水庫施工靜壓樁擠土效應數值模擬分析

時靜

（濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 250099）

水工建筑物的設計中，常遇到建筑物地基地質條件不好、豎向承載力和抗滑穩定不滿足要求的情況。采用樁基礎處理地基是解決這些問題的有效措施之一[1-5]。靜壓樁（靜壓式鋼筋混凝土預制樁）是樁基施工的一種方法，通過靜力壓樁利用自重和機架上的配重提供反力將預制樁壓入土中，具有對樁無破壞、施工無噪音、無振動、無沖擊力、無污染等優點，被廣泛應用于水利工程中。然而在實際中，采用靜壓樁法將樁貫入地基（尤其是飽和黏土地基）期間會對周圍地基土的應力狀態產生顯著影響，導致樁承載力會隨時間出現降低現象，因此研究靜壓樁法對土體應力的影響規律具有重要意義。

當前，學者主要采用現場試驗和數值模擬來研究這一問題[6-10]，由于現場試驗費用高昂，因此數值模擬方法成為熱點研究工具。通過文獻分析發現，多數模擬通常忽略了真實安裝階段，多數案例分析只是將樁或樁組直接放置在土中的預鉆孔中，該方法的明顯缺點是無法獲得樁安裝引起的土體應力變化規律。針對這一問題，采用數值分析和試驗結合的方法，驗證了所建立的模型可以很好預測樁基沉樁過程以及安裝結束后對土體應力的影響，探討了不同超固結比下沉樁過程對土體孔隙水壓力和應力的影響，結果可為水利樁基工程提供參考。

1 工程概況

本研究的水庫工程地處黃泛沖積平原，地勢自西北向東南傾斜，平均地面坡度為0.01%，南部屬剝蝕構造的低山殘丘，有兩大地形，即低山殘丘和黃泛平原。氣候屬暖溫帶半濕潤東亞季風大陸性氣候，夏熱冬冷、寒暑交替、四季分明，春旱多風，夏熱多雨，秋旱少雨，冬寒晴燥。降雨多集中在七八兩月，最大年降雨量1 118 mm，發生在1964年；最小年降雨量299.98 mm，發生在2002年。地基主要為第四系上更新統沖積層（alQ3）黏土，室內試驗測得干密度為1.38～1.81 g／cm3，孔隙比為0.486～0.971，壓縮系數為0.17～0.47，局部具中等壓縮性，飽和固結快剪強度值為15.2°～25.1°，自由膨脹率為42%～66%，具弱～中等膨脹性；抗剪強度值為18.1～48.1 kPa，標準貫入試驗錘擊數為10～13擊。

2 數值模型與計算參數

本次建立靜壓樁數值模型為二維軸對稱模型，建模時采用四節點軸對稱單元和孔隙單元，樁端采用錐形，錐角為60°。微型錐體貫入地基的網格示意，如圖1所示。

圖1 靜壓樁數值模型

在Abaqus中，樁基與地基接觸算法采用主從接觸屬性，并生成接觸力以防止節點穿透主曲面。打樁過程中樁土相互作用采用接觸運動學建模。兩個曲面之間的接觸條件由法線和切線方向上的運動學方程約束控制。當樁與土壤之間存在間隙時，接觸處的法向應力為零；當樁與土壤接觸時，接觸處生成切應力為正應力。樁土界面處的摩擦滑動利用庫侖摩擦接觸定律描述，界面處的最大剪應力與法向應力成正比。當剪應力小于最大值時，不會發生相對位移（滑動）；而當剪應力達到最大值時，樁基沿剪應力方向發生滑動。

為驗證靜壓樁模型的正確性和數值計算參數的準確性，在正常固結黏土試樣上進行了微型壓電錐貫入試驗，同時對數值模型進行相同貫入試驗，對比二者結果，進行參數反演。試驗分兩個階段進行：第一步先對現場地基土樣進行固結試驗，使其能夠達到原狀土的固結應力；之后以207 kPa的平均有效應力開始進行貫入試驗。數值模型中樁基安裝結束時壓電錐周圍的孔隙水壓力分布，如圖2所示。

圖2 樁基安裝結束時壓電錐周圍的孔隙水壓力分布

壓電錐尖端和錐側處的超靜孔隙水壓力分別為525 kPa和660 kPa，而試驗中的壓電錐貫入儀尖端和錐側的孔隙水壓力實測值分別為550 kPa和625 kPa，二者結果十分接近，因此認為本次所建立模型合理。此外，還對比分析了數值模擬與試驗中樁尖與樁側最大超靜孔隙水壓力隨時間的變化關系，如圖3所示。隨時間增長，樁尖與樁側超靜孔隙水壓力模擬數值在試驗值附近波動，但均在10%的誤差范圍內，且二者隨時間均呈減小趨勢，因此認為本次建立的數值模型合理，反演后的數值參數詳見表1。

圖3 樁基最大超靜孔隙水壓力隨時間的變化關系

表1 數值計算參數

3 不同超固結比下黏土應力變化

為研究不同超固結比（OCR）下樁基安裝期間和安裝之后對土壤應力狀態的影響，采用1、3、5和10 4種不同的OCR來進行數值分析。模型的計算參數和尺寸與之前保持一致。不同超固結比下，樁基超靜孔隙水壓力隨地基深度的變化規律如圖4所示；樁基安裝期間，地基土超靜孔隙水壓力隨時間變化規律如圖5所示。

圖4 樁基超靜孔隙水壓力隨地基深度的變化規律

圖5 地基土最大超靜孔隙水壓力隨時間的變化規律

樁基安裝結束后，在樁尖附近超靜孔隙水壓力急劇增加，而在樁尖以下顯著降低，甚至小于初始超靜孔隙水壓力。因此，在地基中任意一點，當樁尖端經過該點時，土體超靜孔隙水壓力會顯著增加，并在樁尖通過后迅速降低。此外，隨著OCR的增大，樁基安裝所導致的孔隙水壓力增量反而更小，這是因為超固結土在外加荷載小于其先期固結壓力時土層的壓縮很微小，外加荷載一旦超過先期固結壓力，土的變形將顯著增大。此外，由于受前期固結壓力的影響，超固結軟土的孔隙性較小，含水量一般低于軟土的含水量且透水性較差。因此，當受樁擠壓時，超固結比越大的土的超靜孔隙水壓力越小。

不同超固結比下，樁基安樁結束后地基土有效側壓力系數隨地基深度的變化趨勢如圖6所示，同時比較了90%超靜孔隙水壓力耗散所需時間。在OCR較大的地基土中安裝樁基，會導致有效側壓力系數增加。然而，由于超靜孔隙水壓力在徑向上的消散速度可能更快，因此與垂直有效應力相比，徑向有效應力之間的差異更為顯著。此外，在飽和黏土中打入的預制樁會引起地基土孔隙水壓力增大，之后隨著樁基安裝穩定，超靜孔隙水壓力會逐漸消散，地基土再次加固，此時會引起樁基沉降，對水工建筑結構產生較大威脅。同時，隨著黏性土壤的OCR增加，打樁后的固結過程中有效徑向應力和垂直應力的增加更為顯著，即在OCR較高的土壤出現所謂的土壤沉降現象后可能導致更高的軸阻力。

圖6 地基土有效側壓力系數隨地基深度的變化趨勢

4 結論

本文采用數值分析和試驗結合的方法，驗證了所建立的模型可以很好預測樁基沉樁過程以及安裝結束后對土體應力的影響，為其他水利工程在分析類似問題時提供了較好參考。根據數值結果還發現，沉樁過程中樁尖附近超靜孔隙水壓力會急劇增加，而在樁尖以下顯著降低，甚至小于初始超靜孔隙水壓力，這一現象會引起樁基發生二次沉降，對水工建筑結構產生較大威脅。通過后期研究得出，隨著黏土的超固結比增大，打樁過程中樁尖與樁尖周圍的超靜孔隙水壓力差異會減小，建議采用先固結后沉樁的施工順序，能夠提高樁基承載力。