静压管桩对临近既有管桩影响的数值分析

陈超群，陈恒 （益阳市水利水电勘测设计研究院有限公司，湖南 益阳 413000）

0 前言

PHC 管桩起源于日本，1970 年研制成功并投入使用；1987 年中国引进了第一条PHC 管桩生产线，自此开始了自行研制生产的道路。PHC 管桩因其承载能力强、制作施工周期短以及能够标准化生产等诸多优点在国内得到迅猛发展。在我国珠三角、长三角等沿海发达地区率先使用，然后开始向内陆地区发展。沿海发达地区使用PHC 管桩较早，相关理论研究较为丰富，对管桩的应用起到了很好的指导作用。但沿海地区多为有深厚覆盖层的软土，与内陆地区土体性质存在很大差异。如果直接借鉴软土地区的理论基础以及施工经验来指导安徽中部和北部、河南中部及湖北中部和北部等老黏土地区的管桩基础设计、施工，必然会产生一系列工程问题。软土通常具有高压缩性，管桩在软土地区应用时挤土效应显著，挤土效应会将周围土体挤密，使得土体强度提高；而在老黏土地区，管桩的挤土效应往往会使得桩周土体挤压破坏，土体出现裂隙，造成地基隆起。因此，在不同的地质条件下使用PHC 管桩基础时也应考虑土体特性对现场施工的影响。

本文以安徽老黏土地区某实际工程PHC 管桩为研究对象，采用数值模拟的方法研究管桩静压过程中对临近既有桩的影响机理，并在此基础上提出防治措施，旨在为老黏土地区管桩设计施工提供理论依据和科学参考。

1 工程概况

安徽老黏土地区某项目基础采用PHC 管桩，设计桩长为26m，桩径为500mm，桩端持力层为③层中粗砂混卵砾石，桩身混凝土强度等级为C80，总桩数为397 根。场地内各层地基岩土性质较均一，但上部地层层位变化较大，属较不均匀地基，为一般可建设场地。拟建工程场地岩土层自上而下分别为：

①层杂填土(Qml)——层厚1.20～5.00m，层底标高9.17～10.88m，褐灰、褐黄色，湿，软塑～可塑（松散～稍密）状态，该层主要成分为粘性土及粉土、含植物根等，局部表层含碎砖、石等建筑垃圾及淤泥质土；

②层粘土（粉质粘土）(Q4al+pl)——层厚0.50 ～5.20m，层底标高2.89 ～9.76m，灰、灰黄、灰绿色，湿，软塑～可塑状态，含氧化铁、少量有机质，夹薄层粉土、粉细砂，该层土干强度中等，韧性较低，其静力触探比贯入阻力Ps 值一般为1.00～1.60MPa，平均为1.35MPa；

③层中粗砂混卵砾石（中粗砂）(Q4al+pl)——此层仅部分揭穿，层厚6.90～9.20m，层底标高- 25.08～- 23.04m，灰黄、黄灰、灰绿、灰褐色，饱和，中密～密实状态；

④层强风化泥质砂岩(K)——层厚0.80 ～3.10m，层底标高为- 25.08 ～- 23.04m，棕红色、灰白色，坚硬（密实）状态，原岩风化呈砂土状，偶见碎岩屑，含多量长石；

2 数值模拟计算分析

针对管桩静压过程的数值模拟采用FLAC 数值分析方法进行分析计算。

2.1 三维数值计算模型的建立

开展的模拟计算过程如下：2# 管桩已经施工完毕完全打入土体中，模拟1#管桩静压过程对1# 管桩竖向位移、水平位移的影响，1# 管桩和2# 管桩的桩间距根据设计图纸设置为2m，桩长均设置为26m，桩径均为500mm（图1）。根据桩的几何尺寸，该项目的数值计算模型范围大小为长×宽×高=30m×30m×90m。区间模型采用的是八节点的六面体单元和四节点的四面体单元进行划分。该区间数值网格模型共划分了73650 个单元，389303 个节点，数值模拟网格模型具体见图2。

图1 1#管桩和2#管桩位置图

图2 模型尺寸

图3 模型上表面管桩位置

图4 模型边界条件

土层参数 表1

桩身参数 表2

接触面参数 表3

2.2 边界条件的确定

根据管桩静压过程的受力特征数值网格模型上表面为自由边界，而数值网格模型的4 个侧面和底面约束为法向约束。管桩静压过程中的计算模型边界条件如图4 所示。图5 中边界AB、BC 和CD 施加法向约束。其中，AB 边界：=0，即水平方向位移为零；CD 边界：=0，即水平方向位移为零；BC 边界：=0，即垂直方向位移为零。

2.3 计算参数的选取

根据地勘报告确定计算区域各土层土体物理力学参数（表1）、桩身参数（表2）以及接触面参数（表3）。

2.4 计算结果分析

本次模拟旨在分析管桩静压过程对临近既有桩的影响，模拟分析1# 管桩在静压过程中对临近既有2#管桩的影响。

2.4.1 竖向位移

由竖向位移云图（图5、图6）可以看出，在1# 管桩静压过程中，2# 管桩整体上浮，最大值为2.72cm，位于桩顶；最小值为0.81cm，位于桩的中下部。由此可以看出桩顶与桩端竖向最大相对位移达到1.91cm。因此，在管桩静压过程中，临近既有桩受此影响，将承受一定的拉应力。

2.4.2 水平位移

图5 中心截面竖向位移云图

图6 管桩2 竖向位移云图

通过管桩的水平位移云图可以看出，在管桩静压过程中，临近既有桩水平方向位移较小，最大值仅为0.39mm；因此可以得出，管桩静压过程对临近桩水平方向位移影响较小，其剪应力的影响也较小。

2.4.3 临近桩桩身应力云图

通过桩的拉应力云图可以看出，临近桩的拉应力最大值为3.57MPa，且桩的两端承受压应力，中间部位承受拉应力。结合位移云图不难得出主要受竖向位移影响，桩顶竖向位移大于桩端竖向位移，因此在桩的中下部位承受一定的拉应力。对于临近桩的剪应力而言，最大剪应力为1.99MPa。综上，管桩静压施工对临近桩水平方向位移影响较小，剪应力较低。

图7 中心截面水平位移云图

图8 2#管桩水平位移云图

3 结论

本文以安徽老黏土地区某实际工程PHC 管桩为研究对象，采用数值模拟的方法研究管桩静压过程中对临近既有桩的影响机理，并在此基础上提出防治措施，得到的结论如下：

图9 2#管桩拉应力云图

①在相邻管桩下沉存在时间差的情况下，邻桩之间存在不同的拉应力，会对已经沉入土体的管桩产生挤压造成一定程度的影响；

图10 2#管桩剪应力云图

②管桩静压过程中对临近桩竖向位移的影响要大于水平位移，且桩顶与桩端的相对位移较大，水平位移整体较小；

③管桩静压过程中临近桩受到的拉应力要大于剪应力，且应力主要集中在桩中下部位，因此焊接桩应保证焊接部位能够承受相应的拉应力和剪应力；

④当桩位过于密集时，压桩过程中会造成群桩上浮，在设计及施工过程中应严格控制桩间距。