樁端楔形體對(duì)沉樁引起的有效應(yīng)力和超孔壓的數(shù)值計(jì)算

李百迎

（安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著預(yù)應(yīng)力管樁在我國(guó)深基礎(chǔ)等重大工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，同時(shí)暴露出了越來越多的工程問題。如產(chǎn)生一系列土塞效應(yīng)、擠土效應(yīng)等，導(dǎo)致斷樁、樁承載力不足等工程問題[1～3]。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)沉樁的土塞效應(yīng)研究較多，而對(duì)擠土效應(yīng)研究較少，且多集中在樁土參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試上[4～8]。相關(guān)研究表明錘擊法預(yù)應(yīng)力管樁的樁端楔形體對(duì)沉樁貫入中所產(chǎn)生的擠土效應(yīng)具有一定影響，但國(guó)內(nèi)外對(duì)樁端楔形體引起的擠土效應(yīng)研究少之又少，故需分析樁端楔形體對(duì)沉樁貫入過程中擠土效應(yīng)的影響，為預(yù)應(yīng)力管樁的設(shè)計(jì)、施工提供參考。本文依托于某長(zhǎng)江二橋管樁基礎(chǔ)工程項(xiàng)目，利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，計(jì)算了錘擊法預(yù)應(yīng)力管樁的樁端楔形體對(duì)沉樁貫入過程中引起的有效應(yīng)力場(chǎng)和超孔壓的影響。

2 工程概況和參數(shù)選取

2.1 工程概況

本文以某長(zhǎng)江公路二橋工程為研究對(duì)象，該橋梁的起訖樁號(hào)為K20+558～K31+860，橋梁跨徑為31m×40m，跨道路、池塘及河渠。大橋的側(cè)視圖及樁位的立面、側(cè)面示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 大橋側(cè)視圖

圖2 樁位立面、側(cè)面示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

本文選取了某長(zhǎng)江二橋預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)工程的K32點(diǎn)作為數(shù)值模擬對(duì)象。該點(diǎn)的靜力觸探結(jié)果如表1所示。

K32靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果 表1

本算例中計(jì)算土層分為兩層，第一層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，第二層由粉砂、粉細(xì)砂和細(xì)砂組成，本算例中合并為砂土層，通過室內(nèi)巖土試驗(yàn)獲取土層基本物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算參數(shù)如表2所示，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層選取修正劍橋模型，砂土層選取摩爾-庫(kù)倫模型，預(yù)應(yīng)力管樁采用彈性模型。

材料參數(shù)表 表2

2.3 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件模擬樁端楔形體對(duì)沉樁引起的有效應(yīng)力場(chǎng)和超孔壓的影響，為了便于計(jì)算，模型關(guān)鍵設(shè)置如下：

①本案例中，樁端楔形體角度為30°，故本次計(jì)算僅考慮樁端楔形體角度α=30°的情況；

②砂土層由三層合并而成，該層較厚，易產(chǎn)生土塞效應(yīng)，本次計(jì)算不考慮沉樁產(chǎn)生的土塞效應(yīng)，并將樁體模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱進(jìn)行求解；

③網(wǎng)格劃分中主要對(duì)豎直向進(jìn)行細(xì)分，水平向由于在本次計(jì)算中影響較小，為了提高計(jì)算速度，水平向采用遠(yuǎn)離樁體漸進(jìn)稀疏式的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

樁身與土體網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 樁身與土體網(wǎng)格劃分圖（部分）

3 有效應(yīng)力場(chǎng)與超孔壓計(jì)算結(jié)果

3.1 三向有效應(yīng)力

樁端楔形體角度α=30°時(shí)沉樁引起的三向有效應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 三向有效應(yīng)力云圖

由圖4可知，沉樁過程造成了管樁附近較大區(qū)域內(nèi)的土體產(chǎn)生了應(yīng)力變化。徑向有效應(yīng)力的影響范圍大約為10d，表現(xiàn)出“上凸”的變化規(guī)律，這是由管樁周圍土體在沉樁過程中徑向受壓造成的。豎向有效應(yīng)力的影響范圍大約為5d～7d，表現(xiàn)出“下凹”的變化規(guī)律，這是由于樁端楔形體經(jīng)過相應(yīng)的土體后，該處的豎向應(yīng)力處于卸載狀態(tài)，但是總體依然受壓。環(huán)向有效應(yīng)力的影響范圍約為2d ～3d，表現(xiàn)出靠近樁周“上凸”，遠(yuǎn)離樁周“下凹”的規(guī)律，這是由沉樁過程引起的環(huán)向受拉和產(chǎn)生的超孔壓共同作用造成的。

在數(shù)值上，最大徑向有效應(yīng)力出現(xiàn)在樁身與樁端楔形體連接處，大小為-409.79kPa，比 初 始 應(yīng) 力 增 大 了289.34kPa；樁身與樁端楔形體連接處的豎向有效應(yīng)力減小至-97.58kPa，比初始應(yīng)力減小了182.54kPa；樁端楔形體處環(huán)向有效應(yīng)力減小了39.78kPa，與徑向、豎向有效應(yīng)力相比變化最小。

3.2 剪應(yīng)力和mises應(yīng)力

樁端楔形體角度α=30°時(shí)，沉樁引起的剪應(yīng)力和mises應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 剪應(yīng)力與mises應(yīng)力

由圖5可知，沉樁引起的剪應(yīng)力呈“X”型分布。樁端附近土體剪應(yīng)力為正值，影響范圍約10d，在數(shù)值上最大可達(dá)105.3kPa，樁端上側(cè)土體剪應(yīng)力為負(fù)值，影響范圍為3d左右，在數(shù)值上最大值可達(dá)-157.7kPa。在樁端楔形體與樁身連接處產(chǎn)生明顯大于周圍土體的mises應(yīng)力，數(shù)值上最大為342.14kPa，表現(xiàn)為該點(diǎn)最易產(chǎn)生塑性破壞。

3.3 超孔壓

樁端楔形體角度α=30°時(shí)，沉樁引起的超孔壓分布如圖6所示。由圖6可知，超孔壓的分布范圍達(dá)到樁端楔形體以上約1/3樁長(zhǎng)處，徑向影響范圍10d左右。由于管樁的貫入，土體的孔壓明顯增大，最大值出現(xiàn)在樁端楔形體處，達(dá)到909.9kPa。由沉樁引起的超孔壓，使樁端楔形體附近土體環(huán)向有效應(yīng)力減小，在距樁約1d處甚至出現(xiàn)了正的環(huán)向有效應(yīng)力，這是由于部分土體由于孔壓過大，環(huán)向上從受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，形成了類似“砂土液化”的現(xiàn)象。

圖6 超孔壓分布云圖

沉樁長(zhǎng)度與超孔壓關(guān)系、超孔壓分布與深度和水平距離關(guān)系分別如圖7和圖8所示。由圖7可知，在數(shù)值上，最大超孔壓隨著沉樁長(zhǎng)度的增加而呈現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì)。圖8可知，在豎直方向上，在樁體范圍內(nèi)超孔壓沿著深度的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在樁身和樁端楔形體連接處達(dá)到最大。在樁端以下，隨著距樁端距離的增大而迅速減小，在距離樁端約5d外的超孔壓大小幾乎為0，可知超孔壓對(duì)樁端下土體影響范圍在5d左右。

圖7 沉樁長(zhǎng)度與最大超孔壓關(guān)系圖

圖8 不同深度超孔壓與水平距離關(guān)系圖

4 結(jié)語

本文依托于某長(zhǎng)江二橋南岸k32點(diǎn)為研究對(duì)象，使用ABAQUS有限元分析軟件計(jì)算了樁端楔形體對(duì)沉樁過程中擠土引起的有效應(yīng)力場(chǎng)和超孔壓的影響。結(jié)論如下：

①沉樁引起了樁附近較大范圍土體的應(yīng)力變化。徑向有效應(yīng)力的影響范圍大致為10d，豎向有效應(yīng)力的影響范圍約為5d～7d，環(huán)向有效應(yīng)力的影響范圍約為2d～3d。徑向有效應(yīng)力的變化表現(xiàn)出“上凸”的規(guī)律；豎向有效應(yīng)力表現(xiàn)出“下凹”的規(guī)律；環(huán)向有效應(yīng)力表現(xiàn)出靠近樁周附近“上凸”，遠(yuǎn)離樁周附近“下凹”的趨勢(shì)。在數(shù)值上，最大徑向有效應(yīng)力出現(xiàn)在樁身與樁端楔形體連接處，樁身與樁端楔形體連接處豎向有效應(yīng)力和環(huán)向有效應(yīng)力均減小。

②沉樁引起的剪應(yīng)力大致呈“X”型分布。樁端附近土體剪應(yīng)力為正值，影響范圍約10d，數(shù)值上最大可達(dá)105.3kPa，樁端上側(cè)土體剪應(yīng)力為負(fù)值，影響范圍為3d作用，最大值為-157.7kPa。在樁端楔形體與樁身連接處產(chǎn)生明顯大于周圍土體的mises應(yīng)力，最大值達(dá)342.14kPa，該點(diǎn)最容易發(fā)生塑性破壞。

③超孔壓分布于樁端楔形體以上1/3樁長(zhǎng)區(qū)域，徑向影響范圍大致為10d，對(duì)樁端下土體影響范圍在5d左右。由于管樁的貫入，土體的孔壓明顯增大，最大超孔壓隨著沉樁長(zhǎng)度的增大而線性增大，最大值出現(xiàn)在樁端楔形體處，最大值為909.9kPa。由沉樁引起的超孔壓，使樁端楔形體附近土體環(huán)向有效應(yīng)力減小，這是由于部分土體由于孔壓過大，環(huán)向上從受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾纬闪祟愃啤吧巴烈夯钡默F(xiàn)象。