PHC预制管桩在水平荷载作用下的特性研究

作者简介：

刘登涛（1983—），工程师，研究方向：桥梁工程。

摘要：文章分析了水平荷载作用下单桩的受荷特性，研究了PHC预制管桩中的桩径、桩长、桩壁壁厚及桩身的混凝土强度等特性。结果表明，在受到水平荷载作用时，桩径的增大、桩长的增长、桩壁壁厚的加厚及桩身混凝土强度等级的提高，对PHC预制管桩有利，并且桩身的混凝土强度等级对其影响效果最显著，而桩的壁厚对其影响效果较小。

关键词：PHC预制管桩;桥梁工程;水平荷载;管桩参数;单桩受荷

中国分类号：U445.55+1A331214

0 引言

近年来PHC预制管桩被广泛地应用于工业及民用建筑中，该桩是采用先张法预应力的工艺和离心成形的施工方法，再经过蒸汽养护形成的空心截面形式的预制混凝土构件，其具有单桩承载力高、施工简便、施工速度快及施工后不均匀沉降少等特点[1]。张明义等[2]通过试验研究，提出关于静压桩的承载力与时间的关系曲线;陈福全等[3]通过现场的试验，对压桩的机理、压桩所受阻力及桩承载力的计算等问题进行研究;王家来等[4]利用简化后的屈服函数，对软化土体中的柱形应变、应力及变形进行分析研究;王成等[5]利用仿真模型建立一种空间耦合数值计算的模式，对由桩身混凝土的损伤而引起的桩体刚度降低等问题进行研究;叶万灵等[6]对工程中的试桩资料进行收集分析，提出非线性计算的方法。

但目前该桩基技术在桥梁工程的应用相对较少，对桥梁工程中PHC预制管桩在水平荷载作用下的承载特性等研究较少。为此，本文对单桩受荷的特性及PHC预制管桩中的桩径、桩长、桩壁壁厚及桩身的混凝土强度等特性进行了研究，以期为相关工程领域提供参考。

1 水平荷载作用下单桩的受荷特性

1.1 相关参数及公式

PHC预制管桩通常是用于承受竖向荷载较多的地方，而在桥梁工程中桩基不仅会受到竖向荷载的作用，还会受到水平荷载的作用，并且在水平荷载作用下的性状更为主要。因此，本文先对实际工程中PHC预制管桩的p-y曲线进行绘制并计算。关于本次计算的土层桩及土层信息参数，以及桩的弯矩计算公式如下页表1、表2和式（1）所示。

1.2 桩身的p-y[HTZDX]曲线分析

根据上述参数计算结果绘制桩身的p-y曲线，p-y曲线是在试桩时实测的土反力与变位的关系曲线，其能够反映土的应力与应变关系。本次工程中试桩的p-y曲线如图1所示。

从图1可以看出，在相同的桩身侧移下，桩的埋深越大，其对土的作用力越大，土对桩的反力越大。从曲线的变化情况可以看出，侧移越大p-y曲线越早出现线性关系，说明此时在桩身的下部可能已经处于弹性阶段，其承载力还会继续增大。

2 桩身的参数研究

桥梁工程的桩体在水平荷载的作用下，其桩身的参数性质及桩周土体性质对桩基的受力变形影响最大，因此本文对桩身的桩径、桩长及桩身混凝土强度及桩壁壁厚等参数进行研究，分析各个不同因素对PHC预制管桩水平受力特性的影响。本次桩所处的土层及所受的竖向荷载与表1、表2相同，在此基础上增加了240 kN的水平荷载。

2.1 桩径的影响分析

分别设置桩径为800 mm、600 mm和400 mm，并对其桩顶荷载的侧移曲线及p-y曲线进行分析。

2.1.1 桩顶荷载-侧移曲线分析

从图2中可以看出，在桩体受水平荷载作用下，随着水平荷载的不断增大，三个桩的桩顶侧移均在不断地增大。对三种桩径进行对比发现，在相同的水平荷载作用下，桩径越小桩顶的侧移就越大。

2.1.2 p-y曲线分析

从图3中可以看出，当桩体的埋深一定时，在相同的桩身侧移下，桩径越大，其对土的作用力越大，土对桩的反力越大。从曲线的变化情况可以看出，随着桩径的增大，土对桩的反力将逐渐增大。

2.2 桩长的影响分析

分别设置桩长为18 mm、15 mm和12 mm，并对其桩顶荷载的侧移曲线及p-y曲线进行分析。

2.2.1 桩顶荷载-侧移曲线分析

从圖4可以看出，在桩体受水平荷载作用下，随着水平荷载的不断增大，三个桩的桩顶侧移均不断增大。对三种桩长进行对比发现，在相同的水平荷载作用下，桩长越短桩顶的侧移就越大。

2.2.2 p-y曲线分析

从图5可以看出，当桩体的埋深一定时，在相同的桩身侧移下，桩体的长度越长，其对土的作用力越大，土对桩的反力越大。从曲线的变化情况也可以看出，随着桩长的增大，土对桩的反力将逐渐增大。

2.3 桩壁壁厚的影响分析

分别设置桩壁的壁厚为0.12 mm、0.1 mm和0.08 mm，并对其桩顶荷载的侧移曲线及p-y曲线进行分析。

2.3.1 桩顶荷载-侧移曲线分析

从图6可以看出，在桩体受水平荷载作用下，随着水平荷载的不断增大，三个桩的桩顶侧移均不断增大。对三种桩的壁厚进行对比发现，在相同的水平荷载作用下，壁厚越厚桩顶的侧移就越小。相比于桩长及桩径的影响，桩壁的壁厚对桩体在水平荷载作用下的影响比较小。

2.3.2 p-y曲线分析

从图7可以看出，当桩体的埋深一定时，在相同的桩身侧移下，桩壁越厚，其对土的作用力越大，土对桩的反力越大。从曲线的变化情况也可以看出，随着桩壁厚度的增大，土对桩的反力将逐渐增大。相比于桩长及桩径的影响，桩壁的壁厚对桩体在水平荷载作用下的影响比较小。

2.4 桩身混凝土强度的影响分析

分别设置桩身混凝土强度等级为C30、C40和C50，并对其桩顶荷载的侧移曲线及p-y曲线进行分析。

2.4.1 桩顶荷载-侧移曲线分析

从图8可以看出，在桩体受水平荷载作用下，随着水平荷载的不断增大，三个桩的桩顶侧移均不断增大。其中当混凝土强度等级为C30情况下，曲线变化得最为明显，说明此时的混凝土强度等级对桩体的侧移影响很大。对三种桩的桩身混凝土强度进行对比发现，在相同的水平荷载作用下，混凝土的强度等级越高时对桩顶的侧移就越小，对比桩长、桩径及桩壁壁厚发现，桩身的混凝土强度等级对其侧移影响最大。

2.4.2 p-y曲线分析

从图9可以看出，当桩体的埋深一定时，在相同的桩身侧移下，桩身的混凝土强度等级越高，其对土的作用力越大，土对桩的反力越大。从曲线的变化情况也可以看出，随着桩身的混凝土强度等级增大，土对桩的反力将逐渐增大。相比于桩长、桩径的影响及桩壁的壁厚对桩体在水平荷载作用下的影响，桩身混凝土的强度等级对其影响最大。

3 结语

由于目前对桥梁工程中PHC预制管桩在水平荷载作用下的承载特性等研究较少，本文通过对单桩受荷的特性及PHC预制管桩中的桩径、桩长、桩壁壁厚及桩身的混凝土强度等特性进行研究。研究结果表明，PHC预制管桩在受到水平荷载作用时，随着桩径的增大、桩长的增长、桩壁壁厚的加厚及桩身混凝土强度等级的提高，PHC预制管桩的侧移越小，并且发现桩身的混凝土强度等级对其影响最显著，而桩壁壁厚对其影响效果较小。本文仅对PHC预制管桩的部分特性进行研究，以期为相关工程领域提供参考。

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