樁尖角對PHC管樁沉樁擠土位移影響的有限元分析

陳超群，陳恒 （益陽市水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 益陽 413000）

0 引言

近年來，隨著PHC管樁在工程實踐中的廣泛應用，其產(chǎn)生的工程問題也卻來越多。其中，PHC管樁在沉樁貫入中會產(chǎn)生一定的擠土效應，造成樁身斷裂、鄰樁上拔、滿足不了承載力要求等一系列工程問題。目前國內(nèi)外學者對于PHC管樁擠土效應的影響研究主要聚焦在結(jié)合工程實例的現(xiàn)場及室內(nèi)試驗研究上，通過數(shù)值軟件模擬計算管樁沉樁貫入過程中產(chǎn)生擠土效應研究較少，且主要集中在管樁的沉樁手段、管樁樁身等參數(shù)的影響上，對于改變樁尖角對沉樁貫入過程中的擠土效應研究甚少。故需分析不同樁尖角對擠土效應的影響，為PHC管樁的設(shè)計、施工提供參考。本文基于某長江大橋管樁基礎(chǔ)工程項目，利用ABAQUS有限元軟件，進行PHC管樁沉樁貫入模擬，分析了改變樁尖角對沉樁貫入過程中擠土位移場的分布規(guī)律。

1 沉樁模型參數(shù)選取及建立

1.1 計算參數(shù)的選取

本文基于某長江大橋管樁基礎(chǔ)工程項目，通過室內(nèi)試驗獲取土層基本物理力學參數(shù)，換算整理后具體模型計算參數(shù)如表1所示，其中黏土層采用修正劍橋模型，砂土層采用摩爾庫倫模型，樁身采用彈性模型。該模型中需定義的初始條件為初始應力和初始孔隙比，孔隙比e可由其他土工試驗參數(shù)計算求得，本模型中初始孔隙比取值0.6～1，隨著貫入深度的增加而呈線性減小。

表1 材料參數(shù)表

1.2 模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件模擬樁尖角對沉樁擠土位移的影響，建立樁身模型，樁身與土體網(wǎng)格劃分如圖1所示，為了便于計算，沉樁過程中，不考慮土塞效應，并將樁體模型簡化為軸對稱問題進行求解。

圖1 樁身與土體網(wǎng)格劃分圖（部分）

樁身采用CAX4網(wǎng)格類型，考慮到滲流作用，土層采用CAX4P網(wǎng)格類型。水平向?qū)τ嬎憬Y(jié)果影響很小，為了提高運算效率，水平向網(wǎng)格采用漸進稀疏式劃分。具體計算步驟如下：在geo分析步對土體施加-10kN的體力來模擬有效應力。在pen分析步對樁身施加-10kN的體力；固定樁身軸線方向，約束其水平向位移，對樁頂施加位移-35m，模擬沉樁過程。下文中的樁尖與樁體連接處稱為“d”點。

2 樁尖角對沉樁貫入擠土位移影響分析

設(shè)置了樁尖角大小分別為40°、50°、70°、90°的四組樁土模型來模擬計算當改變樁尖角時，沉樁貫入過程中擠土位移的變化情況。通過具體分析樁尖角大小為40°時的擠土位移規(guī)律來分析沉樁貫入過程擠土位移的普遍規(guī)律，并對比分析了不同樁尖角大小下的擠土位移分布規(guī)律。

2.1 α=40°

圖2為樁尖角為40°時沉樁徑向擠土位移矢量圖。由圖2可知，沉樁貫入時產(chǎn)生的擠土位移主要存在于樁頂、樁身和樁端處。其中，樁頂?shù)耐馏w會發(fā)生疏離樁體且方向為斜向上的位移，樁身會發(fā)生疏離樁體且方向為斜向下的位移，樁端會發(fā)生疏離樁端且方向為垂直于樁端面向下的位移，樁尖處土體發(fā)生豎直向下的位移。

圖2 樁尖角40°徑向擠土位移矢量圖

2.1.1 徑向位移

圖3為樁尖角40°時樁端徑向擠土位移云圖。由圖3可知，徑向擠土位移最大處為“d”點處，位移大小為30.6cm。圖4為兩種土層徑向位移對比圖，由圖4可知，砂土的徑向擠土位移總體較黏土大，且兩種土層的徑向擠土位移隨著土體距離樁的距離的增大而減小，距離達到1m后減小的趨勢逐漸減弱，最后位移趨于0。圖5為不同貫入深度的徑向擠土位移對比圖，由圖5可知，徑向擠土的影響深度主要集中在3m內(nèi)，且越靠近樁身擠土位移越大，超過3m后，位移減小，6m后土體基本沒有位移。

圖3 樁尖角40°樁端徑向位移云圖

圖4 兩種土層徑向擠土位移對比圖

圖5 不同貫入深度徑向擠土位移對比圖

2.1.2 豎向位移

圖6為豎向擠土位移云圖。由圖6可知，豎向擠土位移最大處為樁頂端地表處，為2.16cm，樁頂土體受沉樁擠土效應影響向上隆起，其主要是由于沉樁過程中土體受剪切作用導致土體破壞，土體受力膨脹后向上隆起。樁身附近土體則向下運動，內(nèi)部土體由于隨著深度的增大，應力增大且樁土摩阻力增大導致欲向上運動的土體收到地質(zhì)應力及摩阻力的約束作用而向下運動，最終發(fā)生沉降。

圖6 豎向擠土位移云圖

圖7為不同距離樁軸線距離豎向擠土位移對比圖，由圖7可知，在距樁身軸線3m范圍內(nèi)的土體，隨著深度的增加，擠土位移越小，距樁身軸線3m范圍外的土體，擠土位移幾乎為0。圖8為不同貫入深度豎向擠土位移對比圖，由圖8可知，靠近地表的粘土層處的土體在沉樁貫入時，土體主要向上運動，下部粘土層及砂土層處的土體則表現(xiàn)為向下運動的形式。豎向擠土主要發(fā)生在距樁身軸線3m的區(qū)域，最大豎向擠土位移出現(xiàn)在“d”點。

圖7 不同距離樁軸線距離豎向擠土位移對比圖

圖8 不同貫入深度豎向擠土位移對比圖

2.2 不同樁尖角對擠土位移的影響

圖9為不同樁尖角的徑向擠土位移云圖，由圖9可知，沉樁貫入過程中土體的徑向擠土位移幾乎不受樁尖角大小的影響；四組樁尖角下的擠土位移最大值均出現(xiàn)在“d”點，且與樁尖角的大小呈正相關(guān)。圖10為不同樁尖角樁頂豎向擠土位移云圖，由圖10可知，沉樁貫入土體時，樁頂表層土體會受剪切擠壓向上隆起，隨著樁尖角的增大，土體向上隆起的高度越低。圖11為不同樁尖角樁頂擠土豎向位移與沉樁深度關(guān)系對比圖，由圖11可知，樁尖角增大，樁頂擠土位移越小，土體隆起高度越低，沉樁貫入達到3m深后，四組樁尖角下的樁頂?shù)乇硖幫馏w不再隆起，達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 不同樁尖角的徑向擠土位移云圖

圖10 不同樁尖角樁頂豎向擠土位移云圖

圖11 不同樁尖角樁頂擠土豎向位移與沉樁深度關(guān)系對比圖

3 結(jié)論

本文利用ABAQUS有限元軟件，進行PHC管樁沉樁貫入模擬，分析了樁尖角對沉樁貫入過程中擠土位移場的分布影響，并通過改變樁尖角大小對比分析了不同樁尖角對PHC管樁沉樁擠土位移的影響規(guī)律。由上述研究可得出以下結(jié)論：

①徑向擠土位移最大處為“d”點處，位移大小為30.6cm。砂土的徑向擠土位移總體較黏土大，且兩種土層的徑向擠土位移隨著土體距離樁的距離的增大而減小，距離達到1m后減小的趨勢逐漸減弱，最后位移趨于0，徑向擠土的影響深度主要集中在3m內(nèi)，且越靠近樁身擠土位移越大，超過3m后，位移減小，6m后土體基本沒有位移；

②豎向擠土位移最大處為樁頂端地表處，位移大小為2.16cm，樁頂土體受沉樁擠土效應影響向上隆起，樁身附近土體則向下運動，距樁身軸線3m范圍內(nèi)的土體，隨著深度的增加，擠土位移越小，距樁身軸線3m范圍外的土體，擠土位移幾乎為0，靠近地表的粘土層處的土體在沉樁貫入時，土體主要向上運動，下部粘土層及砂土層處的土體則表現(xiàn)為向下運動的形式。豎向擠土主要發(fā)生在距樁身軸線3m的區(qū)域，最大豎向擠土位移出現(xiàn)在“d”點；

③沉樁貫入過程中土體的徑向擠土位移幾乎不受樁尖角大小的影響，四組樁尖角下的擠土位移最大值均出現(xiàn)在“d”點，且與樁尖角的大小呈正相關(guān)。沉樁貫入土體時，樁頂表層土體會受剪切擠壓向上隆起，隨著樁尖角的增大，土體向上隆起的高度越低。樁尖角增大，樁頂擠土位移越小，土體隆起高度越低，沉樁貫入達到3m深后，四組樁尖角下的樁頂?shù)乇沓鐾馏w不再隆起，達到穩(wěn)定狀態(tài)。