侧向摩阻力呈反方向增加或减少，这说明在桩体埋深小于4 m时，桩侧阻力随着桩土接触面参数的增大而增大；当桩体埋深大于4 m时，桩侧阻力随着桩土接触面的增大而减小；而当桩体埋深为4 m时，桩土接触面参数的变化对桩侧阻力无影响。出现这种现象的原因是由于当桩土接触面参数较大时随着桩体埋深的增加，由于上部荷载的作用，上部桩体的压缩变形应力与桩侧土体的摩擦力相抵，而下部桩体所承担的竖向承载力则较小，因此4 m以下位置的桩侧摩阻力较小；当桩土接触面参数较小时随着桩体埋深的增加，由于上部荷载的作用，上部桩体的压缩变形应力大于桩土接触面参数时所产生的摩阻力，而桩体下部承担的竖向承载力较大，当桩体埋深大于4 m时，压缩应力才能与桩侧摩阻力相抵，从而导致桩体下部桩侧摩阻力较大。

6)从图8中可得，桩土接触面参数越大桩端阻力越小，这说明桩体在承受上部荷载时，随着桩土接触面参数的增大其侧向摩阻力也越大，可承担的竖向荷载也越大。因此在生产管桩时，可提高模具的粗糙度，从而提高管桩的侧向摩阻力，降低桩端阻力，从而可直接提高单桩承载力。

3　结语

从上文分析可得，桩土接触面参数越大时轻微降低桩顶沉降量，可提高桩体侧向摩阻力，减小桩端阻力。随着桩体埋深的增加，侧向摩阻力均随着桩土接触面参数的增加呈先增加后降低再增加的趋势。因此在制作管桩时，可增加模具的粗糙度从而可直接提高单桩承载力。

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Analysis of PHC pipe pile soil interaction influence factors

Ou Guihua

(China Railway Electrification Survey Design and Research Institute Co., Ltd, Tianjin 300250, China)

Taking the train station underground garage engineering as an example, through FLAC3D three-dimensional finite-difference analysis software, the thesis analyzes the impact of PHC pipe pile-soil interaction interface parameters upon pile end bearing capacity, lateral pile friction resistance, top pile subsidence volume and pile end cement settlement, and draws some valuable conclusions.

PHC pipe pile, pile-soil interface parameters, single pile bearing capacity, lateral pile friction resistance

1009-6825(2016)25-0060-03

2016-06-26

区桂华(1965- )，女，高级工程师

TU473.13

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