PHC桩承载力数值模拟

龚 政

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)



PHC桩承载力数值模拟

龚 政

(广东省水利电力勘测设计研究院,广东 广州 510635)

张滩闸坝左岸厂房基础地质条件复杂,厂房建基面覆盖层较深,下伏基岩面起伏较大,且溶蚀沟槽发育,对此,设计阶段采用PHC桩进行处理,从而提高地基承载力,防止不均匀沉降。采用Midas建立桩基模型,模拟单桩在分步加荷的工况下,桩体受力及沉降规律,结果表明,PHC桩承载力及沉降量满足设计要求,为前期设计提供了较为准确的参考依据。

基础处理;PHC桩;Midas

1 工程概况

广东省乐昌市张滩闸坝重建工程中,左岸发电厂房基础建基面部分为弱风化基岩,部分为砂砾卵石层,虽然砂砾卵石层承载力较高,但为了避免厂房的不均匀沉降,对位于砂砾卵石层的厂房基础需进行处理。基础处理形式一般采用换填和桩基础,从地质钻孔资料来看,砂砾卵石层在厂房建基面以下埋深度较大,最深处达到9 m,采用换填处理投资较大,因此，采用桩基处理方案,由于厂房基础一部分为弱风化基岩,刚度较大,要满足沉降协调,则对桩基础的刚度要求较高,需采用刚性桩基础,根据厂房基础部位钻孔资料显示,厂房建基面覆盖层较厚,下伏基岩(灰岩)岩面起伏较大,埋藏相对较深,且溶蚀沟、槽及溶洞发育,基础可置于砂砾卵石、含砾粉质黏土或下伏基岩上,在非基岩出露部位采用钻孔灌注桩或预制管桩进行处理,提高地基承载力,防止不均匀沉降。经过方案比较,决定采用PHC预制桩方案[1]。

2 数值模拟

本文结合张滩厂房基础处理工程,利用Midas建立PHC预制桩模型,模型说明：模型长×宽×高=20 m×20 m×27.5 m,PHC桩长18 m,桩径1 m,地层自上而下分层情况为：中粗砂,层厚6.5 m,粉质黏土层,层厚10 m,砾质黏土层,层厚1 m,最下层弱风化灰岩,取层厚10 m 。模型采用参数见表1～3，数值模型见图1。

2.1 材料特性

材料特性见表1～3。

表1 属性对应

表2 材料参数

表3 桩截面和接触特性参数

2.2 网格划分

本模型重点研究桩及桩周土体的受力变形,故对研究对象网格划分较密,对远离桩周的土体划分较疏,保证了模型计算的准确性,节省了计算时间,为此采用线性梯度网格控制[2],起始网格长度为1,终止长度为0.5。

2.3 边界条件

Midas自带地基边界条件,适合本模型,即对模型除顶面外的其他5个面施加法向约束。

2.4 模拟工况

桩已经全部入土,桩端嵌入弱风化灰岩0.5 m,在桩顶施加荷载2 000 kN,分8步加载。模型如图1。

图1 数值模拟模型示意

3 数值分析

为研究桩-土相互作用机理,特在模型桩中心处进行切面显示,从而可以更直观观察桩土之间位移及变形等特征。

3.1 桩体沉降

单桩承载力进行设计时,桩体在桩端荷载作用下的位移是设计者最为关心的一个问题,也是判断桩极限承载力的一个重要依据,为此,提取出在加荷F=2 000 kN时,桩体竖向位移,如图2所示。

从图2中可以读出桩身总体沉降约2.9 cm,桩周围的土体也形成了明显的一个沉降区域,随着土层范围扩大,土层沉降值也逐步减小,符合实际受力情况。

3.2 桩体受力

桩的承载力是一个逐步发展的过程,在顶部荷载作用下,桩身上部周围土体率先与桩体发生相对位移,摩擦力开始发挥作用,摩擦力逐步发挥出来,则桩身轴力逐步减小,从图3中可以明显的观察到,桩体轴向受力呈上大下小的梯形,桩顶最大轴力1 958 kN,桩端轴力530 kN,符合实际受力情况,也从侧面验证了嵌岩桩的端阻力在总承载力中所占比例不高的事实。本模型中桩已嵌入岩体,由于岩石与桩的连接是脆性的,在比较小的位移条件下嵌固段的阻力就可以达到峰值,而且先于土的侧摩阻力得到发挥,因此,桩端摩阻力最大[3]。从图4中可以明显看出,桩端摩阻力最大,约为150 kN/m,中部土体段则最小,到上部后开始增加,至顶部又稍微减小的一个过程,符合实际受力状态。

图3 桩体轴力示意

3.3 分步加荷情况下桩顶沉降

目前,对于如何确定单桩极限承载力有多种方法,诸如Q-S曲线明显转折点法、沉降速率法(S-lgt法)、规范经验参数法、静力触探法、标准贯入法、动力法等。本文提取出桩顶沉降位移随荷载增大的变化曲线如图5示,该曲线无明显转折点,表明该桩的破坏模式属于刺入型,根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[4]推荐：一般取S=40～60 mm对应的荷载,对于大直径桩(d>800 mm)可取S=0.03～0.06D(D为桩端直径,大桩径取低值,小桩径取高值)所对应的荷载。本工程取S=0.03D对应的荷载,即Q=2 000 kN取为该桩的极限荷载,满足设计要求(设计单桩承载力F=950,安全系数K=2.1)。

图4 桩侧摩阻力示意

图5 桩体Q-S曲线示意

4 结语

本文结合张滩厂房基础处理工程,建立Midas桩基承载力模型,通过分布加荷计算,较好的反映了PHC预制管桩在该特殊地层条件下的受力情况,比较准确地反映了桩侧摩阻力与桩端承载力,并确定了桩的极限承载力,为设计提供了准确地参考依据,并对类似工程具有重要的参考价值。

[1] 广东省水利电力勘测设计研究院.广东省乐昌市张滩闸坝枢纽重建工程初步设计报告[R].广州：广东省水利电力勘测设计研究院,2014．

[2] 李治.Midas/GTS在沿途工程中应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2013:54-69：

[3] 高大钊,赵春风,徐斌. 桩基础的设计方法与施工技术[M].北京：机械工业出版社,1999:9-35．

[4] 建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008[S]．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Numerical Simulation of PHC Pile Bearing Capacity

GONG Zheng

(Guangdong Hydropower Planning &Design Institute，Guangzhou 510635，China)

It is very complex that the geological conditions of left powerhouse in Zhangtan gate dam. The overburden thickness is deep on the foundation surface of the powerhouse，the bedrock surface is undulating and grike developed，so the PHC pile is taken to improve the foundation bearing force and prevent uneven settlement. In this paper，the pile model is established by Midas to simulate pile stress and settlement under the steps of loading conditions. The results show that the pile's bearing capacity and settling volume meet the design requirements and provide a more accurate upfront reference.

foundation treatment; PHC pile; midas

2016-03-29;

2016-04-25

龚政(1987)，男,硕士,助理工程师,从事水利工程施工组织设计工作。

TU473.1+1

B

1008-0112(2016)03-0005-03