深圳軟土地基管樁施工中擠土與土塞效應(yīng)的數(shù)值模擬分析

黃旭東，何燕新

(1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518001；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024)

深圳市擁有綿亙的海岸線，西部海岸富集深厚的欠固結(jié)淤泥，呈流塑狀，受擾動后易觸變，具高壓縮性和強烈蠕變性，承載力特征值一般為20kPa，屬于極軟弱地基。如今隨著工程建設(shè)的需要，許多大型泵站、水閘、調(diào)蓄池等深大基坑將在深厚的淤泥地層中開挖。預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁因其承載力高、成樁質(zhì)量可靠、造價低、施工速度快、適應(yīng)性好等優(yōu)點而在軟弱土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[1- 4]。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者通過理論推導(dǎo)、室內(nèi)模型試驗以及數(shù)值模擬對管樁沉樁過程中的擠土效應(yīng)和土塞效應(yīng)進行了廣泛研究。Mayerhof[5]采用滑移線理論來解釋樁的承載力問題；Vesic[6]將圓孔擴張理論引入巖土工程領(lǐng)域，推導(dǎo)了理想狀態(tài)下的基本解；Chopra[7]認(rèn)為土體是臨界狀態(tài)的兩相彈塑性材料，并通過修正的拉格朗日法對沉樁過程中樁周土體的塑性變形進行了模擬。李鏡培等[8]采用模型試驗的方法對靜壓單樁過程在不同軟硬地基中的位移場進行了對比分析，獲得了淺層土體、樁端處及樁身周圍土體不同的位移變化模式；湯斌等[9]采用模型樁試驗的方法得到了開、閉口管樁的承載力和土塞高度的影響因素以及土塞增量與沉樁深度之間的關(guān)系；齊昌廣等[10]采用透明土模型試驗的方法對開口管樁沉樁的擠土效應(yīng)比進行了分析，結(jié)果表明管樁內(nèi)土塞的存在對沉樁的擠土效應(yīng)有加強作用。鹿群等[11]通過有限元軟件ANSYS建立數(shù)值模型，模擬了靜力壓樁連續(xù)貫入的全過程，對比分析了該過程中應(yīng)力場和位移場在均值土和成層土中的變化規(guī)律；雷華陽等[12]通過有限元軟件ABAQUS模擬分析了單樁沉樁過程，對沉樁導(dǎo)致的土體豎向位移變化規(guī)律以及樁—土界面的摩擦特性進行了研究分析；王嘉勇等[13]基于二位有限元方法，建立樁—土、管—土接觸面并模擬動態(tài)壓樁過程，對壓樁過程中沉樁深度等因素對臨近管道變形的影響進行了研究分析；肖昭然等[14]同樣通過ABAQUS軟件建立靜壓樁貫入的三維模型，得到了沉樁過程中不同路徑上應(yīng)力和位移的變化曲線。

理論推導(dǎo)和模型試驗往往對復(fù)雜的實際工程地質(zhì)條件進行簡化和假設(shè)，對于實際工程的指導(dǎo)不夠具體。而數(shù)值模擬軟件具有模型建立方便、條件設(shè)置靈活以及計算結(jié)果直觀、全面等優(yōu)點，對于指導(dǎo)具體地質(zhì)條件下的工程實際具有更大的優(yōu)勢。因此本文選取大空港新城區(qū)截流河綜合治理工程玻璃圍涌段的具體地質(zhì)技術(shù)條件，通過顆粒離散元數(shù)值模擬軟件PFC建立典型剖面模型，對PRC閉口管樁與開口管樁沉樁過程中受力變形機理、擠土效應(yīng)、土塞效應(yīng)及其變化規(guī)律進行了分析研究。

1 工程概況

大空港新城區(qū)截流河綜合治理工程位于深圳市寶安區(qū)西北部空港新城建設(shè)區(qū)域，場地淤泥厚度6.0～15.0m，該區(qū)域富集深厚的欠固結(jié)淤泥，呈流塑狀，受擾動后易觸變，具高壓縮性和強烈蠕變性，承載力特征值一般為20kPa，屬于極軟弱地基。工程項目建(構(gòu))筑物基坑支護及地基基礎(chǔ)設(shè)計主要包括長5.4km箱涵、5座節(jié)制閘、8座截污閘(含截流井)、1座集中排澇泵站、2座污水泵站及相應(yīng)附屬構(gòu)筑物。各建(構(gòu))筑物主要基坑主要采用混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PRC樁Ф800D130)及管樁(Ф1000)作為圍護結(jié)構(gòu)，局部深基坑結(jié)合內(nèi)支撐布置，地基基礎(chǔ)方案主要為Ф400PHC管樁(C型)樁基，局部為灌注樁樁基。

2 顆粒流數(shù)值模型的建立和參數(shù)確定

選取玻璃圍涌A2-A2截面為典型施工斷面，通過顆粒離散元軟件PFC建立的模型如圖1所示，二維模型尺寸為36m×30.1m。在減少計算量的同時又不影響計算效果的條件下，在沉樁施工影響區(qū)域的顆粒設(shè)置為0.05～0.06m，從中間向兩側(cè)，顆粒粒徑逐漸增大，依次為0.075～0.09m和0.10～0.12m。初始平衡模型中共有58174個顆粒單元。該計算模型范圍內(nèi)土層情況如圖2所示，模型邊界采用柔性控制方式，控制強度約為0.5MPa。PFC數(shù)值模型的計算細(xì)觀參數(shù)見表1。

圖1 計算模型

圖2 土層分布

表1 PFC模型細(xì)觀參數(shù)表

沉樁荷載采用速度波動方式施加，波動方程為：

v=A(1-cos(2πft))/2

式中，v—沉樁速度，m；A—振幅，m；f—頻率，Hz；t—時間，s。波動曲線如圖3所示。

圖3 速度荷載波動曲線圖

沉樁之前，要將場地放坡及平整，同時為方便查看沉樁過程土體的位移變化，將模型中的土層分成若干垂直交叉的條狀，如圖4(a)所示，為了計算沉樁后樁體周圍的土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化，設(shè)置了1920個測量圓，如圖4(b)。

圖4 模型土體分層及測量圓分布圖

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

為模擬閉口與開口管樁在沉樁過程中不同階段樁體對周圍土體影響模式、范圍以及樁端阻力的變化情況，模型沉樁過程分4步計算分析，沉樁深度分別為2、4、8、20m。

3.1 閉口管樁的擠土效應(yīng)計算

3.1.1沉樁過程的位移變形模式

從圖5中可以看出，沉樁過程中淺部土體的隆起變形較為明顯，而中部土體的變形則以徑向為主，樁端下部顆粒隨著樁的不斷深入而向下運動，與側(cè)面顆粒間的剪切錯動非常顯著。

圖5 不同沉樁深度的土體位移變形模式

3.1.2沉樁過程的位移矢量分析

如圖6所示，在樁的不同貫入階段，同一深度處樁周土體隨著與樁端部相對位置的改變其主要位移模式也在不斷變化。當(dāng)淺部點位于樁端平面時，在樁端的法向擠壓力與切向側(cè)摩阻力的聯(lián)合作用下，以側(cè)向下運動為主，緊鄰樁端土顆粒運動方向大致偏向兩側(cè)運動。

圖6 沉樁至不同深度時的土體位移矢量圖

當(dāng)深部點位于樁端平面時，運動模式類同淺部土顆粒運動特征，當(dāng)顆粒由樁端轉(zhuǎn)為樁周土體時，由于高圍壓的作用，樁周土體的位移變形模式以相對于樁體的豎向位移和變形為主，大部分區(qū)域以徑向壓縮為主。

3.1.3沉樁過程的位移云圖

圖7給出了閉口管樁不同沉樁深度時樁周土體的位移云圖。

圖7 不同沉樁深度的土體位移云圖

從圖中可以看出，在樁體的貫入過程中，樁體在淺部時對土體的橫向和縱向影響范圍都還很小。當(dāng)樁體貫入至深部位置，淺部土體的位移量不斷增大，對深部土體的影響范圍逐漸增加，且樁端位移在2m以上的土體顆粒范圍也在增加。

3.1.4土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

如圖8所示，采用Matlab對試驗沉樁結(jié)束后的密實度場變化進行了分析，密實度場包括接觸數(shù)變化和孔隙度變化。H為插入深度，L為視窗寬度。圖8(a)給出了閉口管樁在沉樁過程中接觸數(shù)變化情況，從圖中可以看出，管樁外壁接觸數(shù)由于沉樁的影響而減小，說明沉樁會導(dǎo)致顆粒間的接觸降低。圖8(b)為沉樁過程中閉口管樁樁周土體的孔隙率變化情況。在管樁外壁摩擦力的作用下，砂土顆粒和樁之間產(chǎn)生顆粒碰撞、旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致樁外壁顆粒的孔隙率增大。樁土接觸處的顆?？紫堵视捎谑艿綌_動作用而增大，而遠(yuǎn)離樁的孔隙率則減小。

圖8 閉口管樁密實度場等值線圖

圖9是閉口管樁下端阻力與沉樁深度間的關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)是樁下端阻力，縱坐標(biāo)樁體從0 m灌入到-20 m的位移。由圖可見閉口管樁樁端阻力隨沉樁深度的增大而逐漸增大，樁端最大阻力為3900kN。

圖9 閉口管樁深度—下端阻力的關(guān)系曲線

3.2 開口管樁的土塞與擠土效應(yīng)計算

3.2.1沉樁過程的位移變形模式

圖7給出了開口管樁不同沉樁深度時樁內(nèi)及樁周土體的位移變形模式。

由圖10可以看出，淺部土體隆起變位明顯，而中部土體的變形則以徑向為主，樁端下部顆粒隨著樁的不斷深入而向下運動，與側(cè)面顆粒間的剪切錯動非常顯著。隨著樁體的深入，開口管樁內(nèi)部逐漸形成土塞，在沉入深度為8m時，土塞高度達到最大，約為4m，之后不再隨著深度的增加而增加。

圖10 不同深度沉樁的土體位移變形模式

3.2.2沉樁過程的位移矢量分析

如圖11所示，在樁的摩擦力作用下，開口管樁外壁局部范圍內(nèi)的顆粒向下運動，而遠(yuǎn)離樁的顆粒則在樁端的擠壓作用下向斜上運動。隨著沉樁深度的增加，上部土塞顆粒在樁內(nèi)壁摩擦力的作用下逐漸向下運動，而下部土塞顆粒則受樁壁摩擦力和樁底擠壓的雙重作用向上運動。上下部分顆粒在樁體內(nèi)旋轉(zhuǎn)、相互碰撞，導(dǎo)致顆粒速度矢量變得雜亂。隨著沉樁深度的不斷增大，土塞下部土體無法繼續(xù)從樁底擠入，管內(nèi)土塞高度基本不再變化，土塞土體隨樁的深入而向下運動。這時開口管樁的受力性能與閉口管樁的受力性能類似，樁底部土體顆粒向樁側(cè)顯著擠出。

圖11 沉樁至不同深度時的土體位移矢量圖

3.2.3沉樁過程的位移云圖

如圖12所示，與閉口管樁沉樁過程類似，隨著開口管樁體的不斷貫入，樁體在淺部時對土體的橫向和縱向影響范圍依然較小。當(dāng)樁體貫入深度較大時，淺部土體的位移逐漸增大，深部土體受沉樁影響的范圍也不斷增大，樁端位移在2m以上的土體顆粒范圍同樣逐漸增大。

3.2.4土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

圖13(a)為開口管樁在沉樁過程中土體顆粒接觸數(shù)的變化情況，從圖中可以看出，沉樁使得樁外壁接觸數(shù)降低，說明沉樁會導(dǎo)致顆粒間的接觸減少，孔隙率增加，而對其他部分土體顆粒接觸數(shù)的影響則較弱。隨著沉樁過程的進行，土塞下部區(qū)域的接觸數(shù)逐漸增大，說明在形成土塞的過程中，顆粒間相互擠壓、密實，逐步形成土拱。

圖13(b)為開口管樁在沉樁過程中樁內(nèi)土塞孔隙率的變化情況。隨著沉樁深度的增大，土塞顆粒逐漸向下移動，其中上部區(qū)域顆粒的孔隙率較大，而下部區(qū)域由于樁壁摩擦和樁底顆粒的擠壓，孔隙率明顯減小，此時下部區(qū)域顆粒在上部區(qū)域顆粒的“阻擋”下，其密實度逐漸增加，形成土拱并最終完全閉塞。

圖14是開口管樁下端阻力與沉樁深度間的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，開口管樁樁端阻力隨樁體的深入逐漸增大，最大阻力為1800kN，遠(yuǎn)小于閉口管樁的樁端最大阻力(3900kN)，僅為其47.36%。

圖14 開口管樁深度—下端阻力的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文以深圳地區(qū)深厚軟土地層實際基坑工程為依托，選取典型施工斷面，通過顆粒離散元軟件PFC建立數(shù)值模型，模擬了閉口管樁和開口管樁的沉樁過程，分析了沉樁過程中樁周土體的運動模式、位移變化、土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化以及樁端阻力變化，得出如下結(jié)論：

(1)閉口管樁沉樁過程中淺部土體的隆起變形較為明顯，而中部土體的變形則以徑向為主，樁端下部顆粒隨著樁的不斷深入而逐漸向下運動，與側(cè)面顆粒之間的剪切錯動現(xiàn)象非常明顯。開口管樁沉樁過程中，隨著樁體的深入，樁內(nèi)部逐漸形成土塞，在沉樁深度為8m時，土塞高度達到最大，約為4m，之后不再隨著沉樁深度的增加而增加。

(2)閉口管樁和開口管樁樁體在淺部時對土體的橫向和縱向影響范圍均較小。當(dāng)樁體灌入到深部時，淺部土體的位移逐漸增大，深部土體的受影響范圍不斷增大，樁端位移在2m以上的土體顆粒范圍也不斷增大。樁端阻力隨著樁體的深入逐漸增大，閉口管樁樁端最大阻力為3900kN，而開口管樁樁端最大阻力僅為1800kN。

(3)在閉口管樁的不同貫入階段，同一深度處樁周土體的主要位移模式隨著與樁端部相對位置的改變而不斷變化。當(dāng)淺部點位于樁端平面時，以側(cè)向下運動為主，緊鄰樁端土顆粒大致偏向兩側(cè)運動。當(dāng)深部點位于樁端平面時，運動模式類同淺部土顆粒運動特征。當(dāng)顆粒由樁端轉(zhuǎn)為樁周土體時，樁周土體運動模式為相對于樁體的豎向位移和變形，大部分區(qū)域以徑向壓縮為主。

(4)開口管樁在樁的摩擦力作用下，外壁近樁部分顆粒向下運動，而遠(yuǎn)離樁的顆粒則在樁端擠壓作用下而向斜上運動。隨著沉樁深度的增大，土塞上部顆粒在樁內(nèi)壁摩擦力的作用下向下運動，而下部顆粒在樁壁的摩擦力和樁底的擠壓的作用下向上運動，形成土拱并最終完全閉塞。