PHC管桩桩土相互作用承载特性模拟分析

安定宇

(山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012)

0 前 言

PHC管桩具有强度高、施工机械化、地基承载力提升效果好等特点，在国内大型工程中较为常用[1]。但是PHC管桩桩土间的作用情况较为复杂，需要结合具体工程进行分析。桩土相互作用会对桥梁结构内力产生较大影响，进而影响桥梁的动力特性。因此，如果在桥梁结构建模分析时忽略桩土相互作用，将导致模型与工程实际差异巨大，模型分析结果对工程的指导意义下降。本文基于某桥梁基础PHC管桩工程，采用FLAC3D软件建立桩土模型，分析桩土在顶部荷载下的作用情况，并将实测结果与模拟计算结果进行对比，评价模型的有效性。

1 工程实例

本次工程依托某连续刚构桥梁工程，桥跨径组合为110 m+235 m+110 m。采用PHC管桩桩基础，工程地层分布特征及土层参数如表1所示。现场试验采用4根500 mm×10 m的试桩，采用七级加载的慢速维持荷载法，初始荷载200 kN，每一级递增荷载为100 kN，直至加载800 kN止。表2所示为桩身的物理参数。

表1 地层分布情况

表2 单桩物理参数

根据表1～2的数据，通过FLAC3D软件建立接触单元、桩身弹性模型，模拟分析PHC管桩桩土间的作用情况。

2 PHC管桩数值模型的建立

2.1 土层建模

为了有效反映桩端以下土体受力情况，提高模拟的准确性和精度，根据圣维南原理，在进行土层建模划分土体网格时，至少应包含端桩外20倍管桩外半径的距离范围，桩侧土体的径向延伸应超过桩身长度，且应超过20～30倍管桩外半径。对于桩土接触面，应包含桩侧-土层接触面、桩端-土体接触面，尽可能完整地反映桩土受力情况[2]。

2.2 管桩建模

本次试验桩的外桩径为500 mm,建模时管桩壁厚取100 mm,封底厚度取500 mm。通过混凝土封底避免端桩土塞效应。

2.3 整体建模

由于桩和土的材料性质不同，在FLAC3D建模时需要采用不同单元，桩土间作用可以通过接触单元来进行模拟[3]。本次模拟采用“移来移去”的接触面建模方法，向土体模型中直接插入管桩模型形成整体模型，该模型具有轴对称性质，可以沿轴线平面切割后取1/2模型进行分析。本次实例模拟的图层模型尺寸为长×宽×高=12 m×6 m×22 m，桩体模型为长10 m桩径0.5 m的柱体。桩体-土层模型划分为7 260个单元，共8 672个节点。

2.4 初始平衡状态

初始地应力场是引起岩土发生变形和破坏的主要力源之一[3]，模拟试验采用FLAC3D软件自动计算生成初始地应力场竖向应力云图。沿地面向地层深处，模型的初始地应力逐渐增加。对模型的最大不平衡力进行计算，发现明显趋于零的特征，表明模型处于平衡状态。

3 数值计算结果分析

3.1 桩顶沉降分析

本次模拟试验采用FLAC3D模拟单柱竖向受压、应力逐级加载方式，直至出现破坏，绘制Q-S曲线图。根据模拟计算所得的位移沉降变形云图可以看出：模型竖向荷载作用下，出现桩顶周围土体沉降大于桩端土体的现象，桩周沉降较大导致形成沉降盆。由于桩周土体在较大荷载下出现剪切破坏，桩顶周围土体沉降最大，随着竖向荷载进一步增加，桩与土体出现相对滑动，相对移动出现不协调。桩端土体随着压缩变形加剧，出现塑性破坏。同时桩土接触面的相对滑动也导致相互作用更为有限。

根据模拟结果可知，在荷载小于100 kN时，桩顶沉降受荷载影响较小；随着荷载的增加，在小于700 kN的范围内，曲线没有明显拐点，荷载-沉降表现出线性变化特征；在荷载到达700 kN时，曲线出现明显拐点，此后随着荷载的继续增大，桩顶沉降发生急剧变化，表明桩体发生破坏。因此，从曲线图判断，该试桩的极限承载力大约为700 kN。

3.2 桩端沉降分析

根据模拟结果可知，在荷载小于100 kN时，桩端的沉降为0，推测此时桩身轴力尚未传导至桩端；当荷载大于100 kN以后，桩端出现沉降，沉降随着桩端荷载的增加而增大。进一步根据桩顶及桩端沉降曲线，可计算桩身在每级荷载下的压缩量。

桩身轴应力随深度增加而减小，在0～6 m土层范围内，应力变化较为平缓，在深度超过6 m后，桩身轴应力增长速度明显加快。桩身轴应力整体呈现出层状分布，上部轴应力大于下部。

3.3 桩侧阻力

当桩顶竖向荷载较小时，下部轴力趋于0，随着荷载的增大，下部轴力发挥导致桩端受到的阻力逐渐明显。对桩侧阻力进行分析，可以发现，桩身上部先出现弹性压缩，进而上部周围土层与上部桩身间形成摩阻力，随着荷载增加，下部桩身及土层间才出现侧摩阻力。这也表明，桩身摩阻力发挥作用的时间并非同步的，且呈现出自上而下非线性分布的特征。

3.4 桩端阻力

对桩端阻力进行分析，桩端阻力在荷载小于200 kN的范围内，仅有轻微变化；在桩顶荷载在200～500 kN时，桩端阻力呈直线形态，基本无变化；当荷载为500～700 kN时，桩端阻力出现了较为明显的线性变化；随着荷载进一步增大超过700 kN时，桩端阻力发生迅速变化。随着荷载的增大，桩底受到桩身轴力及桩侧阻力的影响逐渐发挥，在荷载达到700 kN单桩发生破坏时，桩侧阻力充分发挥，桩端阻力也开始发挥作用。

3.5 桩端、桩侧阻力分担分析

对桩端应力数据作进一步处理，计算每级荷载下的桩端荷载，得到桩端、桩侧阻力分担的百分比。在荷载较小时，桩顶荷载由桩侧阻力承担。桩侧阻力的承担比例随着荷载的增加而减小，桩端阻力随着荷载的增大而增大。桩端阻力承担荷载在700～800 kN时，比例增加尤为明显。原因在于此时单桩发生剪切破坏，桩端土承担主要荷载。在PHC管桩未剪切破坏前，由桩侧阻力承担主要荷载，属摩擦端承桩。

4 实测结果与模拟计算结果的比较

表3所示为工程实测4根试桩的平均桩顶沉降值。本工程实例试验测得试桩的极限承载力为700 kN，平均沉降与残余沉降分别为15.17、65.85 mm,表4所示为试验与模拟结果的对比。

表3 工程实测平均桩顶沉降值

表4 试验值与模拟值对比

单桩在荷载达到700 kN时发生破坏，此时试验测得桩顶沉降为15.17 mm,而模拟计算值为12.02 mm,偏差为3.15 mm；荷载为800 kN时，试验实测桩顶沉降为69.85 mm,模拟计算值为66.96 mm,偏差为2.89 mm。从试验曲线与模拟曲线的吻合情况来看，在桩顶荷载达到400 kN后，曲线的吻合情况较好。产生偏差的原因可能在于模拟过程中未考虑孔隙水压对应力消散的影响，导致模拟值小于实测值。同时对于接触面参数的选取与实际桩土界面特征存在差异，也是导致模拟值与实测值偏差的原因之一。但是整体而言，模拟结果与实测结果的偏差较小，表明通过FLAC3D模拟PHC管桩桩土作用是可行的。

5 结 论

在桩顶竖向荷载作用下，PHC管桩在设计时应当充分考虑桩土间作用力，以提高管桩的设计承载能力和经济效益。本文基于工程实例，对FLAC3D桩土建模及计算进行详细介绍，通过模拟和计算分析了桩土作用的形式和过程。文章将试桩实测结果与模拟计算结果进行比较，验证了采用FLAC3D构建PHC管桩模型的可行性，可为同类项目提供参考。

[ID:013426]