樁尖角對PHC管樁沉樁擠土位移影響的有限元分析

陳超群，陳恒 （益陽市水利水電勘測設計研究院有限公司，湖南 益陽 413000）

0 引言

近年來，隨著PHC管樁在工程實踐中的廣泛應用，其產生的工程問題也卻來越多。其中，PHC管樁在沉樁貫入中會產生一定的擠土效應，造成樁身斷裂、鄰樁上拔、滿足不了承載力要求等一系列工程問題。目前國內外學者對于PHC管樁擠土效應的影響研究主要聚焦在結合工程實例的現場及室內試驗研究上，通過數值軟件模擬計算管樁沉樁貫入過程中產生擠土效應研究較少，且主要集中在管樁的沉樁手段、管樁樁身等參數的影響上，對于改變樁尖角對沉樁貫入過程中的擠土效應研究甚少。故需分析不同樁尖角對擠土效應的影響，為PHC管樁的設計、施工提供參考。本文基于某長江大橋管樁基礎工程項目，利用ABAQUS有限元軟件，進行PHC管樁沉樁貫入模擬，分析了改變樁尖角對沉樁貫入過程中擠土位移場的分布規律。

1 沉樁模型參數選取及建立

1.1 計算參數的選取

本文基于某長江大橋管樁基礎工程項目，通過室內試驗獲取土層基本物理力學參數，換算整理后具體模型計算參數如表1所示，其中黏土層采用修正劍橋模型，砂土層采用摩爾庫倫模型，樁身采用彈性模型。該模型中需定義的初始條件為初始應力和初始孔隙比，孔隙比e可由其他土工試驗參數計算求得，本模型中初始孔隙比取值0.6～1，隨著貫入深度的增加而呈線性減小。

表1 材料參數表

1.2 模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件模擬樁尖角對沉樁擠土位移的影響，建立樁身模型，樁身與土體網格劃分如圖1所示，為了便于計算，沉樁過程中，不考慮土塞效應，并將樁體模型簡化為軸對稱問題進行求解。

圖1 樁身與土體網格劃分圖（部分）

樁身采用CAX4網格類型，考慮到滲流作用，土層采用CAX4P網格類型。水平向對計算結果影響很小，為了提高運算效率，水平向網格采用漸進稀疏式劃分。具體計算步驟如下：在geo分析步對土體施加-10kN的體力來模擬有效應力。在pen分析步對樁身施加-10kN的體力；固定樁身軸線方向，約束其水平向位移，對樁頂施加位移-35m，模擬沉樁過程。下文中的樁尖與樁體連接處稱為“d”點。

2 樁尖角對沉樁貫入擠土位移影響分析

設置了樁尖角大小分別為40°、50°、70°、90°的四組樁土模型來模擬計算當改變樁尖角時，沉樁貫入過程中擠土位移的變化情況。通過具體分析樁尖角大小為40°時的擠土位移規律來分析沉樁貫入過程擠土位移的普遍規律，并對比分析了不同樁尖角大小下的擠土位移分布規律。

2.1 α=40°

圖2為樁尖角為40°時沉樁徑向擠土位移矢量圖。由圖2可知，沉樁貫入時產生的擠土位移主要存在于樁頂、樁身和樁端處。其中，樁頂的土體會發生疏離樁體且方向為斜向上的位移，樁身會發生疏離樁體且方向為斜向下的位移，樁端會發生疏離樁端且方向為垂直于樁端面向下的位移，樁尖處土體發生豎直向下的位移。

圖2 樁尖角40°徑向擠土位移矢量圖

2.1.1 徑向位移

圖3為樁尖角40°時樁端徑向擠土位移云圖。由圖3可知，徑向擠土位移最大處為“d”點處，位移大小為30.6cm。圖4為兩種土層徑向位移對比圖，由圖4可知，砂土的徑向擠土位移總體較黏土大，且兩種土層的徑向擠土位移隨著土體距離樁的距離的增大而減小，距離達到1m后減小的趨勢逐漸減弱，最后位移趨于0。圖5為不同貫入深度的徑向擠土位移對比圖，由圖5可知，徑向擠土的影響深度主要集中在3m內，且越靠近樁身擠土位移越大，超過3m后，位移減小，6m后土體基本沒有位移。

圖3 樁尖角40°樁端徑向位移云圖

圖4 兩種土層徑向擠土位移對比圖

圖5 不同貫入深度徑向擠土位移對比圖

2.1.2 豎向位移

圖6為豎向擠土位移云圖。由圖6可知，豎向擠土位移最大處為樁頂端地表處，為2.16cm，樁頂土體受沉樁擠土效應影響向上隆起，其主要是由于沉樁過程中土體受剪切作用導致土體破壞，土體受力膨脹后向上隆起。樁身附近土體則向下運動，內部土體由于隨著深度的增大，應力增大且樁土摩阻力增大導致欲向上運動的土體收到地質應力及摩阻力的約束作用而向下運動，最終發生沉降。

圖6 豎向擠土位移云圖

圖7為不同距離樁軸線距離豎向擠土位移對比圖，由圖7可知，在距樁身軸線3m范圍內的土體，隨著深度的增加，擠土位移越小，距樁身軸線3m范圍外的土體，擠土位移幾乎為0。圖8為不同貫入深度豎向擠土位移對比圖，由圖8可知，靠近地表的粘土層處的土體在沉樁貫入時，土體主要向上運動，下部粘土層及砂土層處的土體則表現為向下運動的形式。豎向擠土主要發生在距樁身軸線3m的區域，最大豎向擠土位移出現在“d”點。

圖7 不同距離樁軸線距離豎向擠土位移對比圖

圖8 不同貫入深度豎向擠土位移對比圖

2.2 不同樁尖角對擠土位移的影響

圖9為不同樁尖角的徑向擠土位移云圖，由圖9可知，沉樁貫入過程中土體的徑向擠土位移幾乎不受樁尖角大小的影響；四組樁尖角下的擠土位移最大值均出現在“d”點，且與樁尖角的大小呈正相關。圖10為不同樁尖角樁頂豎向擠土位移云圖，由圖10可知，沉樁貫入土體時，樁頂表層土體會受剪切擠壓向上隆起，隨著樁尖角的增大，土體向上隆起的高度越低。圖11為不同樁尖角樁頂擠土豎向位移與沉樁深度關系對比圖，由圖11可知，樁尖角增大，樁頂擠土位移越小，土體隆起高度越低，沉樁貫入達到3m深后，四組樁尖角下的樁頂地表處土體不再隆起，達到穩定狀態。

圖9 不同樁尖角的徑向擠土位移云圖

圖10 不同樁尖角樁頂豎向擠土位移云圖

圖11 不同樁尖角樁頂擠土豎向位移與沉樁深度關系對比圖

3 結論

本文利用ABAQUS有限元軟件，進行PHC管樁沉樁貫入模擬，分析了樁尖角對沉樁貫入過程中擠土位移場的分布影響，并通過改變樁尖角大小對比分析了不同樁尖角對PHC管樁沉樁擠土位移的影響規律。由上述研究可得出以下結論：

①徑向擠土位移最大處為“d”點處，位移大小為30.6cm。砂土的徑向擠土位移總體較黏土大，且兩種土層的徑向擠土位移隨著土體距離樁的距離的增大而減小，距離達到1m后減小的趨勢逐漸減弱，最后位移趨于0，徑向擠土的影響深度主要集中在3m內，且越靠近樁身擠土位移越大，超過3m后，位移減小，6m后土體基本沒有位移；

②豎向擠土位移最大處為樁頂端地表處，位移大小為2.16cm，樁頂土體受沉樁擠土效應影響向上隆起，樁身附近土體則向下運動，距樁身軸線3m范圍內的土體，隨著深度的增加，擠土位移越小，距樁身軸線3m范圍外的土體，擠土位移幾乎為0，靠近地表的粘土層處的土體在沉樁貫入時，土體主要向上運動，下部粘土層及砂土層處的土體則表現為向下運動的形式。豎向擠土主要發生在距樁身軸線3m的區域，最大豎向擠土位移出現在“d”點；

③沉樁貫入過程中土體的徑向擠土位移幾乎不受樁尖角大小的影響，四組樁尖角下的擠土位移最大值均出現在“d”點，且與樁尖角的大小呈正相關。沉樁貫入土體時，樁頂表層土體會受剪切擠壓向上隆起，隨著樁尖角的增大，土體向上隆起的高度越低。樁尖角增大，樁頂擠土位移越小，土體隆起高度越低，沉樁貫入達到3m深后，四組樁尖角下的樁頂地表出土體不再隆起，達到穩定狀態。