不同樁尖角對PHC管樁沉樁擠土應力場的影響

柳玉林

（安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著我國建設工程的高速發展，越來越多的建筑物拔地而起，PHC管樁憑借其單樁承載力高、應用范圍廣、沉樁質量可靠、造價低等優點，在工程建設中得到了廣泛推廣。但是隨之而來的是一系列工程問題，其中PHC管樁在沉樁過程中會產生一定的擠土效應，引起樁周土體的水平位移以及產生較高的超孔隙水壓力，導致斷樁和承載力不足等工程問題[1～3]。目前，國內外學者對于PHC管樁的研究主要集中在現場測試及室內試驗的研究上，而這些試驗很難研究出沉樁貫入過程中產生的問題，例如沉樁的擠土效應[4～5]。一些學者研究表明，樁尖角對沉樁過程中產生的擠土效應有著顯著影響[6]，而目前國內外對此研究甚少。因此，亟需開展樁尖角對沉樁擠土效應的影響研究，為PHC管樁的設計、施工提供參考。本文基于蕪湖長江二橋PHC管樁基礎工程項目，通過ABAQUS有限元數值軟件，對PHC管樁沉樁過程進行模擬，研究了不同樁尖角對PHC管樁沉樁過程中的擠土應力場的影響，最后結合計算結果對無樁尖角下的沉樁擠土應力場進行預測。

2 沉樁模型參數選取及建立

2.1 計算參數的選取

本文選取了蕪湖長江二橋PHC管樁基礎工程K35點作為數值模擬對象。現場靜力觸探結果如表1所示。

K32靜力觸探試驗結果 表1

結合現場靜力觸探結果，本次計算模型土層共分為兩層，第一層為粉質黏土層，第二層為細砂層。通過現場取樣，進行室內土工試驗獲取兩層的基本物理力學參數，換算后的模型計算參數如表2所示，其中粉質黏土層采用修正劍橋模型，細砂層采用Mohr-Coulomb模型，PHC管樁采用彈性模型。本模型中初始孔隙比隨著沉樁深度的增加而線性減小，取值0.8～1。

2.2 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件模擬不同樁尖角對沉樁擠土應力場的影響，為了方便計算，現做以下簡化。

①由于細砂層較厚，沉樁貫入中極易產生閉塞，因此本次計算不考慮土塞效應。

②由于有限元軟件在網格劃分時，要求網格連續且不能有較大的變形，否則會導致計算不收斂，因此在本次建模中無法建立無樁尖角，即樁尖角180°平角時的模型，而由楔形體理論可知，平頭樁在沉樁擠土中產生的破壞形式與帶樁尖的樁體類似[7]。故本文中通過模擬不同樁尖角情況下的擠土效應來推測無樁尖（樁尖角等于180°）時的擠土應力場規律。

③本算例中的模型簡化為軸對稱問題進行計算[8]。沉樁過程中通過指定由樁頂向下的位移條件進行求解。

④邊界條件中，對土體施加一個y方向，大小為-10kN垂直荷載。

⑤樁身采用CAX4網格類型，由于有滲流作用的影響，土層采用CAX4P網格類型[9]。本次計算中，對結果產生影響的僅垂直向，水平向的影響可忽略不計，因此為了提高計算機求解效率，水平向網格采用漸進稀疏式劃分。

建立樁土模型，如圖1所示。

圖1 樁土模型圖

3 不同樁尖角對沉樁擠土應力場的影響

本文分別設置了樁尖角為30°、60°和90°三組不同樁尖角的計算模型，并根據這三組模型的計算結果來推測無樁尖角，即樁尖角為180°平角時的擠土應力場。

材料計算參數表 表2

3.1 三組樁尖角管樁擠土應力場分析

不同樁尖角下沉樁擠土應力如圖2、圖3、圖4所示。由圖2、圖3可知，樁尖角對沉樁過程中總體應力的分布影響較小，主要對樁尖局部小范圍內的應力分布產生影響。隨著樁尖角的增大，樁尖下方徑向范圍內產生的負壓區域隨著樁尖角的增大而呈現減小的趨勢。由圖4可知，隨著樁尖角的增大，剪應力呈“x”型分布，其下翼為剪應力為正值的區域，其范圍隨著樁尖角的增大而不斷擴大，數值上隨著樁間角的增大而呈現減小的趨勢。其上翼為剪應力為負值的區域，其范圍隨著樁間角的增大而呈現減小的趨勢，數值上隨著樁間角的增大而增大。可推測隨著樁尖角的增大，最終剪應力為負值的區域（上翼）會緊貼樁側，剪應力為正值的區域（下翼）會消失。

圖4 不同樁尖角下的擠土剪應力云圖（局部）

3.2 無樁尖角管樁擠土應力場分析

由以上分析可得出無樁尖角（樁尖角為180°）下的沉樁擠土應力場的分布規律，推斷的擠土應力場如圖5所示。

圖5 無樁尖角（樁尖角180°）沉樁應力推測圖

由圖5可知，無樁尖角時沉樁引起的s11、s22、s33、s12應力的影響范圍，均處在距離樁心10d的區域內。沉樁引起樁端拐角處產生應力集中，在鄰近區域形成一個梨形影響區，s11和s33沿樁側分布的應力顯著增大。s22表現為在樁端下方的土體由于受到壓縮而增大，在樁端附近的樁側土體由于受到拉應力產生卸載作用而減小。剪應力同樣呈“x”型分布，上翼的剪應力為負值，下翼剪應力為正值。

4 結論

本文以蕪湖長江二橋管樁基礎工程項目南岸k35點為研究基礎，通過ABAQUS有限元數值軟件，對PHC管樁沉樁過程進行模擬，研究了不同樁尖角對PHC管樁沉樁過程中的擠土應力場的影響，最后結合計算結果對無樁尖角（樁尖角=180°）時的沉樁擠土應力場進行預測。主要結論如下。

①樁尖角對總體應力的分布基本無影響，僅在樁尖局部區域產生了小范圍的影響。隨著樁尖角的增大，樁尖下方負壓范圍呈現減小的趨勢。剪應力呈“x”型分布，區域下翼的剪應力為正值，范圍增大，數值減小；而上翼的剪應力為負值，范圍減小，數值增大。

②由三組樁尖角計算結果可推測，無樁尖角（樁尖角180°）時沉樁擠土應力場，推測可知s11、s22、s33、s12的影響范圍都集中在距離樁心10d范圍內。沉樁造成樁端的拐角處產生應力集中，s11和s33沿樁側分布的應力顯著增大；s22在樁端下方由于受到壓縮而增大，樁端附近的樁側土體由于受到拉應力產生的卸載作用而減小；剪應力同樣呈“x”型分布，上翼的剪應力為負值，下翼剪應力為正值。