層狀黏性土中靜壓樁貫入特性顆粒流的數(shù)值模擬

王永洪 ，桑松魁 ，劉雪穎 ，張明義 ，白曉宇

（1. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2. 青島理工大學(xué)山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266033）

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，各種數(shù)值模擬軟件運(yùn)用到巖土工程中，特別是樁土相互作用方面[1-2].張明義等[3]、鹿群等[4]基于ANSYS 軟件，分別實(shí)現(xiàn)了靜壓樁的位移貫入、連續(xù)貫入的全過程，探討了靜壓樁在不同貫入方式下樁側(cè)應(yīng)力與土體位移的變化規(guī)律. 寇海磊等[5]、雷華陽等[6]利用有限元軟件ABAQUS，成功實(shí)現(xiàn)了層狀地基中靜壓樁的連續(xù)貫入，分別分析了沉樁過程中壓樁力的變化規(guī)律和樁周土體位移分布特征. 以上研究均采用有限元軟件從宏觀層次分析了靜壓樁的沉樁機(jī)理，未開展細(xì)觀顆粒研究，從細(xì)觀上探討土體的擠壓應(yīng)力和位移變化規(guī)律，進(jìn)而揭示靜壓樁的沉樁機(jī)理. 已有研究表明，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)均從宏觀上與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，而通過有限元的細(xì)觀層次對(duì)試驗(yàn)機(jī)理的研究有待深入研究.

顆粒流數(shù)值模擬軟件PFC2D以自身的優(yōu)點(diǎn)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞，諸多學(xué)者利用顆粒流軟件從細(xì)觀層次揭示其研究機(jī)理[7-8]. 雷華陽等[9-11]分別將離散元顆粒流數(shù)值模擬成功應(yīng)用于吹填加固超軟地基土試驗(yàn)、各向異性結(jié)構(gòu)性砂的力學(xué)特性、砂土在慢速往復(fù)荷載之下表現(xiàn)出的宏觀力學(xué)響應(yīng)中. 已有學(xué)者對(duì)靜壓樁沉樁過程中的力學(xué)特性和貫入機(jī)制展開了離散元數(shù)值模擬研究[12-13]，取得了較大的進(jìn)展. 馬哲等[14]基于離心機(jī)原理和顆粒流數(shù)值模擬理論，采用PFC2D模擬了在砂土地基中靜壓樁的沉樁過程，通過貫入不同樁尖形式的模型樁，著重分析了在分級(jí)加載作用下不同樁尖模型樁的樁端阻力與樁側(cè)阻力的變化規(guī)律，揭示了隨著樁身貫入深度的增加樁端阻力與樁側(cè)阻力的發(fā)展規(guī)律. 周健等[15-19]采用顆粒流數(shù)值模擬研究了砂土中靜壓開口樁的貫入過程，從細(xì)觀尺度上探討了樁端土體的位移模式和變形機(jī)制，揭示了樁刺入過程中樁端砂土的宏、細(xì)觀演化機(jī)理. Liu 等[20]通過PFC2D分析了開口管樁在砂土中的沉樁效應(yīng)，探討了沉樁過程中樁側(cè)摩阻力和樁周土體位移場(chǎng)的變化規(guī)律，驗(yàn)證了單位樁側(cè)摩阻力存在明顯的退化現(xiàn)象或摩擦疲勞現(xiàn)象. 周健等[21]通過PFC2D模擬了分層介質(zhì)中的沉樁過程，分析了沉樁過程中樁端阻力和樁端土體位移場(chǎng)的分布特征，探討了樁端阻力臨界深度的問題，并得出了樁端阻力趨于穩(wěn)定之后樁端附近顆粒的影響范圍也趨于穩(wěn)定的結(jié)論. 綜上所述，已有的研究主要以均質(zhì)土層為研究對(duì)象，而對(duì)分層土的研究較少，特別是對(duì)層狀黏土的研究有待開展.

采用顆粒流軟件模擬靜壓樁沉樁過程時(shí)，諸多地基土均采用均質(zhì)或成層砂土，分析沉樁過程中沉樁阻力、樁端阻力以及樁側(cè)土體位移的分布特征，這與實(shí)際工程中均為層狀黏性土土地基存在一定的較大差異性. 目前，眾多學(xué)者的研究焦點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到通過顆粒流軟件的二次開發(fā)功能模擬層狀黏性土中靜壓樁的沉樁過程，分析靜壓樁沉樁機(jī)理和土體位移的分布特征[22]. 本文利用PFC2D模擬了現(xiàn)場(chǎng)靜壓樁貫入層狀黏性土地基的全過程，基于層狀黏性土地基，通過選擇合適的黏結(jié)模型——接觸黏結(jié)模型，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)賦值與標(biāo)定，分析了沉樁過程中不同樁徑對(duì)壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力以及樁側(cè)土壓力的變化規(guī)律，從細(xì)觀層次上探討了不同土層中接觸力鏈和顆粒位移的分布特征，進(jìn)一步揭示層狀黏土地基中靜壓樁的貫入機(jī)理.

1 PFC 離散元沉樁模型的建立

1.1 模型地基的生成

Duan 等[23]提出一種生成土顆粒模型的新型方法即GM （grid method）. GM 法就是將生成土樣的模型劃分為許多小區(qū)域，在生成土顆粒時(shí)按照從左到右、從下到上的順序依次生成，最終生成土體模型.

本模型采用GM 法共生成12 層顆粒，每層土樣的高度為5 cm，其中模型底端5 層為砂土層，顆粒最大半徑為1.76 mm，最小半徑為1.12 mm，土樣的初始孔隙率為0.25. 其余7 層模擬的黏性土層，顆粒最大半徑為0.70 mm，最小半徑為0.45 mm，土樣的初始孔隙率為0.30，整個(gè)地基模型共生成119880 個(gè)土樣顆粒. 根據(jù)已有研究，黏性土主要采用接觸粘結(jié)和平行粘結(jié)，而接觸粘結(jié)與平行粘結(jié)相比較，接觸粘結(jié)的物理意義更符合黏性土材料[24-26]. 所以，本次選用接觸粘結(jié)模型作為顆粒間的接觸關(guān)系. 在進(jìn)行顆粒間細(xì)觀參數(shù)賦值時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層性質(zhì)以及參考已有研究成果的經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行賦值[27-29]. 土體顆粒的細(xì)觀物理參數(shù)指標(biāo)見表1. 土樣生成之后，為了方便觀測(cè)沉樁過程中土顆粒的變形和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而把每層土顆粒賦予不同的顏色. 為直觀地觀測(cè)沉樁過程中由于擠土效應(yīng)產(chǎn)生的水平位移，在豎向位置相隔一定的間距賦予球體為白色條帶，并且白色條帶在距樁體較近處較為密集，距樁體較遠(yuǎn)處較為稀疏，如圖1.

圖1 生成土樣Fig. 1 Generated soil sample

表1 土層細(xì)觀參數(shù)Tab. 1 Soil microscopic parameters

1.2 模型樁的生成

模型樁是由許多遠(yuǎn)小于樁徑的顆粒組成，分別組成樁頂、樁端以及樁壁. 顆粒之間相互重疊，兩相鄰顆粒之間的重疊量為dpp（dpp= 0.2R，R為顆粒半徑），如圖2 所示. 本次模擬中采用此方法生成3 種不同樁徑的閉口管樁，樁長(zhǎng)為30 cm，樁徑分別為10、20、30 mm.

圖2 樁體的組成Fig. 2 Composition of pile body

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 壓樁力隨貫入深度的變化規(guī)律

圖3 為不同樁徑下壓樁力對(duì)比分析曲線. 由圖3可知：3 種樁徑變化規(guī)律趨于一致，壓樁力隨著貫入深度的增大而逐漸增加，且隨著樁徑的增大壓樁力也在增大. 從曲線的變化規(guī)律上也反映出了土層的不同. 當(dāng)樁端位于粉土層時(shí)，壓樁力增大較快且在土層中樁身貫入位移增長(zhǎng)較慢；當(dāng)貫入粉質(zhì)黏土層時(shí)，壓樁力增長(zhǎng)較慢而樁身貫入位移增長(zhǎng)較快. 當(dāng)樁端位于土層1 時(shí)，隨著壓樁力的增大，樁端位移增長(zhǎng)速度呈先減小后增大的現(xiàn)象，這是由于壓樁開始階段壓樁力較小土層發(fā)生受力壓縮現(xiàn)象，使樁端位移變化較小. 隨著壓樁力的增大，樁端發(fā)生破土貫入，樁端位移隨著壓樁力的增大逐漸增大. 當(dāng)樁端位于土層3、4 以及土層6 時(shí)，曲線均出現(xiàn)了陡降的現(xiàn)象. 分析原因?yàn)椋和翆?、4、6 均為粉質(zhì)黏土層，由于粉質(zhì)黏土層的黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較高，隨著壓樁力的增大，致使樁身在這3 層土中貫入時(shí)出現(xiàn)陡降現(xiàn)象；在模擬沉樁過程中時(shí)，壓樁力是以恒定值的形式施加在樁頂，所以當(dāng)樁端位于軟土層時(shí)出現(xiàn)了陡降現(xiàn)象. 與張明義等[30]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)入軟硬程度不同土層時(shí)規(guī)律一致.

圖3 壓樁力對(duì)比分析曲線Fig. 3 Comparative analysis curves of pile pressure

從圖3 中還可以看出：隨著樁徑的增大，樁端位于粉質(zhì)黏土層時(shí)陡降現(xiàn)象越不明顯，并且隨著樁徑的增大曲線的線性逐漸增強(qiáng)，由此可知隨著樁徑的增大，土層變化對(duì)壓樁力的影響越不明顯. 從模擬的沉樁過程可以看出：隨著樁徑的增大，樁端底部附帶越多的上部土體，如圖4 所示. 當(dāng)樁端位于粉質(zhì)黏土層時(shí)，會(huì)附帶較多的上部土體填充到粉質(zhì)黏土層，從而使樁端位于粉質(zhì)黏土?xí)r樁端土的壓縮量減小，即表現(xiàn)為樁端的沉降位移減小. 由圖4 可以看出：隨著樁徑的增大，樁端底部附著的上部土顆粒的形狀越規(guī)則，其外形越像錐形樁尖. 說明當(dāng)樁身為平樁端時(shí)，隨著樁身的貫入在樁端底部會(huì)形成由土體組成的“錐形樁尖”，這與李廣信等[31]所述的梅耶霍夫和太沙基的在荷載作用下，剛性核與基礎(chǔ)形成整體向下移動(dòng)的結(jié)論是一致的.

圖4 不同樁徑下附帶土顆粒形式Fig. 4 Soil particle forms under different pile diameters

2.2 樁端阻力隨貫入深度的變化規(guī)律

設(shè)定程序語言，可讀取在不同貫入深度處樁端所有顆粒豎向力的大小，并計(jì)算出豎向合力，豎向合力就是貫入過程中的樁端阻力. 在貫入深度處讀取樁端豎向合力，從而得到了不同貫入深度處的樁端助力，如圖5.

由圖5 可知：樁端阻力隨貫入深度的變化規(guī)律與壓樁力的變化規(guī)律基本一致，這與李雨濃等[32]在室內(nèi)模型試驗(yàn)所得結(jié)論一致. 由圖5 可以看出：不同樁徑的模型樁的樁端阻力在貫入初期（貫入深度小于10 cm）時(shí)隨深度的增大而逐漸增加；當(dāng)貫入深度大于10 cm，樁端進(jìn)入粉質(zhì)黏土層時(shí)，樁端阻力均出現(xiàn)減小趨勢(shì)；但隨著樁端繼續(xù)貫入，樁徑為15 mm和樁徑為20 mm 的樁端阻力又逐漸增大，而樁徑為10 mm 的樁端阻力呈不變甚至有減小的趨勢(shì)；當(dāng)樁身繼續(xù)貫入，穿過粉土層再次進(jìn)入粉質(zhì)黏土層時(shí)，樁端阻力又呈現(xiàn)出上述規(guī)律. 分析原因是隨著樁徑的增大，樁端底部附帶越多的上部土層的土. 當(dāng)樁端位于軟土層時(shí)，會(huì)有較多的上部土層的土填充到軟土層，在一定程度上會(huì)改變樁端土層的力學(xué)性質(zhì)，從而使樁端阻力增大，這與葉建忠等[33]研究結(jié)果一致.

圖5 樁端阻力對(duì)比分析曲線Fig. 5 Comparative analysis curves of pile resistance

2.3 徑向土壓力隨貫入深度的變化規(guī)律

在模擬沉樁過程時(shí)，為得到貫入過程中樁側(cè)徑向壓力與樁側(cè)摩阻力貫入深度的變化規(guī)律，把模型樁的兩側(cè)壁劃分為15 小段，每小段的長(zhǎng)度為2 cm.在沉樁過程中監(jiān)測(cè)組成每小段樁壁的每個(gè)顆粒與土顆粒接觸的豎向（y方向）和水平（x方向）方向的最大不平衡力，然后將每小段中所有顆粒的豎向和水平方向的最大不平衡力分別相加取合力. 其x方向的合力為本小段內(nèi)的徑向壓力，y方向的合力為本小段內(nèi)的樁側(cè)摩阻力. 徑向土壓力隨貫入深度變化曲線如圖6 所示.

圖6 徑向土壓力隨貫入深度變化曲線Fig. 6 Curves of radial earth pressure changing with penetration depth

由圖6 可以看出：不同樁徑下樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律趨同. 在貫入初期（貫入深度小于5 cm），樁徑為15 mm 的徑向壓力隨貫入深度逐漸增加，而樁徑為10 mm 和20 mm 的徑向壓力出現(xiàn)突增現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是土體為離散單元，在沉樁過程中樁體和土顆粒之間發(fā)生相對(duì)位移，可能會(huì)使較小的土顆粒與樁壁發(fā)生擠壓，從而導(dǎo)致局部發(fā)生突增現(xiàn)象；當(dāng)樁身位于5～10 cm 時(shí)即位于粉土層時(shí)，徑向壓力隨貫入深度的增加而逐漸增大，當(dāng)樁身繼續(xù)貫入位于粉質(zhì)黏土層時(shí)，徑向壓力出現(xiàn)了“波動(dòng)”型增長(zhǎng)，當(dāng)樁端穿過粉質(zhì)黏土層進(jìn)入粉土層時(shí)，徑向壓力出現(xiàn)了急劇增大的現(xiàn)象. 由以上分析可知，樁側(cè)徑向壓力變化規(guī)律可以反映出土層的變化情況.

圖6 還反映了在同一貫入深度處，隨著樁身的不斷貫入，徑向壓力逐漸減小，表現(xiàn)出了明顯的“徑向壓力退化”現(xiàn)象. 這是因?yàn)殡S著樁身的貫入，樁-土界面處不斷發(fā)生剪切以及土顆粒之間重新排列，如圖7 所示，在樁-土界面處存在明顯的剪切帶，使擠土效應(yīng)減弱，致使徑向壓力減小. 由不同樁徑的徑向壓力對(duì)比可知，隨著樁徑的增大，樁側(cè)徑向壓力也在增大. 這是因?yàn)殡S著樁徑的增大，擠土效應(yīng)越明顯，樁側(cè)徑向壓力也越大. 從而表現(xiàn)出隨著樁徑的增大，徑向壓力也在增大.

圖7 沉樁過程Fig. 7 Pile penetration process

2.4 側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化規(guī)律

通過樁身貫入不同的深度，監(jiān)測(cè)出貫入土層中每小段樁壁的側(cè)摩阻力，并繪制出樁側(cè)摩阻力隨貫入深度曲線如圖8 所示.

圖8 側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化曲線Fig. 8 Curves of lateral friction changing with penetration depth

根據(jù)圖8 可以發(fā)現(xiàn)：不同樁徑的樁側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化規(guī)律一致，且與樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律相同. 從變化規(guī)律上可以看出，在一定程度上反映出了土層的變化. 當(dāng)樁身在粉土層貫入時(shí)，側(cè)摩阻力隨貫入深度的增加而逐漸增大；當(dāng)樁身在粉質(zhì)黏土層貫入時(shí)，隨著貫入深度的增加，其值變化較小甚至出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，變化形式呈一定的“波動(dòng)”型增長(zhǎng). 樁徑為10 mm 和20 mm 的樁側(cè)摩阻力在貫入初期出現(xiàn)了突增的現(xiàn)象，這與樁側(cè)徑向壓力出現(xiàn)突增現(xiàn)象的原因相同，在此不再贅述. 在不同貫入深度下，在樁端位置處均出現(xiàn)側(cè)摩阻力突增的現(xiàn)象，根據(jù)Meyerhof 理論，如圖9 可知：在沉樁過程中，樁端底部Ⅰ區(qū)土體受到擠壓向下運(yùn)動(dòng)，并通過擠壓Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的土體向Ⅳ區(qū)土體施加壓力，從而使各區(qū)的土體壓密并且增加了樁土間的法向力，致使樁端處的側(cè)摩阻力增大[32].

圖9 Meyerhof 樁端土的滑動(dòng)面Fig. 9 Sliding surface of soil at Meyerhof pile end

從圖8 中還可以看出：隨著樁徑的增大，樁側(cè)摩阻力也在逐漸增大. 這是因?yàn)殡S著樁徑的增大，擠土效應(yīng)越明顯，致使側(cè)摩阻力也在增大. 在同一貫入深度處，側(cè)摩阻力與樁側(cè)徑向壓力的變化規(guī)律相同，隨著貫入深度的增加逐漸減小，出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象，并且隨著樁徑的增大退化現(xiàn)象越明顯，這與王永洪等[34]研究結(jié)果一致. 這種現(xiàn)象被Heerma 等[35]稱為“剪切弱化”，被Bond 等[36]稱為“h/R”效應(yīng). 側(cè)摩阻力的變化規(guī)律與徑向壓力的變化規(guī)律相一致，這也說明側(cè)摩阻力的退化的實(shí)質(zhì)就是徑向壓力的退化.

3 細(xì)觀機(jī)制分析

3.1 不同樁徑樁土界面接觸力鏈分析

為進(jìn)一步揭示靜壓樁貫入過程中沉樁機(jī)理以及樁土間的相互作用，本文從細(xì)觀層次方面分析土體顆粒間接觸力鏈場(chǎng)和位移場(chǎng)隨靜壓樁貫入過程的變化規(guī)律. 從細(xì)觀角度對(duì)靜壓樁的沉樁機(jī)理進(jìn)行研究.圖10 為不同樁徑下力鏈的變化，圖中：紅色表示拉應(yīng)力力鏈；黑色表示壓應(yīng)力力鏈，圖11 中同.

從圖10 中可以發(fā)現(xiàn)：隨著樁徑的增大，土層中的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均逐漸增大，擠土效應(yīng)引起的影響范圍也逐漸增大. 由圖10（a）～（c）對(duì)比發(fā)現(xiàn)：隨著樁徑的增大，樁土界面處壓應(yīng)力力鏈越密集且力鏈越粗，這說明隨著樁徑的增大樁側(cè)徑向土壓力越大，這與樁側(cè)徑向土壓力的研究結(jié)果是一致的. 在粉土層上半部分樁身附近的壓應(yīng)力接觸力鏈，隨樁徑的增大，力鏈的傳遞方向由水平方向逐漸變?yōu)樨Q向且力鏈逐漸變粗. 這是因?yàn)榉弁翆拥酿ぞ哿^小且接觸剛度較大，不易發(fā)生水平位移；而粉質(zhì)黏土層的黏聚力較大、接觸剛度較小，在樁身與土體的擠壓力下，粉土層與粉質(zhì)黏土層交界面處的顆粒極易向接觸剛度較小的方向運(yùn)動(dòng)，致使在粉土層和粉質(zhì)黏土層的交界面處出現(xiàn)豎向壓應(yīng)力. 隨著樁徑的增大，樁身與土體的擠壓力越大，土顆粒的運(yùn)動(dòng)位移越明顯，交界面處顆粒間的壓應(yīng)力越大，從而表現(xiàn)出豎向力鏈逐漸變粗.

圖10 不同樁徑下力鏈變化Fig. 10 Force chain changes with different pile diameters

3.2 沉樁過程中樁端處接觸力鏈分析

為深入探討靜壓樁沉樁過程中不同土層中樁端阻力的形成機(jī)理，以樁徑為20 mm 的模型樁為例，分析貫入不同深度時(shí)土體接觸力鏈的分布特征、不同土層的樁端破土形式以及不同土層的位移變化形式，如圖11 所示.

由圖11（a）可以看出：在貫入初期，樁端處力鏈較大而樁側(cè)處力鏈較小，表明在貫入初期樁端力增加較快且數(shù)值也較大，承擔(dān)了大部分的壓樁力. 從力鏈的傳遞方向上可以看出：樁身較近處接觸力較大且方向?yàn)樗椒较颍鄻渡磔^遠(yuǎn)的區(qū)域接觸力較小且方向?yàn)樨Q直方向. 這由于沉樁過程產(chǎn)生擠土效應(yīng)，使樁側(cè)土產(chǎn)生水平位移及水平應(yīng)力，致使顆粒間表現(xiàn)出水平方向的鏈. 由于回填土的接觸剛度較小，擠土效應(yīng)的影響范圍較小，使距樁身較遠(yuǎn)處的力鏈變化較小. 樁端處的壓應(yīng)力向四周呈放射狀傳遞，這是由于在沉樁過程中，樁端處的土體向四周排擠，樁端土的受力以擠壓擴(kuò)張為主，從而使壓應(yīng)力呈放射狀傳遞，這與理論計(jì)算方法中的圓孔擴(kuò)張理論反映出的樁端土體的受力狀態(tài)相一致.

圖11 貫入不同深度時(shí)力鏈變化圖Fig. 11 Force chain changes at different penetration depths

通過圖11（a）～（d）還可以發(fā)現(xiàn)：不同土層表現(xiàn)出的接觸力鏈分布形式不同. 粉土層的接觸力明顯地大于粉質(zhì)黏土層，并且粉土層中接觸力的影響范圍明顯大于粉質(zhì)黏土層；在粉質(zhì)黏土層，樁-土界面處壓應(yīng)力的方向呈水平方向，隨著距樁身距離的增大，壓應(yīng)力逐漸減小，并且由水平方向逐漸向豎直方向發(fā)展，而拉應(yīng)力僅出現(xiàn)在距樁表面較近的范圍內(nèi)，這表明在粉質(zhì)黏土層的擠土效應(yīng)對(duì)徑向范圍內(nèi)的影響較小；在粉土層壓應(yīng)力呈現(xiàn)出水平方向，并且沿徑向方向的減小趨勢(shì)不明顯，且拉應(yīng)力不只是分布在距樁身較近的區(qū)域內(nèi)，這表明在粉質(zhì)層的擠土效應(yīng)對(duì)徑向范圍內(nèi)的影響較大. 從以上分析可以得出，在硬土層擠土效應(yīng)更為明顯，所以在土質(zhì)較好的場(chǎng)地采用靜力壓樁時(shí)要考慮對(duì)周邊建筑物的影響.

當(dāng)樁端位于不同土層時(shí)，樁端對(duì)土層的影響范圍不同. 當(dāng)樁端位于粉質(zhì)黏土較軟土層時(shí)，由圖11（a）和圖11（c）中拉應(yīng)力力鏈可知樁端的影響范圍約為7D（D為樁徑）；當(dāng)樁端位于粉土硬土層且粉土層之下存在較軟土層粉質(zhì)黏土?xí)r，由圖11（b）、（d）中拉應(yīng)力力鏈可知樁端的影響范圍約為9D. 這說明沉樁過程中樁端的影響范圍與土層的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)樁端位于較軟土層時(shí)，樁端的影響范圍約為7D；當(dāng)樁端位于硬土層時(shí)，樁端的影響范圍約為9D. 樁徑10 、15 mm的結(jié)果與樁徑為20 mm 的結(jié)果的規(guī)律性相一致.

3.3 樁端破土形式

為進(jìn)一步明確不同土層中樁端的破土形式以及土顆粒的分布特征，以樁徑為20 mm 的模型樁為例，分析樁端貫入到不同土層時(shí)樁端破土形式，分布特征如圖12 所示.

圖12 樁周土變化Fig. 12 Soil changes around pile

由圖12 可以看出：當(dāng)樁身貫入不同土層時(shí)，土層的破環(huán)形式不同. 由圖12（a）可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)樁端由粉質(zhì)黏土層貫入到粉土層時(shí)樁-土之間剪切帶較寬并且由粉質(zhì)黏土充滿，但是隨著樁身的貫入樁-土之間剪切帶的寬度減小. 說明當(dāng)樁端由軟土層貫入到硬土層，樁端土體破土?xí)r發(fā)生沖切破環(huán)，致使土層與樁壁之間產(chǎn)生較寬的剪切帶. 當(dāng)樁身在硬土層繼續(xù)貫入時(shí)，由于硬土層中樁的側(cè)向土壓力較大，所以隨著樁身的貫入樁-土之間剪切帶的寬度又減小. 從圖12（a）中還可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)樁端貫入到粉土層（硬土層）時(shí)，樁周土有明顯的剪脹現(xiàn)象. 從圖12（b）可以看出：當(dāng)樁端由粉土層貫入到粉質(zhì)黏土層時(shí)，樁-土之間剪切帶較窄且有較少的粉土層顆粒填充. 說明樁端由硬土層貫入到軟土層時(shí)，樁端土體破土?xí)r發(fā)生刺入破環(huán)，致使土層與樁壁之間產(chǎn)生較窄的剪切帶. 加之，軟土層有一定的流動(dòng)性以及在上覆土重作用下，致使在貫入過程中產(chǎn)生較窄的剪切帶. 由圖12（b）還可以看出：當(dāng)樁端貫入到粉質(zhì)黏土層（軟土層）時(shí)，樁周土有明顯的壓縮現(xiàn)象. 這與樁端進(jìn)入粉土層（硬土層）時(shí)，樁周土發(fā)生明顯的剪脹現(xiàn)象產(chǎn)生鮮明的對(duì)比，與王騰等[37]研究結(jié)果相符. 樁徑10 mm 和15 mm 的結(jié)果與樁徑為20 mm 的結(jié)果的規(guī)律性相一致.

3.4 樁周土體位移分布

為深入探討靜壓樁貫入過程中不同土層顆粒位移場(chǎng)的變化規(guī)律，以樁徑為20 mm 的模型樁為例，分析靜壓樁沉樁過程中不同土層土顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，幾個(gè)典型土層顆粒的位移變化規(guī)律見圖13.

圖13 不同土層位移Fig. 13 Displacement of different soil layers

由圖13 可知：不同土層樁周土的位移相差較大. 在沉樁過程中，回填土層中的顆粒由于擠土效應(yīng)向斜上方移動(dòng)，其宏觀表現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)沉樁過程中樁周表面的土體有隆起現(xiàn)象. 這也是在貫入初期，樁側(cè)摩阻力和樁側(cè)徑向壓力較小的原因之一. 粉質(zhì)黏土層中土體位移以水平位移為主，這是因?yàn)榉圪|(zhì)黏土的接觸剛度與摩擦系數(shù)較小且黏聚力較大，在擠土作用下極易發(fā)生水平位移. 接觸剛度與摩擦系數(shù)較大的粉土層，相比于粉質(zhì)黏土土質(zhì)較硬，粉土層中土體的顆粒由于上覆土層不足以抵抗擠壓力的作用，在發(fā)生剪切破壞情況下，其上半部分土顆粒會(huì)向上移動(dòng)，引起土層5 粉土上半部分力鏈呈豎向. 土層6 為粉質(zhì)黏土層，因?yàn)榉圪|(zhì)黏土的接觸剛度較小，在樁端和樁側(cè)的擠壓力之下，使土層5 下半部分土顆粒在剪切破壞情況下，產(chǎn)生向下的位移，從而表現(xiàn)出顆粒向斜下方移動(dòng). 樁徑10 mm 和15 mm 的結(jié)果與樁徑為20 mm 的結(jié)果的規(guī)律性相一致.

4 結(jié) 論

1） 隨著樁徑的增大，壓樁力和樁端阻力逐漸增大. 隨著樁徑的增大，土層的軟硬程度對(duì)壓樁力的影響逐漸減小，壓樁力隨貫入深度曲線的線性逐漸增強(qiáng). 表明隨著樁徑的增大，土層變化對(duì)壓樁力的影響越不明顯.

2） 不同樁徑下樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律一致. 在同一貫入深度處，隨著樁身的不斷貫入，徑向壓力逐漸減小，表現(xiàn)出了明顯的退化現(xiàn)象.側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化規(guī)律與樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律一致. 在同一貫入深度處樁側(cè)摩阻力同樣出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象. 其變化規(guī)律也與徑向壓力的變化規(guī)律相一致，這說明側(cè)摩阻力的退化的原因?qū)嵸|(zhì)上是徑向壓力退化.

3） 樁徑10 mm 和15 mm 的分析結(jié)果與樁徑為20 mm 的規(guī)律性相一致. 不同土層接觸力鏈的分布形式不同，粉土層的接觸力明顯的大于粉質(zhì)黏土層.樁端處的壓應(yīng)力呈放射狀方向傳遞，而伴有圓形或球狀的拉應(yīng)力. 這與理論計(jì)算方法中的圓孔擴(kuò)樁理論反映出的樁端土體的受力狀態(tài)相一致. 樁端的影響范圍與土層性質(zhì)相關(guān)，當(dāng)樁端位于軟土層時(shí)，樁端的影響范圍約為7D；當(dāng)樁端位于硬土層時(shí)，樁端的影響范圍約為9D.

4） 樁端破土形式與土層的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)樁端從軟土層貫入到硬土層時(shí)，樁端土體發(fā)生沖切破壞；當(dāng)樁端從硬土層貫入到軟土層時(shí)，樁端土體發(fā)生刺入破壞. 在沉樁過程中，軟土層土顆粒主要產(chǎn)生水平位移，而硬土層上下均為軟土層時(shí)，硬土層上下端的土顆粒產(chǎn)生斜向上和斜向下的位移.