PHC管桩在老黏土地区的水平向承载力性状的数值分析

席培胜， 孙晓凯， 张小涛， 刘 波

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

预应力高强混凝土管桩（简称PHC桩）是一种重要的新型桩基础［1］，采用先张法预应力工艺和混凝土离心法制成的一种细长圆管形钢筋混凝土预制构件。此种类型的桩具有工业规模化生产、质量有保证、工程造价低等优点［2］，目前作为竖向承载桩广泛应用于各项建设工程，在沿海软土地区应用与发展较为成熟。但在我国中部与西南地区广泛分布的第四纪晚更新世及其以前沉积的黏性土（俗称老黏土）地区［3］，地质条件的差异以及预应力高强混凝土管桩的施工特点，管桩作为支护桩在老黏土地区应用的理论研究和工程实践较少，尤其是对PHC管桩在水平荷载作用下的工作性状研究更少，从而限制了PHC管桩作为支护桩在工程建设中的大规模应用。本文采用FLAC3D有限差分软件［4］，建立了PHC管桩与土体相互互作用的模型，计算了管桩在水平荷载作用下的受力性状，得到了桩土相互作用的相关规律。

1 工程地质条件

结合安徽省合肥市滨湖新区某PHC管桩工程地质勘察报告［5］，整理得到老黏土地区各土层的物理力学性质，见表1:

表1 各土层物理力学性质指标

2 桩土数值模型的建立

根据单桩与土相互作用的力学分析研究，桩体采用线弹性材料，即弹性模型；土体采用Mohr－Coulomb模型［6］，桩土接触面采用库伦剪切模型。结合老黏土地区工程地质情况，为简便建模分析，现简化各土层的物理力学性质见下表2。管桩型号为:PHC－AB600－130，桩长10m，桩身C80混凝土弹性模量取5．0×104MPa，密度取2500kg／m3。

土体深度设为2倍桩长，即20m。宽度为50倍桩的直径，即30m。为了减少计算时间，利用对称性原理，桩土体均取1／2模型进行计算，在对称面上设立正对称的边界条件，桩土计算模型单元划分如图1、图2、图3所示，桩体划分358个单元，土体划分6192个单元。接触面单元如图4所示。

表2 简化后的各土层物理力学性质指标

图1 桩土体整体模型

图2 局部放大模型

图3 桩土相互作用模型

图4 桩土接触面模型

3 数值模拟过程

在桩顶一节点施加与x方向相反的水平作用力，指向桩顶截面圆环形形心。模拟水平静载荷试验，采用分级加载方式加载，初级荷载30kN，分级荷载为30kN，持续加载，加载至土体挤压破坏，停止加载。

4 计算结果与分析

4．1 水平荷载对桩顶水平位移的影响

通过对桩体在各级荷载作用下的数值计算，得到桩顶水平位移随水平荷载变化曲线如图5:

图5 水平荷载－水平位移

荷载－位移曲线的线型是桩身材料或桩周土破坏机理和破坏模式的宏观反映。由图5中可以看出，曲线为缓变型，加载初期，荷载较小，桩顶水平位移随荷载变化不显著，可以说明是由于桩周老黏土产生相应的变形对桩形成一种抵抗作用，使得桩顶产生微小位移，随着加载荷载不断增大，加载至480kN以后，桩顶位移增大，达到51．33mm，曲线呈陡升状态，说明本级荷载作用下，桩周土体已经丧失稳定，不能再为桩体提供相应的抵抗力，已达到极限状态，不能再继续承载。由上述分析可知，高强预应力混凝土管桩在老黏土地区水平承载力性状基本符合一般桩土相互作用的机理；但是由数值计算结果分析，PHC管桩在老黏土地区与土的相互作用可得，当水平荷载达到一定数值时，桩顶才会有明显水平位移，桩周土体才有较明显的变形，这个荷载值比普通桩的150kN～350kN要大很多，这是PHC管桩在老黏土地区水平承载能力的一个突出特点。通过图6可以更明显的反映这一特点:

图6 水平荷载－位移梯度曲线

由图6水平荷载－位移梯度曲线可知，在水平荷载达到480kN时，位移梯度有明显凸起，说明桩周土达到极限承载能力，根据单桩水平临界荷载Hcr和单桩水平极限荷载Hu判定标准，即可认为此时荷载是单桩水平临界荷载Hcr，当加载至720kN时，曲线出置影响，桩顶水平应力最大，随桩深度曲折现第二拐点，此时荷载为水平极限荷载Hu。

由此说明，PHC管桩在老黏土地区水平承载力性状符合普通桩一般规律，但承载水平有所提高。

变化。在桩土水平接触面，桩身水平应力达到最大值，在480kN荷载作用下，水平应力为2．68MPa。

4．2 水平荷载对桩身水平位移的影响

通过对桩体在各级荷载作用下的数值计算，得到桩身水平位移随水平荷载变化曲线如图7:

图7 各级荷载作用下桩身水平位移

由图7分析可知，在30kN荷载作用下，整个桩身在桩周土约束力作用下，桩顶水平位移为0．119mm，桩身没有显著水平位移；当荷载逐级增大时，桩身有明显位移。当荷载加至480kN时，桩顶位移达到51．33mm，并且桩身位移随着桩入土深度的增加不断减小 ，达到一定深度水平位移为0，本次模拟的“零”点位于入土深度6m左右，往后随深度增大，桩身水平位移也呈非线性增大，但是方向与加载方向相反。在480kN荷载作用下，桩底水平位移为3．61mm。由此可知，水平荷载作用下管桩桩身变形主要主要在装顶段7m范围内，桩顶段3m范围内桩身水平位移较大，水平荷载对桩身下段的水平位移影响甚微。

4．3 水平荷载对桩身水平应力的影响

通过对桩顶施加水平荷载，由数值计算结果得桩身水平应力在各级荷载作用下的分布，如图8。由图8分析可知，桩身水平应力具有明显的非线性特征，由于荷载作用位在入土深度1m处，由于桩土之间的相互作用，桩身水平应力减小至最小，本级荷载作用下为0．623MPa。随着深度增加，桩身水平应力先增大后减小，在桩身入土深度2m处达到极值，随后逐渐减小，在入土深度6m处减小为零，随后水平应力反向，在桩底达到反向最大值，但数值较小，在480kN荷载作用下，桩底水平应力为0．118MPa。

4．4 水平荷载对桩身弯矩的影响

桩身最大弯矩是描述桩基受力变形的一个重要特性，为研究PHC管桩在老黏土地区的水平承载力，必须对其桩身弯矩进行分析研究。考虑水平荷载对桩身弯矩的影响，由数值模拟分析结果得如下曲线图9。

图9 各级荷载作用下桩身弯矩分布

由曲线分析可知，桩身弯矩随水平荷载的变化呈明显的非线性特征，水平荷载较小时，桩身弯矩很小，对桩身承载力几乎没有影响。当荷载逐级加大，桩身弯矩明显增大。桩身最大弯矩发生在入土深度1．5m左右和桩底部分，并且桩底弯矩和桩身弯矩放向相反，6m附近是中性点位置，反映出高强预应力混凝土管桩的刚性桩的性质。在480kN荷载作用下，弯矩极值分别为－375．45kN·m和398．48kN·m。在极限荷载720kN作用下，桩身最大弯矩有稍微下移的趋势，在0．5m～2．5m范围内，桩身弯矩相差不大。

4．5 水平荷载对桩土相互作用的影响分析

桩体水平承载力最后是由桩土相互作用确定的，在桩体达到承载极限的时候，土体发生塑性变形，产生塑性区；塑性区分布及位移矢量如图10、11所示:

图10 桩侧土体塑性区分布

图11 桩侧土位移矢量

由图10、11分析可知，顶部桩周土体受压产生塑性变形，延伸到外侧土体一定距离；桩顶水平位移最大，然后随桩身往下逐渐递减，在一定深度水平位移为0，然后再往下水平位移方向相反，大小也随深度增加，在桩底处有一定的水平位移。

5 结 论

本文采用弹塑性有限差分法，分析了PHC管桩在老黏土地区的水平向承载力性状，得到了以下一些结论:

（1）通过数值模拟计算分析，PHC管桩在老黏土地区的水平承载力性状符合一般桩土相互作用规律，呈现明显的非线性特征。

（2）由于老黏土地区的特殊土质情况，尤其是其较高的黏聚力值，通过计算得到PHC管桩的水平承载能力较普通土质地区有所提高。

（3）通过模拟计算分析，准确反映了水平荷载对桩土体的作用力，桩身变形和应力主要分布在桩身中上部和桩底位置，在桩身下部区段内，桩身变形及应力很小。

1 GB13467－2009，先张法预应力混凝土管桩［S］．北京:中国标准出版社，2009．

2 王成，邓安福．水平荷载桩桩土共同作用全过程分析［J］．岩土工程学报，2001，23（4）:476～480．

3 郭扬，崔伟．PHC管桩在老黏土地区应用的试验研究［J］．岩土工程学报，2011，33（2）:108～115．

4 孙书伟，林杭，任连伟．FLAC3D在岩土工程中的应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2011．

5 郭扬，崔伟．应用圆柱孔扩张理论对PHC管桩承载特性的研究［J］．合肥工业大学学报，2010，33（2）:269～273．

6 Poulos H G，Davis E H．Pile foundation analysis and design［M］．New York:John Wiley and sons，1980．