樁端楔形體對沉樁引起的有效應力和超孔壓的數值計算

李百迎

（安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著預應力管樁在我國深基礎等重大工程建設中的廣泛應用，同時暴露出了越來越多的工程問題。如產生一系列土塞效應、擠土效應等，導致斷樁、樁承載力不足等工程問題[1～3]。目前國內外相關學者對沉樁的土塞效應研究較多，而對擠土效應研究較少，且多集中在樁土參數和現場測試上[4～8]。相關研究表明錘擊法預應力管樁的樁端楔形體對沉樁貫入中所產生的擠土效應具有一定影響，但國內外對樁端楔形體引起的擠土效應研究少之又少，故需分析樁端楔形體對沉樁貫入過程中擠土效應的影響，為預應力管樁的設計、施工提供參考。本文依托于某長江二橋管樁基礎工程項目，利用ABAQUS有限元數值模擬軟件，計算了錘擊法預應力管樁的樁端楔形體對沉樁貫入過程中引起的有效應力場和超孔壓的影響。

2 工程概況和參數選取

2.1 工程概況

本文以某長江公路二橋工程為研究對象，該橋梁的起訖樁號為K20+558～K31+860，橋梁跨徑為31m×40m，跨道路、池塘及河渠。大橋的側視圖及樁位的立面、側面示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 大橋側視圖

圖2 樁位立面、側面示意圖

2.2 計算參數的選取

本文選取了某長江二橋預應力管樁基礎工程的K32點作為數值模擬對象。該點的靜力觸探結果如表1所示。

K32靜力觸探試驗結果 表1

本算例中計算土層分為兩層，第一層為淤泥質粉質黏土層，第二層由粉砂、粉細砂和細砂組成，本算例中合并為砂土層，通過室內巖土試驗獲取土層基本物理力學參數，計算參數如表2所示，其中淤泥質粉質黏土層選取修正劍橋模型，砂土層選取摩爾-庫倫模型，預應力管樁采用彈性模型。

材料參數表 表2

2.3 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件模擬樁端楔形體對沉樁引起的有效應力場和超孔壓的影響，為了便于計算，模型關鍵設置如下：

①本案例中，樁端楔形體角度為30°，故本次計算僅考慮樁端楔形體角度α=30°的情況；

②砂土層由三層合并而成，該層較厚，易產生土塞效應，本次計算不考慮沉樁產生的土塞效應，并將樁體模型簡化為軸對稱進行求解；

③網格劃分中主要對豎直向進行細分，水平向由于在本次計算中影響較小，為了提高計算速度，水平向采用遠離樁體漸進稀疏式的方法進行網格劃分。

樁身與土體網格劃分如圖3所示。

圖3 樁身與土體網格劃分圖（部分）

3 有效應力場與超孔壓計算結果

3.1 三向有效應力

樁端楔形體角度α=30°時沉樁引起的三向有效應力分布如圖4所示。

圖4 三向有效應力云圖

由圖4可知，沉樁過程造成了管樁附近較大區域內的土體產生了應力變化。徑向有效應力的影響范圍大約為10d，表現出“上凸”的變化規律，這是由管樁周圍土體在沉樁過程中徑向受壓造成的。豎向有效應力的影響范圍大約為5d～7d，表現出“下凹”的變化規律，這是由于樁端楔形體經過相應的土體后，該處的豎向應力處于卸載狀態，但是總體依然受壓。環向有效應力的影響范圍約為2d ～3d，表現出靠近樁周“上凸”，遠離樁周“下凹”的規律，這是由沉樁過程引起的環向受拉和產生的超孔壓共同作用造成的。

在數值上，最大徑向有效應力出現在樁身與樁端楔形體連接處，大小為-409.79kPa，比 初 始 應 力 增 大 了289.34kPa；樁身與樁端楔形體連接處的豎向有效應力減小至-97.58kPa，比初始應力減小了182.54kPa；樁端楔形體處環向有效應力減小了39.78kPa，與徑向、豎向有效應力相比變化最小。

3.2 剪應力和mises應力

樁端楔形體角度α=30°時，沉樁引起的剪應力和mises應力分布如圖5所示。

圖5 剪應力與mises應力

由圖5可知，沉樁引起的剪應力呈“X”型分布。樁端附近土體剪應力為正值，影響范圍約10d，在數值上最大可達105.3kPa，樁端上側土體剪應力為負值，影響范圍為3d左右，在數值上最大值可達-157.7kPa。在樁端楔形體與樁身連接處產生明顯大于周圍土體的mises應力，數值上最大為342.14kPa，表現為該點最易產生塑性破壞。

3.3 超孔壓

樁端楔形體角度α=30°時，沉樁引起的超孔壓分布如圖6所示。由圖6可知，超孔壓的分布范圍達到樁端楔形體以上約1/3樁長處，徑向影響范圍10d左右。由于管樁的貫入，土體的孔壓明顯增大，最大值出現在樁端楔形體處，達到909.9kPa。由沉樁引起的超孔壓，使樁端楔形體附近土體環向有效應力減小，在距樁約1d處甚至出現了正的環向有效應力，這是由于部分土體由于孔壓過大，環向上從受壓轉變為受拉，形成了類似“砂土液化”的現象。

圖6 超孔壓分布云圖

沉樁長度與超孔壓關系、超孔壓分布與深度和水平距離關系分別如圖7和圖8所示。由圖7可知，在數值上，最大超孔壓隨著沉樁長度的增加而呈現出線性增大的趨勢。圖8可知，在豎直方向上，在樁體范圍內超孔壓沿著深度的增加而呈現增大的趨勢，在樁身和樁端楔形體連接處達到最大。在樁端以下，隨著距樁端距離的增大而迅速減小，在距離樁端約5d外的超孔壓大小幾乎為0，可知超孔壓對樁端下土體影響范圍在5d左右。

圖7 沉樁長度與最大超孔壓關系圖

圖8 不同深度超孔壓與水平距離關系圖

4 結語

本文依托于某長江二橋南岸k32點為研究對象，使用ABAQUS有限元分析軟件計算了樁端楔形體對沉樁過程中擠土引起的有效應力場和超孔壓的影響。結論如下：

①沉樁引起了樁附近較大范圍土體的應力變化。徑向有效應力的影響范圍大致為10d，豎向有效應力的影響范圍約為5d～7d，環向有效應力的影響范圍約為2d～3d。徑向有效應力的變化表現出“上凸”的規律；豎向有效應力表現出“下凹”的規律；環向有效應力表現出靠近樁周附近“上凸”，遠離樁周附近“下凹”的趨勢。在數值上，最大徑向有效應力出現在樁身與樁端楔形體連接處，樁身與樁端楔形體連接處豎向有效應力和環向有效應力均減小。

②沉樁引起的剪應力大致呈“X”型分布。樁端附近土體剪應力為正值，影響范圍約10d，數值上最大可達105.3kPa，樁端上側土體剪應力為負值，影響范圍為3d作用，最大值為-157.7kPa。在樁端楔形體與樁身連接處產生明顯大于周圍土體的mises應力，最大值達342.14kPa，該點最容易發生塑性破壞。

③超孔壓分布于樁端楔形體以上1/3樁長區域，徑向影響范圍大致為10d，對樁端下土體影響范圍在5d左右。由于管樁的貫入，土體的孔壓明顯增大，最大超孔壓隨著沉樁長度的增大而線性增大，最大值出現在樁端楔形體處，最大值為909.9kPa。由沉樁引起的超孔壓，使樁端楔形體附近土體環向有效應力減小，這是由于部分土體由于孔壓過大，環向上從受壓轉變為受拉，形成了類似“砂土液化”的現象。