水工結(jié)構(gòu)PHC管樁水平承載性能分析

廖振華

【摘要】在港口工程當(dāng)中，PHC管樁具有多樣形式，并且施工技術(shù)以及設(shè)計(jì)方案都存在較高的難度，在整個(gè)工程建設(shè)當(dāng)中占據(jù)較大的工程總價(jià)比例。在建立群樁模型主要是利用有限元軟件實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)群樁效應(yīng)以及樁頂位移情況進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)比分析公式計(jì)算結(jié)果與兩者計(jì)算結(jié)果之間差異性，以此來(lái)提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。探討分析PHC管樁水平承載性狀性能以及樁土之間的作用原理，基于此分析結(jié)果對(duì)樁基的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，從根本上降低施工建設(shè)成本。

【關(guān)鍵詞】港口工程；PHC管樁；水平承載；性狀性能

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)上升式發(fā)展態(tài)勢(shì)，不斷出現(xiàn)大型建筑物，例如港口工程，跨江大橋等，以上建筑工程都廣泛應(yīng)用樁基結(jié)構(gòu)。此外，由于現(xiàn)階段出現(xiàn)多樣化的工程建設(shè)，這在一定程度上也使得樁基的受力情況出現(xiàn)多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，也涌現(xiàn)了較多針對(duì)樁基水平承載性狀性能的相關(guān)研究。在實(shí)際的港口工程也出現(xiàn)了多樣化的樁基受力情況，其主要包括車(chē)輛運(yùn)行重量，設(shè)備機(jī)械的重量，上部承載結(jié)構(gòu)的重量等各個(gè)方面。相比于傳統(tǒng)的混凝土樁，PHC管樁的優(yōu)勢(shì)在于具有較強(qiáng)的樁側(cè)摩擦力，擠土施工工藝以及強(qiáng)度等，基于以上優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，PHC管樁被廣泛應(yīng)用于港口工程。

1、建立模型

1.1提出假設(shè)

（1）PCH管樁的建設(shè)材料主要是鋼筋混凝土，由于鋼筋與混凝土之間存在較大的差異性，并且具有不同的力學(xué)參數(shù)，因此在進(jìn)行實(shí)際建模時(shí)需要將接觸單元設(shè)置在兩者之間，這樣可以確保混凝土與鋼筋之間的應(yīng)力能夠連續(xù)傳遞，然而由于兩者之間在工作量上接觸較大的范圍，此次研究主要是探討分析樁土關(guān)系，因此忽略?xún)烧咧g的接觸關(guān)系。

（2）在工程建設(shè)期間，樁頂?shù)纳喜慷即嬖诔信_(tái)結(jié)構(gòu)，這樣可以給予樁頂剛性約束，在較大程度上提高樁身的抗彎剛度。此次研究在判斷樁基力學(xué)性能方面主要是按照樁頂水平位移程度實(shí)現(xiàn)，因此就不設(shè)置承臺(tái)約束。

（3）由于港口工程接近于水源，因此其樁基受力比較復(fù)雜，群樁水平承載性狀性能會(huì)受到地應(yīng)力以及水應(yīng)力的影響，由于以上影響因素提升了樁基作用關(guān)系的復(fù)雜程度，這樣就無(wú)法測(cè)定水應(yīng)力和地應(yīng)力對(duì)其的影響程度，因此此次研究不考慮其對(duì)樁基作用。

1.2建立模型

（1）在建立期間需要根據(jù)具體情況建立土體部分，并且根據(jù)土體力學(xué)性質(zhì)對(duì)每一層土體模型設(shè)置參數(shù)，此次研究主要是選擇3×3樁型。

（2）需要在土體與樁身之間建立接觸單元，這樣可以確保樁體與土體之間相互聯(lián)合，確保應(yīng)變以及應(yīng)力之間進(jìn)行相互傳遞。

（3）在完成樁土模型建立之后，需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在土體的底部設(shè)置固定約束力，在加載計(jì)算時(shí)需要根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行。在完成計(jì)算之后需要在專(zhuān)業(yè)分析軟件當(dāng)中對(duì)樁身以及土體應(yīng)力云圖進(jìn)行提取。

（4）在建立樁身時(shí)需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，主要是根據(jù)鋼筋混凝土的等級(jí)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際建立樁身模型時(shí)需要?jiǎng)澐謽渡砭W(wǎng)格，可以根據(jù)土體網(wǎng)格寬度進(jìn)行劃分，這樣可以確保土體與樁身的網(wǎng)格寬度相同，提升計(jì)算準(zhǔn)確性。

2、計(jì)算樁基水平承載力

在進(jìn)行港口工程時(shí)，由于臨近水源巖石頂以及淤泥深度不同，這樣就會(huì)造成樁入土的深度具有較大差別。隨著樁身入土深度的不斷提升，就會(huì)相應(yīng)加大樁身與土之間的接觸面積，進(jìn)一步提升樁基水平承載力，這樣就會(huì)增加樁土之間的相互作用，加大土體對(duì)樁身的橫向約束力，群樁基礎(chǔ)的水平承載性能主要是受到樁身不同入土深度等作用。此次研究的基本變量為樁身入土深度，分析群樁效應(yīng)與群樁基礎(chǔ)水平承載性能遭受不同入土深度的影響，圖1-2為無(wú)承臺(tái)群樁彎矩圖。下面兩個(gè)表格為樁身入土深度的基本變量，建立群樁基礎(chǔ)模型，并計(jì)算相應(yīng)的數(shù)據(jù)。此次研究的PHC管樁的外徑長(zhǎng)度為100厘米，樁身壁厚13厘米，該樁身受到的受彎承載力的設(shè)計(jì)值為841kN·m。按照計(jì)算結(jié)果分析，提取和整理數(shù)據(jù)，這樣就可以得到群樁效應(yīng)與群樁基礎(chǔ)水平承載性能遭受不同入土深度的影響。詳情見(jiàn)圖3-4.

圖3所示，隨著不斷加大的樁身入土深度，就會(huì)相應(yīng)提升樁周土體對(duì)樁身的約束力，這樣就會(huì)在較大程度上減小群樁基礎(chǔ)水平位移程度。然而樁頂位移以及樁身入土深度之間的相互約束關(guān)系控制在限定范圍之內(nèi)，在此范圍之內(nèi)不斷加大樁身入土深度，將不會(huì)減小樁頂水平位移程度。在這種情況下，樁身入土深度與樁頂水平位移之間的影響作用已經(jīng)無(wú)限接近于極限值，所以可以將此數(shù)據(jù)作為樁身入土深度的最大限度值，這樣就可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)樁身結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行樁基入土施工建設(shè)時(shí)，由于其具有較大的技術(shù)難度，優(yōu)化設(shè)計(jì)樁身結(jié)構(gòu)可以在較大程度上減少施工工期，使生產(chǎn)成本降到最低。

根據(jù)圖4顯示的曲線圖可以看出，群樁效應(yīng)與群樁水平位移所受到樁身入土深度的影響具有較高的相似度，隨著不斷加大的樁身入土深度，就會(huì)相應(yīng)減少群樁效應(yīng)，造成該種情況的原因主要是樁周土體之間的擠壓作用不斷提升，進(jìn)一步加強(qiáng)了樁周土體對(duì)樁身的約束力。當(dāng)長(zhǎng)徑比系小于15時(shí)，隨著樁身入土深度的加大沒(méi)有影響到群樁效應(yīng)，由以上分析可以看出，樁身入土深度對(duì)群樁效應(yīng)的影響具有限定值。如果樁位相同，可以將樁身入土深度進(jìn)行改變，這樣可以相應(yīng)改變?nèi)簶缎?yīng)對(duì)群樁基礎(chǔ)水平承載力性能的影響程度。

3、對(duì)比計(jì)算

根據(jù)有關(guān)研究學(xué)者的文獻(xiàn)研究結(jié)果的相關(guān)理論知識(shí)可以看出水平承載樁樁頂水平位移的計(jì)算公式，在推導(dǎo)公式過(guò)程中主要是使用工程建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求以及長(zhǎng)期的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的，但是以上推導(dǎo)的計(jì)算公式只能應(yīng)用在土體均質(zhì)的情況下，如果在實(shí)際工程建設(shè)期間使用以上計(jì)算公式，將會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性?；谝陨侠碚?，在計(jì)算水平承載樁樁頂水平位移時(shí)需要有效聯(lián)合非線性理論知識(shí)，土力學(xué)等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，并且在此基礎(chǔ)上修正原計(jì)算公式，這樣就可以在土體復(fù)雜狀態(tài)下應(yīng)用此計(jì)算公式，這樣可以在較大程度上滿(mǎn)足施工建設(shè)的實(shí)際要求，加強(qiáng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體的計(jì)算公式如下所示：

以上計(jì)算式中：表示的是土體內(nèi)摩擦角 ；c表示的是土體粘聚力；ES表示的是樁身彈性裝置；A表示的是樁身截面積。

為了檢驗(yàn)以上公式的準(zhǔn)確性，需要按照表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算檢驗(yàn)，并且對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果與專(zhuān)業(yè)分析軟件的計(jì)算結(jié)果，此次研究做了較多假設(shè)，沒(méi)有注重群樁效應(yīng)對(duì)于樁頂水平位移的影響程度，所以實(shí)際的計(jì)算結(jié)果存在誤差性。詳情見(jiàn)表2：

4、群樁基礎(chǔ)的工作特性

在群樁基礎(chǔ)之上，群樁效應(yīng)主要反應(yīng)基礎(chǔ)水平承載性能參數(shù)，因此需要在不同參數(shù)之下計(jì)算群樁效應(yīng)以及樁頂水平位移，這樣有利于探討研究不同參數(shù)影響群樁基礎(chǔ)水平承載性能的各項(xiàng)因素，因此計(jì)算結(jié)果可以分析樁基設(shè)計(jì)科學(xué)理性，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)樁基結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以提升樁基的承載能力，還可以在一定程度上使生產(chǎn)成本降到最低。

可以使用專(zhuān)業(yè)的分析計(jì)算軟件來(lái)對(duì)群樁基礎(chǔ)水平位移程度進(jìn)行計(jì)算分析，群樁效應(yīng)的主要表達(dá)方式在于通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的，在計(jì)算群樁效應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)，在獲取數(shù)據(jù)方面主要是利用群樁效應(yīng)在獨(dú)立樁體的計(jì)算前提進(jìn)行實(shí)際定義，因此在對(duì)群樁效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，需要與單樁的計(jì)算條件相符合。在同樣的工作條件以及荷載程度的群樁和單樁，其群樁效應(yīng)的計(jì)算式可以按照K=ms/mG。在以上計(jì)算式當(dāng)中，ms表示的是單樁基礎(chǔ)樁頂水平位移，mG表示的是群樁基礎(chǔ)樁頂水平位移。

5、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在分析港口工程PHC管樁水平承載性狀性能時(shí)需要按照以下兩個(gè)方面進(jìn)行：（1）在工況相同條件下，有限元計(jì)算結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果之間具有較大的接近性，這樣就說(shuō)明有限元計(jì)算PHC管樁水平承載性狀性能結(jié)果具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。并且，如果是針對(duì)工況較為復(fù)雜多變的情況下，有限元計(jì)算可以通過(guò)建立模型，這樣在一定程度上彌補(bǔ)公式計(jì)算結(jié)果的限制條件。（2）計(jì)算分析不同樁身入土深度，得出了樁基承載性能會(huì)受到不同樁身入土深度的影響，以上研究結(jié)論可以為今后的樁基設(shè)計(jì)提供參考性?xún)r(jià)值。

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