PHC管桩地基处理对水闸抗震安全影响研究

张鸿伟

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528403)

1 概述

目前很多学者对PHC管桩进行了大量的研究，Yan Shao等采用ABAQUS有限元软件研究了预应力高强混凝土管桩的挤土效应[1-2]。Zhijian Yang采用试验手段研究管桩在低周反复荷载作用下的破坏过程和破坏模式[3]。李光明[4-9]等对地震区和软土区预应力混凝土管桩的抗震性能进行了研究。阮起楠[10]借鉴了国外有关规范，对管桩的抗震设计作了探讨，认为预应力混凝土管桩可用于抗震烈度7度以下的一般地区建筑工程。上述文献主要针对PHC管桩本身特性及设计理论进行研究，涉及桩与结构联合抗震的研究则相对较少[11-12]。随着近年地震灾害频发，结构抗震及抗震性评价成为了研究的热点问题。本文以某工程水闸为研究对象，基于桩基-结构的耦合整体，对比分析PHC管桩地基处理和灌注桩地基处理对水闸结构的影响，为PHC桩基础的水闸结构设计提供依据。

2 PHC桩地基处理及其特征分析

某水闸工程，为浮筏式钢筋混凝土结构，共两孔。闸室底板厚为1.5 m，上、下游设有齿墙。闸室地基为软土地基，工程区地层自上而下为近代堆填的人工抛石、第四系淤泥类软土、粉质黏土和砂土，下覆岩层侏罗纪细粒黑云母花岗岩[13]。工程场地平坦，周边环境相对简单。据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)，工程区地震峰值加速度值为0.10g(相应地震基本烈度为Ⅶ度)。闸室底板坐落于淤泥质层，由于承载力和沉降的要求，需要进行地基处理。

2.1 PHC桩设计

高强预应力混凝土管桩又称PHC桩。此桩型穿透能力强，可获得较高承载力；桩身强度高，后期沉降变形小，有利于上层建筑物的稳定；造价低，施工周期短，对于工期紧的工程优势明显。其缺点主要是具有挤土效应，对周围建筑物有一定影响，要求边桩中心到相邻建筑物间距大。根据水闸闸室地基土层和上部结构荷载计算结果，基础采用PHC管桩(外径600 mm，壁厚130 mm)，砼强度等级为C80，水闸闸室顺水流方向布置8排，垂直水流方向布置13排，共布置104根桩。桩基采用中粗砂层为持力层，桩底进入硬质土层不宜少于1.5 d，设计桩长为36 m。

根据闸室基底应力和桩位布置，当不考虑负摩阻力时，完建工况竖向荷载最大，单桩平均竖向荷载为Nk=858.74 kN，单桩竖向承载力特征值为Ra=1694.58 kN。考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载Qgn时，正向警戒水位工况时竖向荷载最大，单桩平均竖向荷载为Nk+Qgn=1 187.13 kN，单桩竖向承载力特征值为Ra=1 308.39 kN。正向设计挡潮工况时的水平荷载最大，单桩水平作用力H1=85.90 kN，单桩水平承载力特征值为Rha=72.30 kN(考虑了群桩效应为Rh=86.77 kN)，满足规范要求。

2.2 PHC桩基础桩基础弹性模量

由PHC桩与软基土层组成的PHC桩基础，在空间上呈现周期性复合材料非均质性。PHC桩基础等效弹性模量是评价地基处理效果的一个重要指标。大多数学者采用一般弹性力学问题的均质化理论进行PHC桩基础等效弹性模量的研究[14-15]，以桩及其影响区域内的土体所构成的非均质复合体为对象，由细观平衡方程求解得到细观特征函数，再借助宏观平衡方程求解弹性模量。其求解方法复杂，不适用于工程设计。

(1)

(2)

E并=fG×EG+fM×EM

(3)

式中：

EG和EM——土基相M和桩基相G所占的弹性模量；

fG和fM——分别为土基相M和桩基相G所占的体积比。

3 PHC桩地基处理对水闸抗震安全影响

以2.1节水闸为研究对象，该水闸闸墩、底板及交通桥采用C30钢筋混凝土结构，排架柱采用C30钢筋混凝土结构，设计的PHC桩基础方案见2.1节。为对比不同地基处理的效果，设计钻孔灌注桩基础为对比方案，其中钻孔灌注桩初拟桩径为Φ100 cm，桩身砼强度等级为C40，桩顶通过钢筋与上部建筑底板衔接，桩底高程按打入持力层一定深度控制，桩长40 m，排距为3.6 m×3.5 m，共布桩60根。

抗震安全分析采用数值模拟手段，取水闸闸室建立有限元模型，地基深度取1倍闸室净宽。垂直水流的宽度选取1.5倍闸室长度，顺水流方向选取1.5倍闸室长度。两种方案均采用实体单元进行分析，共有44 837个单元和节点。进行仿真计算时，所有材料本构模型均采用线弹性模型，结构计算地基四周为法向约束，模型基底为全约束，上部闸室自由。

抗震分析采用振型分解反应谱法进行，总的地震作用效应是由各阶振型的地震作用效应按平方和方根法组合得到，计算中提取水闸结构的前五阶模态振型。计算模型的力学参数见表1所示。

表1 计算模型的力学参数

水闸在垂直水流方向的刚度较小[16]，故当激励在垂直水流方向易产较大的应力。通过查阅资料亦发现水闸的最大应力通常发生在激励在垂直水流方向的时候，故本文选取激励在垂直水流方向(Z)上进行分析。水闸计算模型如图1所示。

图1 有限元模型示意

3.1 自振频率分析

采用子空间迭代法计算结构的自振频率，地基仍然为无质量地基。振型组合采用振型组合方法，分析前五阶振动频率，对不同地基处理方案的水闸自振频率进行对比(见表2所示)。

表2 自振频率汇总 Hz

从表2中数据不难看出，经地基处理，地基弹性模量增大，水闸的自振频率增加，从而闸室结构的自振周期将会减少，特征周期以及反应谱值所在区间亦发生改变。

3.2 闸室结构位移分析

选取闸室整体结构的最大值和最小值以及闸室底板的最大值和最小值进行分析，以此作为依据判断闸室结构在不同地基上的变形，PHC桩基础作用下计算结果如图2～图6所示。闸室整体位移的最大值和最小值计算结果见表3所示；闸室底板位移的最大值和最小值计算结果见表4所示。

图2 PHC桩基础Z方向的第一阶振型

图3 PHC桩基础Z方向的第二阶振型

图4 PHC桩基础Z方向的第三阶振型

图5 PHC桩基础Z方向的第四阶振型

图6 PHC桩基础Z方向的第五阶振型

表3 垂直水流方向地震引起水闸竖向(UY)位移汇总 mm

表4 垂直水流方向地震引起底板竖向(UY)位移汇总 mm

由上述可知，① 垂直水流方向发生地震时，除第五振型外，地基处理后上部结构的最大位移均增大，上部闸室的最大位移主要发生在上游支架和下游交通桥处，这是由于经地基处理后，地基刚化为整体，动力响应上传到上部结构。② 垂直水流方向发生地震时，地基处理后的底板和基础的位移则减小，这是由于地基处理后底板因受地基约束增强。③ 相比钢筋砼灌注桩基础和原始地基，PHC桩基础因其本身具有较好的强度和稳定性，地基整体强度增加，动力响应效果较好。

3.3 闸室结构应力分析

PHC管桩基础作用下不同振型闸室结构应力如图7～图8所示，其他类型地基应力成果见表5所示。

a 第一阶右边墩应力云图

d 第一阶底板应力云图

e 第一阶上游支架应力云图

f 第一阶下游交通桥应力云图图7 第一阶振型闸室各结构应力云图

a 第三阶右边墩应力云图

b 第三阶左边墩应力云图

c 第三阶中墩应力云图

d 第三阶底板应力云图

e 第三阶上游支架的应力云图

f 第三阶下游交通桥的应力云图图8 第三阶振型闸室各结构应力云图

表5 闸室第一主应力和第三主应力汇总 MPa

由图7～图8可知，闸室结构的应力最大处主要集中在上游支架和下游交通桥上；由表5可知，进行地基处理后，当发生垂直水流方向地震，闸室结构所受到的拉应力是增大的，压应力也是增大的。两种不同的地基处理方式相比，二者对地震作用下水闸结构应力的影响区别不大。

4 结论和建议

软土地基上的水闸结构因地基不满足承载力或沉降要求通常采取PHC桩加固地基手段，本文采用数值模拟方法，将处理的地基视为复合材料，分别计算了PHC桩地基处理、灌注桩地基处理和未进行地基处理三种方案下的水闸抗震性能，结论如下：

1)进行地基处理后，闸室结构的自振频率会增加，反应谱所在区间亦发生改变，相应的闸室动力分析计算出的应力会相应减小。

2)进行地基处理后，受垂直水流方向地震影响，底板的位移减小，但上部结构位移增大，最大位移为排架柱和上游交通桥，水闸抗震设计时应重点关注其安全问题。

3)进行地基处理后，闸室结构的应力集中现象显著，这是因地基约束增强所致，故在PHC桩加固地基水闸结构设计时，在应力集中处需对结构进行加强。

4)从抗震作用来说，PHC桩基础和砼灌注桩基础在水闸上部位移控制及闸室结构主应力控制方面作用相当，但PHC管桩基础对于闸室底板位移控制效果相对更明显，该研究可为水闸地基处理设计提供参考。