靜壓管樁對臨近既有管樁影響的數(shù)值分析

陳超群，陳恒 （益陽市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 益陽 413000）

0 前言

PHC 管樁起源于日本，1970 年研制成功并投入使用；1987 年中國引進(jìn)了第一條PHC 管樁生產(chǎn)線，自此開始了自行研制生產(chǎn)的道路。PHC 管樁因其承載能力強(qiáng)、制作施工周期短以及能夠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)得到迅猛發(fā)展。在我國珠三角、長三角等沿海發(fā)達(dá)地區(qū)率先使用，然后開始向內(nèi)陸地區(qū)發(fā)展。沿海發(fā)達(dá)地區(qū)使用PHC 管樁較早，相關(guān)理論研究較為豐富，對管樁的應(yīng)用起到了很好的指導(dǎo)作用。但沿海地區(qū)多為有深厚覆蓋層的軟土，與內(nèi)陸地區(qū)土體性質(zhì)存在很大差異。如果直接借鑒軟土地區(qū)的理論基礎(chǔ)以及施工經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)安徽中部和北部、河南中部及湖北中部和北部等老黏土地區(qū)的管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工，必然會產(chǎn)生一系列工程問題。軟土通常具有高壓縮性，管樁在軟土地區(qū)應(yīng)用時(shí)擠土效應(yīng)顯著，擠土效應(yīng)會將周圍土體擠密，使得土體強(qiáng)度提高；而在老黏土地區(qū)，管樁的擠土效應(yīng)往往會使得樁周土體擠壓破壞，土體出現(xiàn)裂隙，造成地基隆起。因此，在不同的地質(zhì)條件下使用PHC 管樁基礎(chǔ)時(shí)也應(yīng)考慮土體特性對現(xiàn)場施工的影響。

本文以安徽老黏土地區(qū)某實(shí)際工程PHC 管樁為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法研究管樁靜壓過程中對臨近既有樁的影響機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出防治措施，旨在為老黏土地區(qū)管樁設(shè)計(jì)施工提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 工程概況

安徽老黏土地區(qū)某項(xiàng)目基礎(chǔ)采用PHC 管樁，設(shè)計(jì)樁長為26m，樁徑為500mm，樁端持力層為③層中粗砂混卵礫石，樁身混凝土強(qiáng)度等級為C80，總樁數(shù)為397 根。場地內(nèi)各層地基巖土性質(zhì)較均一，但上部地層層位變化較大，屬較不均勻地基，為一般可建設(shè)場地。擬建工程場地巖土層自上而下分別為：

①層雜填土(Qml)——層厚1.20～5.00m，層底標(biāo)高9.17～10.88m，褐灰、褐黃色，濕，軟塑～可塑（松散～稍密）狀態(tài)，該層主要成分為粘性土及粉土、含植物根等，局部表層含碎磚、石等建筑垃圾及淤泥質(zhì)土；

②層粘土（粉質(zhì)粘土）(Q4al+pl)——層厚0.50 ～5.20m，層底標(biāo)高2.89 ～9.76m，灰、灰黃、灰綠色，濕，軟塑～可塑狀態(tài)，含氧化鐵、少量有機(jī)質(zhì)，夾薄層粉土、粉細(xì)砂，該層土干強(qiáng)度中等，韌性較低，其靜力觸探比貫入阻力Ps 值一般為1.00～1.60MPa，平均為1.35MPa；

③層中粗砂混卵礫石（中粗砂）(Q4al+pl)——此層僅部分揭穿，層厚6.90～9.20m，層底標(biāo)高- 25.08～- 23.04m，灰黃、黃灰、灰綠、灰褐色，飽和，中密～密實(shí)狀態(tài)；

④層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(K)——層厚0.80 ～3.10m，層底標(biāo)高為- 25.08 ～- 23.04m，棕紅色、灰白色，堅(jiān)硬（密實(shí)）狀態(tài)，原巖風(fēng)化呈砂土狀，偶見碎巖屑，含多量長石；

2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

針對管樁靜壓過程的數(shù)值模擬采用FLAC 數(shù)值分析方法進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 三維數(shù)值計(jì)算模型的建立

開展的模擬計(jì)算過程如下：2# 管樁已經(jīng)施工完畢完全打入土體中，模擬1#管樁靜壓過程對1# 管樁豎向位移、水平位移的影響，1# 管樁和2# 管樁的樁間距根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置為2m，樁長均設(shè)置為26m，樁徑均為500mm（圖1）。根據(jù)樁的幾何尺寸，該項(xiàng)目的數(shù)值計(jì)算模型范圍大小為長×寬×高=30m×30m×90m。區(qū)間模型采用的是八節(jié)點(diǎn)的六面體單元和四節(jié)點(diǎn)的四面體單元進(jìn)行劃分。該區(qū)間數(shù)值網(wǎng)格模型共劃分了73650 個單元，389303 個節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模擬網(wǎng)格模型具體見圖2。

圖1 1#管樁和2#管樁位置圖

圖2 模型尺寸

圖3 模型上表面管樁位置

圖4 模型邊界條件

土層參數(shù) 表1

樁身參數(shù) 表2

接觸面參數(shù) 表3

2.2 邊界條件的確定

根據(jù)管樁靜壓過程的受力特征數(shù)值網(wǎng)格模型上表面為自由邊界，而數(shù)值網(wǎng)格模型的4 個側(cè)面和底面約束為法向約束。管樁靜壓過程中的計(jì)算模型邊界條件如圖4 所示。圖5 中邊界AB、BC 和CD 施加法向約束。其中，AB 邊界：=0，即水平方向位移為零；CD 邊界：=0，即水平方向位移為零；BC 邊界：=0，即垂直方向位移為零。

2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)地勘報(bào)告確定計(jì)算區(qū)域各土層土體物理力學(xué)參數(shù)（表1）、樁身參數(shù)（表2）以及接觸面參數(shù)（表3）。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

本次模擬旨在分析管樁靜壓過程對臨近既有樁的影響，模擬分析1# 管樁在靜壓過程中對臨近既有2#管樁的影響。

2.4.1 豎向位移

由豎向位移云圖（圖5、圖6）可以看出，在1# 管樁靜壓過程中，2# 管樁整體上浮，最大值為2.72cm，位于樁頂；最小值為0.81cm，位于樁的中下部。由此可以看出樁頂與樁端豎向最大相對位移達(dá)到1.91cm。因此，在管樁靜壓過程中，臨近既有樁受此影響，將承受一定的拉應(yīng)力。

2.4.2 水平位移

圖5 中心截面豎向位移云圖

圖6 管樁2 豎向位移云圖

通過管樁的水平位移云圖可以看出，在管樁靜壓過程中，臨近既有樁水平方向位移較小，最大值僅為0.39mm；因此可以得出，管樁靜壓過程對臨近樁水平方向位移影響較小，其剪應(yīng)力的影響也較小。

2.4.3 臨近樁樁身應(yīng)力云圖

通過樁的拉應(yīng)力云圖可以看出，臨近樁的拉應(yīng)力最大值為3.57MPa，且樁的兩端承受壓應(yīng)力，中間部位承受拉應(yīng)力。結(jié)合位移云圖不難得出主要受豎向位移影響，樁頂豎向位移大于樁端豎向位移，因此在樁的中下部位承受一定的拉應(yīng)力。對于臨近樁的剪應(yīng)力而言，最大剪應(yīng)力為1.99MPa。綜上，管樁靜壓施工對臨近樁水平方向位移影響較小，剪應(yīng)力較低。

圖7 中心截面水平位移云圖

圖8 2#管樁水平位移云圖

3 結(jié)論

本文以安徽老黏土地區(qū)某實(shí)際工程PHC 管樁為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法研究管樁靜壓過程中對臨近既有樁的影響機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出防治措施，得到的結(jié)論如下：

圖9 2#管樁拉應(yīng)力云圖

①在相鄰管樁下沉存在時(shí)間差的情況下，鄰樁之間存在不同的拉應(yīng)力，會對已經(jīng)沉入土體的管樁產(chǎn)生擠壓造成一定程度的影響；

圖10 2#管樁剪應(yīng)力云圖

②管樁靜壓過程中對臨近樁豎向位移的影響要大于水平位移，且樁頂與樁端的相對位移較大，水平位移整體較?。?/p>

③管樁靜壓過程中臨近樁受到的拉應(yīng)力要大于剪應(yīng)力，且應(yīng)力主要集中在樁中下部位，因此焊接樁應(yīng)保證焊接部位能夠承受相應(yīng)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力；

④當(dāng)樁位過于密集時(shí)，壓樁過程中會造成群樁上浮，在設(shè)計(jì)及施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制樁間距。