不同樁尖角對PHC管樁沉樁擠土應力場的影響

柳玉林

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

1 引言

隨著我國建設工程的高速發(fā)展，越來越多的建筑物拔地而起，PHC管樁憑借其單樁承載力高、應用范圍廣、沉樁質(zhì)量可靠、造價低等優(yōu)點，在工程建設中得到了廣泛推廣。但是隨之而來的是一系列工程問題，其中PHC管樁在沉樁過程中會產(chǎn)生一定的擠土效應，引起樁周土體的水平位移以及產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力，導致斷樁和承載力不足等工程問題[1～3]。目前，國內(nèi)外學者對于PHC管樁的研究主要集中在現(xiàn)場測試及室內(nèi)試驗的研究上，而這些試驗很難研究出沉樁貫入過程中產(chǎn)生的問題，例如沉樁的擠土效應[4～5]。一些學者研究表明，樁尖角對沉樁過程中產(chǎn)生的擠土效應有著顯著影響[6]，而目前國內(nèi)外對此研究甚少。因此，亟需開展樁尖角對沉樁擠土效應的影響研究，為PHC管樁的設計、施工提供參考。本文基于蕪湖長江二橋PHC管樁基礎工程項目，通過ABAQUS有限元數(shù)值軟件，對PHC管樁沉樁過程進行模擬，研究了不同樁尖角對PHC管樁沉樁過程中的擠土應力場的影響，最后結合計算結果對無樁尖角下的沉樁擠土應力場進行預測。

2 沉樁模型參數(shù)選取及建立

2.1 計算參數(shù)的選取

本文選取了蕪湖長江二橋PHC管樁基礎工程K35點作為數(shù)值模擬對象。現(xiàn)場靜力觸探結果如表1所示。

K32靜力觸探試驗結果 表1

結合現(xiàn)場靜力觸探結果，本次計算模型土層共分為兩層，第一層為粉質(zhì)黏土層，第二層為細砂層。通過現(xiàn)場取樣，進行室內(nèi)土工試驗獲取兩層的基本物理力學參數(shù)，換算后的模型計算參數(shù)如表2所示，其中粉質(zhì)黏土層采用修正劍橋模型，細砂層采用Mohr-Coulomb模型，PHC管樁采用彈性模型。本模型中初始孔隙比隨著沉樁深度的增加而線性減小，取值0.8～1。

2.2 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件模擬不同樁尖角對沉樁擠土應力場的影響，為了方便計算，現(xiàn)做以下簡化。

①由于細砂層較厚，沉樁貫入中極易產(chǎn)生閉塞，因此本次計算不考慮土塞效應。

②由于有限元軟件在網(wǎng)格劃分時，要求網(wǎng)格連續(xù)且不能有較大的變形，否則會導致計算不收斂，因此在本次建模中無法建立無樁尖角，即樁尖角180°平角時的模型，而由楔形體理論可知，平頭樁在沉樁擠土中產(chǎn)生的破壞形式與帶樁尖的樁體類似[7]。故本文中通過模擬不同樁尖角情況下的擠土效應來推測無樁尖（樁尖角等于180°）時的擠土應力場規(guī)律。

③本算例中的模型簡化為軸對稱問題進行計算[8]。沉樁過程中通過指定由樁頂向下的位移條件進行求解。

④邊界條件中，對土體施加一個y方向，大小為-10kN垂直荷載。

⑤樁身采用CAX4網(wǎng)格類型，由于有滲流作用的影響，土層采用CAX4P網(wǎng)格類型[9]。本次計算中，對結果產(chǎn)生影響的僅垂直向，水平向的影響可忽略不計，因此為了提高計算機求解效率，水平向網(wǎng)格采用漸進稀疏式劃分。

建立樁土模型，如圖1所示。

圖1 樁土模型圖

3 不同樁尖角對沉樁擠土應力場的影響

本文分別設置了樁尖角為30°、60°和90°三組不同樁尖角的計算模型，并根據(jù)這三組模型的計算結果來推測無樁尖角，即樁尖角為180°平角時的擠土應力場。

材料計算參數(shù)表 表2

3.1 三組樁尖角管樁擠土應力場分析

不同樁尖角下沉樁擠土應力如圖2、圖3、圖4所示。由圖2、圖3可知，樁尖角對沉樁過程中總體應力的分布影響較小，主要對樁尖局部小范圍內(nèi)的應力分布產(chǎn)生影響。隨著樁尖角的增大，樁尖下方徑向范圍內(nèi)產(chǎn)生的負壓區(qū)域隨著樁尖角的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢。由圖4可知，隨著樁尖角的增大，剪應力呈“x”型分布，其下翼為剪應力為正值的區(qū)域，其范圍隨著樁尖角的增大而不斷擴大，數(shù)值上隨著樁間角的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢。其上翼為剪應力為負值的區(qū)域，其范圍隨著樁間角的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢，數(shù)值上隨著樁間角的增大而增大?？赏茰y隨著樁尖角的增大，最終剪應力為負值的區(qū)域（上翼）會緊貼樁側(cè)，剪應力為正值的區(qū)域（下翼）會消失。

圖4 不同樁尖角下的擠土剪應力云圖（局部）

3.2 無樁尖角管樁擠土應力場分析

由以上分析可得出無樁尖角（樁尖角為180°）下的沉樁擠土應力場的分布規(guī)律，推斷的擠土應力場如圖5所示。

圖5 無樁尖角（樁尖角180°）沉樁應力推測圖

由圖5可知，無樁尖角時沉樁引起的s11、s22、s33、s12應力的影響范圍，均處在距離樁心10d的區(qū)域內(nèi)。沉樁引起樁端拐角處產(chǎn)生應力集中，在鄰近區(qū)域形成一個梨形影響區(qū)，s11和s33沿樁側(cè)分布的應力顯著增大。s22表現(xiàn)為在樁端下方的土體由于受到壓縮而增大，在樁端附近的樁側(cè)土體由于受到拉應力產(chǎn)生卸載作用而減小。剪應力同樣呈“x”型分布，上翼的剪應力為負值，下翼剪應力為正值。

4 結論

本文以蕪湖長江二橋管樁基礎工程項目南岸k35點為研究基礎，通過ABAQUS有限元數(shù)值軟件，對PHC管樁沉樁過程進行模擬，研究了不同樁尖角對PHC管樁沉樁過程中的擠土應力場的影響，最后結合計算結果對無樁尖角（樁尖角=180°）時的沉樁擠土應力場進行預測。主要結論如下。

①樁尖角對總體應力的分布基本無影響，僅在樁尖局部區(qū)域產(chǎn)生了小范圍的影響。隨著樁尖角的增大，樁尖下方負壓范圍呈現(xiàn)減小的趨勢。剪應力呈“x”型分布，區(qū)域下翼的剪應力為正值，范圍增大，數(shù)值減小；而上翼的剪應力為負值，范圍減小，數(shù)值增大。

②由三組樁尖角計算結果可推測，無樁尖角（樁尖角180°）時沉樁擠土應力場，推測可知s11、s22、s33、s12的影響范圍都集中在距離樁心10d范圍內(nèi)。沉樁造成樁端的拐角處產(chǎn)生應力集中，s11和s33沿樁側(cè)分布的應力顯著增大；s22在樁端下方由于受到壓縮而增大，樁端附近的樁側(cè)土體由于受到拉應力產(chǎn)生的卸載作用而減?。患魬ν瑯映省皒”型分布，上翼的剪應力為負值，下翼剪應力為正值。