密排支護(hù)樁擠土效應(yīng)研究

徐美娟， 郭玉君， 黃廣龍

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 211188) (2.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院, 江蘇 南京 210041) (3.南京工業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南京 210009)

近年來,預(yù)制樁以其質(zhì)量可靠、價(jià)格低、施工工效高以及無泥漿、無噪音污染等優(yōu)點(diǎn),在基坑支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用．但預(yù)制樁沉樁的擠土效應(yīng)對周邊環(huán)境的影響不容忽視[1],尤其是在基坑支護(hù)中采用線形密排沉樁的情況下,擠土效應(yīng)不同于常規(guī)工程樁沉樁．在目前對建筑工程環(huán)境要求日益提高的形勢下,開展預(yù)制支護(hù)樁施工擠土效應(yīng)問題研究具有現(xiàn)實(shí)意義．目前預(yù)制樁的擠土效應(yīng)研究多局限于單樁,工程界與學(xué)術(shù)界對沉樁擠土的危害非常關(guān)注,常用的理論研究方法有圓孔擴(kuò)張法[2]、應(yīng)變路徑法[3]和數(shù)值模擬法[4-5]．經(jīng)典圓孔擴(kuò)張法與應(yīng)變路徑法是假設(shè)在一定的條件下,給出單樁擠土效應(yīng)的解析解,但土體的大變形、樁土界面摩擦接觸問題難以模擬,因此所得結(jié)果和實(shí)際有較大的差異．有限單元法能夠考慮到土體的本構(gòu)關(guān)系、大變形等因素的影響,能夠模擬動(dòng)態(tài)壓樁過程．對群樁擠土效應(yīng)的研究成果主要集中在工程樁施工方面,對于基坑工程中密排支護(hù)群樁施工擠土效應(yīng)的研究卻為空白.文中采用ABAQUS三維模擬密排支護(hù)樁的擠土效應(yīng),分析樁周土體擠土應(yīng)力與應(yīng)變、水平位移與豎直位移的變化規(guī)律,以科學(xué)預(yù)測支護(hù)群樁擠土效應(yīng)對周邊環(huán)境的影響．

1 有限元計(jì)算模型

1.1 基本假定

采用總應(yīng)力法分析計(jì)算;不考慮土為排水,采用勘察報(bào)告中土體固結(jié)快剪參數(shù);本構(gòu)模型采用線性Drucker-Prager模型,土體屈服面采用米賽斯模型;流動(dòng)法則采用相關(guān)聯(lián)的法則．

1.2 樁土參數(shù)

密排樁施工壓樁過程十分復(fù)雜,施工順序、壓樁間隔、樁間距、已入樁的遮簾效應(yīng)[6]等因素均對擠土位移都有一定的影響．考慮土體彈塑性本構(gòu)模型、非線性大變形問題及樁土界面的相互作用,建

立切合工程實(shí)際情況的有限元計(jì)算模型,將密排樁用等剛度(剛度=彈性模量×慣性矩)代換成一定厚度的地下連續(xù)墻來模擬,具體代換如圖1.

圖1 密排樁等效矩形樁墻示意圖(單位：mm)

土體計(jì)算參數(shù)見表1.

表1 土層參數(shù)取值

考慮幾何非線性和材料非線性,采用四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元,非協(xié)調(diào)模式[7],取較大的土體范圍來模擬半空間無限土體．在密排樁實(shí)際施工中,主要關(guān)注施工后對樁左右兩側(cè)一定距離處產(chǎn)生的土體水平和豎向位移;由于用于支護(hù)的預(yù)制樁間距很小,故忽略密排樁軸線上的樁間土對排樁軸線外側(cè)土體位移作用,樁的貫入仍采用位移貫入法,通過在樁頂施加位移來實(shí)現(xiàn)壓樁,按照一定速率來控制壓樁情況,與實(shí)際壓樁過程較為符合,計(jì)算時(shí)間短,能滿足實(shí)際工程的需要．

采用ABAQUS/Explicit中ALE自適應(yīng)拉格朗日-歐拉法技術(shù)網(wǎng)格劃分法,可以用來處理網(wǎng)格高度扭曲的問題．土體單元網(wǎng)格劃分如圖2,采用Analytical Rigid材料模擬樁體單元,樁徑為0.5 m,樁長為15 m,為易于觀察樁土位置,選取模擬樁墻壓入12 m時(shí)的擠土情況．為減小三維模擬的計(jì)算時(shí)間,采用軸對稱分析,墻體厚度為等效矩形厚度的一半即h/2=0.187 m,墻體長10 m,相當(dāng)于15根Φ500@700的預(yù)制樁,土體單元尺寸為25 m×10 m×25 m．

樁體—土界面采用面—面摩擦接觸單元,接觸面的摩擦類型為Tangent正切摩擦接觸和Normal Behaviour接觸面法向特征,如圖3．

圖2 土體三維有限元網(wǎng)格劃分

圖3 密排樁和土體接觸面約束

2 密排樁擠土效應(yīng)分析

2.1 樁周土體擠土應(yīng)力、應(yīng)變分析

圖4分別給出了樁墻貫入12.0 m之后的應(yīng)力等值線云圖．由圖可見:由于樁墻的貫入,土體的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力都有所增加,S11最大值約為42 kPa左右;而豎向應(yīng)力S22約為50 kPa,其增加幅度大于水平應(yīng)力．豎向應(yīng)力S22與徑向應(yīng)力S11的分布圖相比,S22在水平方向要小一些,但在豎向要大些．剪應(yīng)力出現(xiàn)明顯的X形狀,和其他研究者所得結(jié)果相符,所有的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在樁尖肩部而不是樁尖處,這是由于樁尖肩部明顯的彎折,在此處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象．

圖5,6反映了樁墻貫入12.0 m時(shí)樁周土體發(fā)生塑性應(yīng)變的范圍和大小,從圖中可以看出,樁墻貫入過程中,土體受到了極大程度擠壓,產(chǎn)生的塑性應(yīng)變高達(dá)百分之幾到百分之幾十,大小隨著與樁的距離增大而減小,影響范圍在3～4倍樁徑．

a) 土體Mises等值線云圖

b) 土體S11等值線云圖

c) 土體S22等值線云圖

d) 土體S12等值線云圖

圖5 土體等效塑性應(yīng)變等值線云圖

圖6 土體PEEQ隨距離和時(shí)間變化

2.2 樁周土體擠土位移分析

2.2.1 水平位移分析

圖7給出了10 m長一段的樁墻分別壓入1，6，12 m時(shí)土體水平位移u1變化的三維圖等值線云圖．由圖中土體水平位移等值線云圖可以得出:樁墻一壓入,土體在樁長范圍內(nèi)就開始有擠土的水平位移值產(chǎn)生,隨著樁墻貫入深度加大,由其引起的土體水平位移范圍和數(shù)值也隨之增加;另外比較三圖數(shù)值的大小可知水平位移的最大值不是出現(xiàn)樁全部壓入后,而是出現(xiàn)在貫入一半樁長時(shí),位置位于樁體中部偏上部,而不是出現(xiàn)在樁端處;當(dāng)樁墻下沉到一定深度,隨著上覆土體厚度的增加,樁端擠土水平位移減小,樁端偏上一定范圍內(nèi)土體受到擾動(dòng),有拖曳現(xiàn)象,產(chǎn)生土體水平負(fù)位移．

a) 樁貫入1.0 m b) 樁貫入6.0 m c) 樁貫入12.0 m

圖8，9給出了12 m的樁墻全部壓入后,土體在不同深度的水平位移,由圖中數(shù)值變化可知:樁剛開始壓入土體時(shí)造成土體劇烈擾動(dòng)且擠土位移較為嚴(yán)重,隨著樁穩(wěn)定貫入深度的加深,地表土體水平位移逐漸減少,最后滯留在100 mm之內(nèi)．

圖8 沉樁后不同深度處水平擠土位移

圖9 樁壓入不同深度時(shí)地表水平擠土位移

2.2.2 豎直位移分析

由圖10中土體豎向位移等值線云圖知:樁貫入深度較小時(shí),增加樁貫入深度對垂直隆起大小與范圍有較大影響,但當(dāng)樁長增大到一定長度后卻影響甚微，比較10b),10c)可知,且這個(gè)樁長的臨界長度是隨土體性質(zhì)不同而變化．

a) 樁貫入1.0 m

b) 樁貫入6.0 m

c) 樁貫入12.0 m

圖10樁壓入1.0,6.0,12.0m時(shí)土體u2等值線云圖

Fig.10Contourlinesofu2afterpiling1.0,6.0and12m

圖11反應(yīng)了12 m的樁墻全部壓入后,土體在深度1,6,12 m的豎向位移,從圖中數(shù)值大小和變化趨勢可知:樁剛開始壓入土體突然受擾動(dòng)土體顆粒位置變化,擠土位移較大,隨著樁貫入深度的加大,樁周約5～8倍樁徑范圍內(nèi)的土體受擾動(dòng)劇烈,嚴(yán)重受擠壓向外上部排擠,豎向位移一直保持較高數(shù)值,但隨著徑向距樁距離的加大,內(nèi)部土體的豎向位移急劇減小,到1.5～2倍樁長范圍外時(shí),位移趨近為零．

圖11 樁完全壓入后土體不同深度豎向位移

由圖12樁貫入不同深度時(shí)地表土體豎向位移知:在樁壓入不同深度時(shí),地表土體的豎向位移變化趨勢幾乎相同,只是數(shù)值不同．樁完全壓入后,此時(shí)地表土體位移(約為0～20 mm,緊鄰樁身的土體除外)小于樁貫入過程中地表隆起量(約為20～40 mm),這是由于隨樁貫入深度的加大,樁尖處土體動(dòng)態(tài)擾動(dòng)區(qū)離地面距離加大,另外地表擾動(dòng)土體也在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了重塑,等樁全部貫入后其數(shù)值滯留在10 mm之內(nèi)．

圖12 樁壓入不同深度時(shí)地表豎向擠土位移

3 結(jié)論

通過對多層土體中密排支護(hù)樁沉樁產(chǎn)生的擠土應(yīng)力和位移的三維數(shù)值模擬,得出:

1) 水平位移隨距樁心的距離加大而急劇衰減,在距排樁軸心兩側(cè)5～8倍樁徑范圍內(nèi),土體水平位移衰減較快．在2倍樁長范圍內(nèi)除了地表處,水平位移隨深度的增加而近似成線性增加.

2) 在沉樁過程中,地表土體的隆起量受樁入土深度的影響量小于樁尖和樁中部土體隆起量變化．徑向應(yīng)力、豎向應(yīng)力在深度方向上,均隨深度的增大而減小,且在樁尖附近急劇下降．沉樁后樁周土約4倍樁徑范圍發(fā)生塑性應(yīng)變,其值高達(dá)百分之幾到百分之幾十.

3) 密排支護(hù)樁壓樁時(shí)對群樁軸線外2倍樁長范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生了很大的影響,樁周附近地表水平擠土位移最大值約0.8 m左右,地表豎向擠土位移均值也在0.5 m左右,在施工前做好減少擠土效應(yīng)的措施,如設(shè)置豎向排水通道(塑料排水板、袋裝砂井),使孔隙水壓力得以迅速消散,或在樁位或沉樁區(qū)外鉆取土,在樁位取土是預(yù)鉆措施,以減少擠土量,減少擠土效應(yīng),減少對周邊環(huán)境的影響;另外施工前還要安排好壓樁順序,壓樁過程中要控制壓樁進(jìn)度等．

[1] 印江濤. 考慮群樁擠土效應(yīng)的單樁承載力計(jì)算方法研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2005:4-5.

[2] 蔣明鏡, 沈珠江. 考慮材料應(yīng)變軟化的柱形孔擴(kuò)張問題[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1995, 17(4):10-19.

Jiang Mingjing, Shen Zhujiang. Expansion of cylindrical cavity of materials with strain-softening behaviour [J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 1995, 17(4):10-19. (in Chinese)

[3] Baligh M M.Strain Path method[J].JournalofGeotechEngngDiv, 1985, 111(9):1108-1136.

[4] Mabsout W E, Tassoulas J L.A finite element model for the simulation of pile driving[J].InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering, 1994, 37: 257-278.

[5] 梅國雄,張帆,韋杰,等.抗滑樁加固膨脹土滑坡的有限元濕化分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,24(1):130-133.

Mei Guoxiong, Zhang Fan, Wei Jie, et al. Analysis of the expansive soil slope on anti-slide pile with finite element method[J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceEdition, 2010,24(1):130-133. (in Chinese)

[6] 羅戰(zhàn)友,龔曉南,朱向榮. 考慮施工順序及遮欄效應(yīng)的靜壓群樁擠土位移場研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(6):825-829.

Luo Zhanyou, Gong Xiaonan, Zhu Xiangrong. Soil displacements around jacked group piles based on construction sequence and compacting effects[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2008,30(6):825-829. (in Chinese)

[7] 費(fèi)康, 張建偉. ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2010:97-99.