水工結構PHC管樁水平承載性能分析

廖振華

【摘要】在港口工程當中，PHC管樁具有多樣形式，并且施工技術以及設計方案都存在較高的難度，在整個工程建設當中占據較大的工程總價比例。在建立群樁模型主要是利用有限元軟件實現，并且對群樁效應以及樁頂位移情況進行分析計算，對比分析公式計算結果與兩者計算結果之間差異性，以此來提升計算結果的準確性。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，基于此分析結果對樁基的設計方案進行優化創新，從根本上降低施工建設成本。

【關鍵詞】港口工程；PHC管樁；水平承載；性狀性能

隨著我國社會經濟呈現上升式發展態勢，不斷出現大型建筑物，例如港口工程，跨江大橋等，以上建筑工程都廣泛應用樁基結構。此外，由于現階段出現多樣化的工程建設，這在一定程度上也使得樁基的受力情況出現多樣化的發展態勢，也涌現了較多針對樁基水平承載性狀性能的相關研究。在實際的港口工程也出現了多樣化的樁基受力情況，其主要包括車輛運行重量，設備機械的重量，上部承載結構的重量等各個方面。相比于傳統的混凝土樁，PHC管樁的優勢在于具有較強的樁側摩擦力，擠土施工工藝以及強度等，基于以上優勢特點，PHC管樁被廣泛應用于港口工程。

1、建立模型

1.1提出假設

（1）PCH管樁的建設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參數，因此在進行實際建模時需要將接觸單元設置在兩者之間，這樣可以確保混凝土與鋼筋之間的應力能夠連續傳遞，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系，因此忽略兩者之間的接觸關系。

（2）在工程建設期間，樁頂的上部都存在承臺結構，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性能方面主要是按照樁頂水平位移程度實現，因此就不設置承臺約束。

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

1.2建立模型

（1）在建立期間需要根據具體情況建立土體部分，并且根據土體力學性質對每一層土體模型設置參數，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合，確保應變以及應力之間進行相互傳遞。

（3）在完成樁土模型建立之后，需要對其進行網格劃分，在土體的底部設置固定約束力，在加載計算時需要根據實際施工情況進行。在完成計算之后需要在專業分析軟件當中對樁身以及土體應力云圖進行提取。

（4）在建立樁身時需要設置相應的參數，主要是根據鋼筋混凝土的等級強度來實現。在實際建立樁身模型時需要劃分樁身網格，可以根據土體網格寬度進行劃分，這樣可以確保土體與樁身的網格寬度相同，提升計算準確性。

2、計算樁基水平承載力

在進行港口工程時，由于臨近水源巖石頂以及淤泥深度不同，這樣就會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，就會相應加大樁身與土之間的接觸面積，進一步提升樁基水平承載力，這樣就會增加樁土之間的相互作用，加大土體對樁身的橫向約束力，群樁基礎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，分析群樁效應與群樁基礎水平承載性能遭受不同入土深度的影響，圖1-2為無承臺群樁彎矩圖。下面兩個表格為樁身入土深度的基本變量，建立群樁基礎模型，并計算相應的數據。此次研究的PHC管樁的外徑長度為100厘米，樁身壁厚13厘米，該樁身受到的受彎承載力的設計值為841kN·m。按照計算結果分析，提取和整理數據，這樣就可以得到群樁效應與群樁基礎水平承載性能遭受不同入土深度的影響。詳情見圖3-4.

圖3所示，隨著不斷加大的樁身入土深度，就會相應提升樁周土體對樁身的約束力，這樣就會在較大程度上減小群樁基礎水平位移程度。然而樁頂位移以及樁身入土深度之間的相互約束關系控制在限定范圍之內，在此范圍之內不斷加大樁身入土深度，將不會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無限接近于極限值，所以可以將此數據作為樁身入土深度的最大限度值，這樣就可以優化設計樁身結構。在進行樁基入土施工建設時，由于其具有較大的技術難度，優化設計樁身結構可以在較大程度上減少施工工期，使生產成本降到最低。

根據圖4顯示的曲線圖可以看出，群樁效應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，就會相應減少群樁效應，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，進一步加強了樁周土體對樁身的約束力。當長徑比系小于15時，隨著樁身入土深度的加大沒有影響到群樁效應，由以上分析可以看出，樁身入土深度對群樁效應的影響具有限定值。如果樁位相同，可以將樁身入土深度進行改變，這樣可以相應改變群樁效應對群樁基礎水平承載力性能的影響程度。

3、對比計算

根據有關研究學者的文獻研究結果的相關理論知識可以看出水平承載樁樁頂水平位移的計算公式，在推導公式過程中主要是使用工程建設的相關標準要求以及長期的建設經驗實現的，但是以上推導的計算公式只能應用在土體均質的情況下，如果在實際工程建設期間使用以上計算公式，將會影響計算結果的準確性。基于以上理論，在計算水平承載樁樁頂水平位移時需要有效聯合非線性理論知識，土力學等各個行業領域的知識，并且在此基礎上修正原計算公式，這樣就可以在土體復雜狀態下應用此計算公式，這樣可以在較大程度上滿足施工建設的實際要求，加強計算結果的準確性。具體的計算公式如下所示：

以上計算式中：表示的是土體內摩擦角 ；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。

為了檢驗以上公式的準確性，需要按照表1的數據進行計算檢驗，并且對比分析計算結果與專業分析軟件的計算結果，此次研究做了較多假設，沒有注重群樁效應對于樁頂水平位移的影響程度，所以實際的計算結果存在誤差性。詳情見表2：

4、群樁基礎的工作特性

在群樁基礎之上，群樁效應主要反應基礎水平承載性能參數，因此需要在不同參數之下計算群樁效應以及樁頂水平位移，這樣有利于探討研究不同參數影響群樁基礎水平承載性能的各項因素，因此計算結果可以分析樁基設計科學理性，進而優化設計樁基結構，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成本降到最低。

可以使用專業的分析計算軟件來對群樁基礎水平位移程度進行計算分析，群樁效應的主要表達方式在于通過數據實現的，在計算群樁效應的數據時，在獲取數據方面主要是利用群樁效應在獨立樁體的計算前提進行實際定義，因此在對群樁效應進行計算分析時，需要與單樁的計算條件相符合。在同樣的工作條件以及荷載程度的群樁和單樁，其群樁效應的計算式可以按照K=ms/mG。在以上計算式當中，ms表示的是單樁基礎樁頂水平位移，mG表示的是群樁基礎樁頂水平位移。

5、結束語

綜上所述，在分析港口工程PHC管樁水平承載性狀性能時需要按照以下兩個方面進行：（1）在工況相同條件下，有限元計算結果與公式計算結果之間具有較大的接近性，這樣就說明有限元計算PHC管樁水平承載性狀性能結果具有較高的可靠性和準確性。并且，如果是針對工況較為復雜多變的情況下，有限元計算可以通過建立模型，這樣在一定程度上彌補公式計算結果的限制條件。（2）計算分析不同樁身入土深度，得出了樁基承載性能會受到不同樁身入土深度的影響，以上研究結論可以為今后的樁基設計提供參考性價值。

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