PHC預(yù)制管樁在水平荷載作用下的特性研究

作者簡介：

劉登濤（1983—），工程師，研究方向：橋梁工程。

摘要：文章分析了水平荷載作用下單樁的受荷特性，研究了PHC預(yù)制管樁中的樁徑、樁長、樁壁壁厚及樁身的混凝土強(qiáng)度等特性。結(jié)果表明，在受到水平荷載作用時，樁徑的增大、樁長的增長、樁壁壁厚的加厚及樁身混凝土強(qiáng)度等級的提高，對PHC預(yù)制管樁有利，并且樁身的混凝土強(qiáng)度等級對其影響效果最顯著，而樁的壁厚對其影響效果較小。

關(guān)鍵詞：PHC預(yù)制管樁;橋梁工程;水平荷載;管樁參數(shù);單樁受荷

中國分類號：U445.55+1A331214

0 引言

近年來PHC預(yù)制管樁被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)及民用建筑中，該樁是采用先張法預(yù)應(yīng)力的工藝和離心成形的施工方法，再經(jīng)過蒸汽養(yǎng)護(hù)形成的空心截面形式的預(yù)制混凝土構(gòu)件，其具有單樁承載力高、施工簡便、施工速度快及施工后不均勻沉降少等特點(diǎn)[1]。張明義等[2]通過試驗(yàn)研究，提出關(guān)于靜壓樁的承載力與時間的關(guān)系曲線;陳福全等[3]通過現(xiàn)場的試驗(yàn)，對壓樁的機(jī)理、壓樁所受阻力及樁承載力的計算等問題進(jìn)行研究;王家來等[4]利用簡化后的屈服函數(shù)，對軟化土體中的柱形應(yīng)變、應(yīng)力及變形進(jìn)行分析研究;王成等[5]利用仿真模型建立一種空間耦合數(shù)值計算的模式，對由樁身混凝土的損傷而引起的樁體剛度降低等問題進(jìn)行研究;葉萬靈等[6]對工程中的試樁資料進(jìn)行收集分析，提出非線性計算的方法。

但目前該樁基技術(shù)在橋梁工程的應(yīng)用相對較少，對橋梁工程中PHC預(yù)制管樁在水平荷載作用下的承載特性等研究較少。為此，本文對單樁受荷的特性及PHC預(yù)制管樁中的樁徑、樁長、樁壁壁厚及樁身的混凝土強(qiáng)度等特性進(jìn)行了研究，以期為相關(guān)工程領(lǐng)域提供參考。

1 水平荷載作用下單樁的受荷特性

1.1 相關(guān)參數(shù)及公式

PHC預(yù)制管樁通常是用于承受豎向荷載較多的地方，而在橋梁工程中樁基不僅會受到豎向荷載的作用，還會受到水平荷載的作用，并且在水平荷載作用下的性狀更為主要。因此，本文先對實(shí)際工程中PHC預(yù)制管樁的p-y曲線進(jìn)行繪制并計算。關(guān)于本次計算的土層樁及土層信息參數(shù)，以及樁的彎矩計算公式如下頁表1、表2和式（1）所示。

1.2 樁身的p-y[HTZDX]曲線分析

根據(jù)上述參數(shù)計算結(jié)果繪制樁身的p-y曲線，p-y曲線是在試樁時實(shí)測的土反力與變位的關(guān)系曲線，其能夠反映土的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。本次工程中試樁的p-y曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，在相同的樁身側(cè)移下，樁的埋深越大，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況可以看出，側(cè)移越大p-y曲線越早出現(xiàn)線性關(guān)系，說明此時在樁身的下部可能已經(jīng)處于彈性階段，其承載力還會繼續(xù)增大。

2 樁身的參數(shù)研究

橋梁工程的樁體在水平荷載的作用下，其樁身的參數(shù)性質(zhì)及樁周土體性質(zhì)對樁基的受力變形影響最大，因此本文對樁身的樁徑、樁長及樁身混凝土強(qiáng)度及樁壁壁厚等參數(shù)進(jìn)行研究，分析各個不同因素對PHC預(yù)制管樁水平受力特性的影響。本次樁所處的土層及所受的豎向荷載與表1、表2相同，在此基礎(chǔ)上增加了240 kN的水平荷載。

2.1 樁徑的影響分析

分別設(shè)置樁徑為800 mm、600 mm和400 mm，并對其樁頂荷載的側(cè)移曲線及p-y曲線進(jìn)行分析。

2.1.1 樁頂荷載-側(cè)移曲線分析

從圖2中可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側(cè)移均在不斷地增大。對三種樁徑進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在相同的水平荷載作用下，樁徑越小樁頂?shù)膫?cè)移就越大。

2.1.2 p-y曲線分析

從圖3中可以看出，當(dāng)樁體的埋深一定時，在相同的樁身側(cè)移下，樁徑越大，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況可以看出，隨著樁徑的增大，土對樁的反力將逐漸增大。

2.2 樁長的影響分析

分別設(shè)置樁長為18 mm、15 mm和12 mm，并對其樁頂荷載的側(cè)移曲線及p-y曲線進(jìn)行分析。

2.2.1 樁頂荷載-側(cè)移曲線分析

從圖4可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側(cè)移均不斷增大。對三種樁長進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在相同的水平荷載作用下，樁長越短樁頂?shù)膫?cè)移就越大。

2.2.2 p-y曲線分析

從圖5可以看出，當(dāng)樁體的埋深一定時，在相同的樁身側(cè)移下，樁體的長度越長，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況也可以看出，隨著樁長的增大，土對樁的反力將逐漸增大。

2.3 樁壁壁厚的影響分析

分別設(shè)置樁壁的壁厚為0.12 mm、0.1 mm和0.08 mm，并對其樁頂荷載的側(cè)移曲線及p-y曲線進(jìn)行分析。

2.3.1 樁頂荷載-側(cè)移曲線分析

從圖6可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側(cè)移均不斷增大。對三種樁的壁厚進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在相同的水平荷載作用下，壁厚越厚樁頂?shù)膫?cè)移就越小。相比于樁長及樁徑的影響，樁壁的壁厚對樁體在水平荷載作用下的影響比較小。

2.3.2 p-y曲線分析

從圖7可以看出，當(dāng)樁體的埋深一定時，在相同的樁身側(cè)移下，樁壁越厚，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況也可以看出，隨著樁壁厚度的增大，土對樁的反力將逐漸增大。相比于樁長及樁徑的影響，樁壁的壁厚對樁體在水平荷載作用下的影響比較小。

2.4 樁身混凝土強(qiáng)度的影響分析

分別設(shè)置樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30、C40和C50，并對其樁頂荷載的側(cè)移曲線及p-y曲線進(jìn)行分析。

2.4.1 樁頂荷載-側(cè)移曲線分析

從圖8可以看出，在樁體受水平荷載作用下，隨著水平荷載的不斷增大，三個樁的樁頂側(cè)移均不斷增大。其中當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C30情況下，曲線變化得最為明顯，說明此時的混凝土強(qiáng)度等級對樁體的側(cè)移影響很大。對三種樁的樁身混凝土強(qiáng)度進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在相同的水平荷載作用下，混凝土的強(qiáng)度等級越高時對樁頂?shù)膫?cè)移就越小，對比樁長、樁徑及樁壁壁厚發(fā)現(xiàn)，樁身的混凝土強(qiáng)度等級對其側(cè)移影響最大。

2.4.2 p-y曲線分析

從圖9可以看出，當(dāng)樁體的埋深一定時，在相同的樁身側(cè)移下，樁身的混凝土強(qiáng)度等級越高，其對土的作用力越大，土對樁的反力越大。從曲線的變化情況也可以看出，隨著樁身的混凝土強(qiáng)度等級增大，土對樁的反力將逐漸增大。相比于樁長、樁徑的影響及樁壁的壁厚對樁體在水平荷載作用下的影響，樁身混凝土的強(qiáng)度等級對其影響最大。

3 結(jié)語

由于目前對橋梁工程中PHC預(yù)制管樁在水平荷載作用下的承載特性等研究較少，本文通過對單樁受荷的特性及PHC預(yù)制管樁中的樁徑、樁長、樁壁壁厚及樁身的混凝土強(qiáng)度等特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，PHC預(yù)制管樁在受到水平荷載作用時，隨著樁徑的增大、樁長的增長、樁壁壁厚的加厚及樁身混凝土強(qiáng)度等級的提高，PHC預(yù)制管樁的側(cè)移越小，并且發(fā)現(xiàn)樁身的混凝土強(qiáng)度等級對其影響最顯著，而樁壁壁厚對其影響效果較小。本文僅對PHC預(yù)制管樁的部分特性進(jìn)行研究，以期為相關(guān)工程領(lǐng)域提供參考。

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