打樁施工過程擠土壓力建模分析

趙康

（上海浦東路橋（集團）有限公司，上海 200092）

地鐵、建筑物等周邊的樁基施工會引起樁周土體的應(yīng)力變化，嚴重時會影響地鐵和建筑物的安全。Vesic等通過小孔擴張理論[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，通過軟件建模并分析模擬結(jié)果，可以更好地應(yīng)用到實際工程中。

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電電纜溝。為保護電纜溝，需在上方新建一座跨徑8米，斜交1.7°的蓋板涵。因承臺不允許承受載荷，而蓋板涵與P0182橋墩承臺存在水平交叉（2m）。因此，需要在承臺左右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，承載強電電纜蓋板涵上方載荷。

2 鋼板樁插打過程建模

2.1 幾何模型

磁懸浮P0182橋墩承臺幾何尺寸為長14m，寬10m，高1.5 m，承臺頂面與地面距離為1.4 m。工字鋼插打位置為寬度方向距離承臺3m處。工字鋼鋼板樁尺寸為長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。由于承臺左右對稱，模型以承臺寬度中心線為對稱軸，研究一半的受力情況即可。

圖1 承臺與蓋板涵位置圖

COMSOL MultiphysicsR是一款功能強大的多物理場仿真軟件，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、基坑開挖等過程穩(wěn)定性研究。本模型整個模擬過程利用COMSOL軟件完成。模型尺寸為：土層高度4m，寬度為打樁點左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，打樁機為市面常用的小型挖土機改裝的打樁機；（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告和實際情況決定；（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產(chǎn)生擠土應(yīng)力的大小和分布情況，分別計算鋼板樁打入1m、2m和3m時水平方向的應(yīng)力分布，同時計算承臺高度方向的應(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 承臺截面應(yīng)力分布曲線和徑向應(yīng)力分布曲線

3 打樁對承臺擾動應(yīng)力分析

由承臺截面應(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。傳遞到承臺截面的應(yīng)力也相應(yīng)增大，同時承臺深度增加應(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（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數(shù)遞減形式。打樁中心到距離打樁點3m范圍內(nèi)徑向應(yīng)力快速衰減，距離打樁點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達到最大值。

4.2 土體徑向應(yīng)力分布規(guī)律在個深度基本一致，呈對數(shù)下降趨勢。同時在水平距離達到3-5m左右時開始趨于穩(wěn)定。

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