PE 套管防治PHC 桩基础冻拔作用的数值模拟研究

姜伟 张勃 刘功良 李显文 付世博 李栋

(1、东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙 江大庆 163318 2、青海黄河光伏系统设计咨询有限公司，陕西 西安 710000 3、黑龙江八一农垦大学土木水利学院，黑龙 江大庆 163318）

光伏发电技术是解决化石能源过度依赖问题的可行方案。光伏支架基础受力特点是竖向荷载小，抗拔强度起控制作用。高纬度低海拔地区的光伏发电站建设项目需要考虑季节性冻胀以及高水位给抗冻胀施工带来的影响。

桩基础冻胀效应和抗冻胀措施已进行了较多研究。孙超等[1]对桩锚支护的季节性冻胀进行了数值模拟，提出基坑越冬监测及防护方案。孙洪伟等[2、3]对船台桩基础冻拔进行了观测，制定了刚性和柔性套筒的防治措施。位于大庆的某光伏电站建设中使用了PHC 管桩外套PE 管措施。本文通过数值模型，预测和评价抗冻胀效果。

1 理想化假定

1.1 土的冻胀效应

在室内试验（图1）基础上，结合当地气象历史设置了土体冻胀的温度变形系数。

图1 体积应变随温度的变化实验值

1.2 桩和土材料参数

以往研究证明线弹性本构描述土体是合理的[4]。土工试验获得的土壤部分物理参数列于表1，作为模拟中采用的材料常数。

表1 桩和土的材料常数（0℃）

1.3 PE 材料参数[5]

根据美国《PE 管- 设计与安装》AWWA M55，PE 管长期弹性模量约为初始值的1/4。考虑大庆低温环境，PE 材料参数取值见表2。PE 套管隔离桩身与冻土，减小桩土间的相互作用。套管与桩身间存在一定空隙时抗冻胀效果最佳。需要考虑套管承受外荷载。管材环刚度与弹性模量的关系由公式（1）确定。

表2 PE 套管的材料常数（0℃）

式中，Sp是管材环刚度，MPa；Ep是管材弹性模量，MPa；t0是管材壁厚，mm；D0是管材直径，mm。

1.4 桩- 土-PE 套管的接触处理

当土体冻结时，桩外表面与土壤冻结在一起，难以发生相对位移；在非冻结区，桩土间摩擦力较大，正常状态下的相对位移非常小。因此将桩土接触设置为绑定。同样的，对于PE套管与冻土，二者间接触也设置为绑定。当土体冻胀促使套管向管内变形时，可能与桩身发生接触，因此将桩与套管接触设置为标准。

2 模型建立

使用ANSYS 建立数值模型。土壤被理想化为高7.8 m，直径4 m 的圆柱，沿高度分为冻胀性粉质粘土、粉质粘土和砂土三部分。桩的内外径分别是160 mm 和300 mm，套管的直径是355 mm，壁厚8 mm。使用Solid187 单元进行离散化处理（图2）。

图2 有限元模型和现场照片

分步施加荷载和边界条件：第一步，对土柱侧面施加对称约束，底面施加全约束，施加整体加速度；第二步，根据设计对桩顶施加0.012 MPa 竖向荷载；第三步，对冻土部分施加温度膨胀效应。

3 结果分析

3.1 抗冻胀效果预测

图3 显示了桩- 土体系的竖向位移。土壤在桩位附近受到上部荷载和桩自身重力的影响，冻胀量较少，在远离桩位处冻胀较大；桩身冻拔量约8.2 mm。图4 显示了桩身与套管间无填充物时的竖向位移。套管在自身高度范围内隔离了桩身与冻土的接触，代替桩身发生向上冻拔，其冻拔量约62.3 mm；桩身冻拔量约3.1 mm，减少了62.2%。图5 显示了填充饱和土时的竖向位移。填充饱和土下，套管隔离效果减弱，其年冻拔量约13.6 mm；桩身年冻拔量约8.2 mm，未显示出明显的抗冻胀效果。

图3 桩- 土竖向位移（无套管）

图4 桩- 套管- 土竖向位移（桩身套管间无填充）

图5 桩- 套管- 土竖向位移（桩与套管间填充饱和土）

3.2 长期冻胀风险评估

按表3 改变套管参数后分别进行模拟。图6 展示了管桩不同阶段的年冻拔量情况。桩身与套管间无填充时，套管的年冻拔量增加；填充饱和粉质粘土时，变化趋势不变，但变化量非常小，效果不理想。评估长期冻胀风险要考虑年融沉量。管桩下方位于持力层内，年融沉量非常小；而套管全高度位于冻深内，年融沉量较大。因此将桩身年融沉量理想化为0，将PE 套管年融沉量视为年冻拔量的50%，计算25 年使用基准期内累计冻拔量如图7 所示。可以看出，桩身25 年冻拔量约70.8 mm，相对不采取措施下降低了65.5%；以冻拔量300 mm 为修复归位标准，在25 年内需要在第10 年和第19 年进行两次归位。

图6 桩身和套管年冻拔量随时间变化

3.3 PE 套管失效风险评价

公式（1）计算得到PE 套管环刚度见表3。冻结时土体积膨胀，会对套管产生压力，根据国家现行标准《水工建筑物抗冰冻设计规范》GB/T50662，静冰压力按照公式（2）取值：

表3 PE 套管的环刚度

计算得冻土对套管的压力约1.5 MPa，远大于环刚度。图8 显示了套管较大变形的位置。套管与桩身间无填充时，套管上下端变形较大；套管与桩身间填充饱和粉质粘土时，套管上端变形较大。

图8 套管变形情况

4 结论

4.1 PE 套管与桩身间无填充时，套管代替发生冻拔，此时桩身年冻拔量约3.1 mm，减少了62.2%；PE 套管与桩身间填充饱和土时，桩身年冻拔量约8.2 mm，未显示出明显的效果。

4.2 桩身年冻拔量随PE 材料老化逐渐降低，25 年累计冻拔量约70.8 mm，降低了65.5%。

4.3 在25 年使用期内共需进行2 次PE 套管的修复归位，分别是第10 年和第19 年。

4.4 套管受冻土静压力破坏失效的可能性非常大，其破坏可能从上下两端起始。