靜壓管樁對臨近既有管樁影響的數值分析

陳超群，陳恒 （益陽市水利水電勘測設計研究院有限公司，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 年中國引進了第一條PHC 管樁生產線，自此開始了自行研制生產的道路。PHC 管樁因其承載能力強、制作施工周期短以及能夠標準化生產等諸多優點在國內得到迅猛發展。在我國珠三角、長三角等沿海發達地區率先使用，然后開始向內陸地區發展。沿海發達地區使用PHC 管樁較早，相關理論研究較為豐富，對管樁的應用起到了很好的指導作用。但沿海地區多為有深厚覆蓋層的軟土，與內陸地區土體性質存在很大差異。如果直接借鑒軟土地區的理論基礎以及施工經驗來指導安徽中部和北部、河南中部及湖北中部和北部等老黏土地區的管樁基礎設計、施工，必然會產生一系列工程問題。軟土通常具有高壓縮性，管樁在軟土地區應用時擠土效應顯著，擠土效應會將周圍土體擠密，使得土體強度提高；而在老黏土地區，管樁的擠土效應往往會使得樁周土體擠壓破壞，土體出現裂隙，造成地基隆起。因此，在不同的地質條件下使用PHC 管樁基礎時也應考慮土體特性對現場施工的影響。

本文以安徽老黏土地區某實際工程PHC 管樁為研究對象，采用數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理，并在此基礎上提出防治措施，旨在為老黏土地區管樁設計施工提供理論依據和科學參考。

1 工程概況

安徽老黏土地區某項目基礎采用PHC 管樁，設計樁長為26m，樁徑為500mm，樁端持力層為③層中粗砂混卵礫石，樁身混凝土強度等級為C80，總樁數為397 根。場地內各層地基巖土性質較均一，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，層底標高9.17～10.88m，褐灰、褐黃色，濕，軟塑～可塑（松散～稍密）狀態，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土；

②層粘土（粉質粘土）(Q4al+pl)——層厚0.50 ～5.20m，層底標高2.89 ～9.76m，灰、灰黃、灰綠色，濕，軟塑～可塑狀態，含氧化鐵、少量有機質，夾薄層粉土、粉細砂，該層土干強度中等，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，層底標高- 25.08～- 23.04m，灰黃、黃灰、灰綠、灰褐色，飽和，中密～密實狀態；

④層強風化泥質砂巖(K)——層厚0.80 ～3.10m，層底標高為- 25.08 ～- 23.04m，棕紅色、灰白色，堅硬（密實）狀態，原巖風化呈砂土狀，偶見碎巖屑，含多量長石；

2 數值模擬計算分析

針對管樁靜壓過程的數值模擬采用FLAC 數值分析方法進行分析計算。

2.1 三維數值計算模型的建立

開展的模擬計算過程如下：2# 管樁已經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# 管樁的樁間距根據設計圖紙設置為2m，樁長均設置為26m，樁徑均為500mm（圖1）。根據樁的幾何尺寸，該項目的數值計算模型范圍大小為長×寬×高=30m×30m×90m。區間模型采用的是八節點的六面體單元和四節點的四面體單元進行劃分。該區間數值網格模型共劃分了73650 個單元，389303 個節點，數值模擬網格模型具體見圖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 表1

樁身參數 表2

接觸面參數 表3

2.2 邊界條件的確定

根據管樁靜壓過程的受力特征數值網格模型上表面為自由邊界，而數值網格模型的4 個側面和底面約束為法向約束。管樁靜壓過程中的計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 計算參數的選取

根據地勘報告確定計算區域各土層土體物理力學參數（表1）、樁身參數（表2）以及接觸面參數（表3）。

2.4 計算結果分析

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，其剪應力的影響也較小。

2.4.3 臨近樁樁身應力云圖

通過樁的拉應力云圖可以看出，臨近樁的拉應力最大值為3.57MPa，且樁的兩端承受壓應力，中間部位承受拉應力。結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力。對于臨近樁的剪應力而言，最大剪應力為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 結論

本文以安徽老黏土地區某實際工程PHC 管樁為研究對象，采用數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理，并在此基礎上提出防治措施，得到的結論如下：

圖9 2#管樁拉應力云圖

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

圖10 2#管樁剪應力云圖

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??；

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

④當樁位過于密集時，壓樁過程中會造成群樁上浮，在設計及施工過程中應嚴格控制樁間距。