打樁施工過(guò)程擠土壓力建模分析

趙康

（上海浦東路橋（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

地鐵、建筑物等周邊的樁基施工會(huì)引起樁周土體的應(yīng)力變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響地鐵和建筑物的安全。Vesic等通過(guò)小孔擴(kuò)張理論[1-3]推導(dǎo)了飽和土體樁周彈性區(qū)、塑性區(qū)的應(yīng)力變化和位移，Casagrande則指出重塑區(qū)和受壓縮影響較大區(qū)域與樁徑的關(guān)系。文章在相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件建模并分析模擬結(jié)果，可以更好地應(yīng)用到實(shí)際工程中。

1 概述

上海市浦東新區(qū)中科路（羅山路輔路-集慧路）新建工程跨越磁懸浮強(qiáng)電電纜溝。為保護(hù)電纜溝，需在上方新建一座跨徑8米，斜交1.7°的蓋板涵。因承臺(tái)不允許承受載荷，而蓋板涵與P0182橋墩承臺(tái)存在水平交叉（2m）。因此，需要在承臺(tái)左右3m處各插打8根H300*300型工字鋼作為立柱支承，形成架空支坐，承載強(qiáng)電電纜蓋板涵上方載荷。

2 鋼板樁插打過(guò)程建模

2.1 幾何模型

磁懸浮P0182橋墩承臺(tái)幾何尺寸為長(zhǎng)14m，寬10m，高1.5 m，承臺(tái)頂面與地面距離為1.4 m。工字鋼插打位置為寬度方向距離承臺(tái)3m處。工字鋼鋼板樁尺寸為長(zhǎng)3m，寬0.3 m，厚15mm。左右插打各八根，間距0.5 m，保證足夠的承載寬度。由于承臺(tái)左右對(duì)稱，模型以承臺(tái)寬度中心線為對(duì)稱軸，研究一半的受力情況即可。

圖1 承臺(tái)與蓋板涵位置圖

COMSOL MultiphysicsR是一款功能強(qiáng)大的多物理場(chǎng)仿真軟件，其“巖土力學(xué)模塊”是結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊的附加模塊，其包含的內(nèi)置材料模型可用于模擬土壤、混凝土和巖石中的變形、塑性、蠕變及破壞。可用于隧道、基坑開(kāi)挖等過(guò)程穩(wěn)定性研究。本模型整個(gè)模擬過(guò)程利用COMSOL軟件完成。模型尺寸為：土層高度4m，寬度為打樁點(diǎn)左4m，右8m。

2.2 物理模型

采用的土體模型[4]及受力方法為：（1）不考慮樁周土體固結(jié)，采用總應(yīng)力法分析，打樁機(jī)為市面常用的小型挖土機(jī)改裝的打樁機(jī)；（2）土體采用Mohr-Coulomb模型；（3）土壤力學(xué)特性根據(jù)中科路（羅山路輔道～集慧路）新建工程巖土工程勘察報(bào)告和實(shí)際情況決定；（4）工字型鋼板樁近似為半徑為0.2 m的圓柱進(jìn)行打樁分析。

土體參數(shù)為：壓縮模量E=5.07 MPa；泊松比μ=0.3 ；內(nèi)聚力c=21kPa；內(nèi)摩擦角φ=18°；重度γ=18.6 kN·m-3；密度ρ=1.91 kg·m-3；貫入總力F=350kN。

2.3 方法步驟

為充分了解鋼板樁打入土體時(shí)產(chǎn)生擠土應(yīng)力的大小和分布情況，分別計(jì)算鋼板樁打入1m、2m和3m時(shí)水平方向的應(yīng)力分布，同時(shí)計(jì)算承臺(tái)高度方向的應(yīng)力分布，給出相應(yīng)的應(yīng)力分布云圖（圖2）和應(yīng)力分布曲線（圖3）。

圖2 應(yīng)力分布云圖（z=1/2/3m）

圖3 承臺(tái)截面應(yīng)力分布曲線和徑向應(yīng)力分布曲線

3 打樁對(duì)承臺(tái)擾動(dòng)應(yīng)力分析

由承臺(tái)截面應(yīng)力分布曲線圖可知，隨著鋼板樁的貫入深度的增加，擠土應(yīng)力隨之增大。傳遞到承臺(tái)截面的應(yīng)力也相應(yīng)增大，同時(shí)承臺(tái)深度增加應(yīng)力呈遞增形式，最大值出現(xiàn)在鋼板樁完全打入土體內(nèi)部時(shí)（z=3）。最大擠土壓力大小在16kPa左右。

由徑向應(yīng)力分布曲線圖分析得出，徑向應(yīng)力隨樁的貫入深度增加而增大，同一深度徑向應(yīng)力隨著水平距離的增加呈對(duì)數(shù)遞減形式。打樁中心到距離打樁點(diǎn)3m范圍內(nèi)徑向應(yīng)力快速衰減，距離打樁點(diǎn)3m外的應(yīng)力基本保持不變。

4 結(jié)論

4.1 擠土應(yīng)力隨鋼板樁樁身的貫入深度增加而增大，在樁身全部打入土體時(shí)達(dá)到最大值。

4.2 土體徑向應(yīng)力分布規(guī)律在個(gè)深度基本一致，呈對(duì)數(shù)下降趨勢(shì)。同時(shí)在水平距離達(dá)到3-5m左右時(shí)開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

4.3 承臺(tái)截面應(yīng)力隨土體深度的增加，壓力承遞增趨勢(shì)最大值為16kPa左右。為保證打樁過(guò)程磁懸浮承臺(tái)安全，可選擇在距離承臺(tái)3米以外進(jìn)行打樁施工。