海島地區(qū)管樁靜壓沉樁與固結(jié)數(shù)值模擬研究

蔡 軍，毛 力，馮浩清，馬昊天，王 哲，宋佳峰*，章 韜

(1. 華東工程咨詢有限公司，311122，杭州；2. 浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，310023，杭州；3.金華市多湖中央商務(wù)區(qū)建設(shè)投資有限公司，321000，浙江，金華)

0 引言

對(duì)于一些深厚軟土地基，以預(yù)應(yīng)力管樁等為代表的剛性樁復(fù)合地基得到廣泛的重視。但預(yù)應(yīng)力管樁在貫入過(guò)程中會(huì)不可避免地要對(duì)樁周土體產(chǎn)生位移與孔隙水壓力。沉樁完成后隨著孔隙水壓力的緩慢消散土體會(huì)再固結(jié)，可能使樁體受到負(fù)摩阻力的影響[1]。因此，許多學(xué)者對(duì)沉樁擠土效應(yīng)與固結(jié)問(wèn)題，展開(kāi)了許多研究并取得了一定成功。王海剛等通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了靜壓沉樁過(guò)程中樁身的應(yīng)力與阻力分布規(guī)律[2]。桑松魁等利用Abaqus研究了沉樁過(guò)程中樁土接觸面的孔隙水壓力消散規(guī)律[3]。錢峰等通過(guò)模型試驗(yàn)的方式研究沉樁過(guò)程中的孔隙水壓力變化規(guī)律[4]。雷華陽(yáng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了沉樁對(duì)樁周土體位移的影響[5]。

本文為研究沉樁引起的土體位移變化以及超靜孔隙水壓力消散規(guī)律，減少沉樁帶來(lái)的不利影響，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的工程實(shí)踐，建立了符合實(shí)際工程的有限元模型，詳細(xì)地分析了沉樁擠土效應(yīng)引起的位移場(chǎng)規(guī)律與影響范圍；超靜孔隙水壓力產(chǎn)生和消散過(guò)程，得到單樁沉樁引起的超靜孔隙水壓力的規(guī)律和影響范圍。

1 有限元模型

管樁靜壓數(shù)值模擬屬于巖土貫入問(wèn)題，較為復(fù)雜。本文基于Abaqus并利用有限單元法進(jìn)行管樁靜壓施工以及工后樁周土體固結(jié)模擬。有限單元法廣泛地用于樁基計(jì)算中，它是十分有力的計(jì)算工具。許多學(xué)者已將之引入樁體貫入過(guò)程分析中。

1.1 基本假設(shè)

1)采用二維軸對(duì)稱方式模擬單樁靜壓過(guò)程。

2)樁體采用離散剛體單元。

3)土體為均勻連續(xù)彈塑性介質(zhì)，采用修正劍橋模型作為計(jì)算本構(gòu)。

4)樁土接觸采用硬接觸，允許切向滑動(dòng)。

5)通過(guò)添加位移邊界實(shí)現(xiàn)樁基靜壓沉樁。

6)土體為飽和土，地下水位位于地表，土體固結(jié)時(shí)，地表為排水邊界。

7)土體固結(jié)計(jì)算中控制方程采用Biot固結(jié)理論，不考慮孔隙比、滲透系數(shù)及土體模量沿地基深度的變化，也不考慮隨固結(jié)過(guò)程變化。

1.2 模型參數(shù)

樁基長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)在實(shí)際長(zhǎng)度選擇8 m，直徑500 mm。網(wǎng)格劃分土體需選擇CAX4P(四節(jié)點(diǎn)二維軸對(duì)稱單元)，樁身采用離散剛體計(jì)算。計(jì)算模型如下圖1所示。

圖1 土體本構(gòu)模型

土體本構(gòu)模型采用修正劍橋模型(簡(jiǎn)稱MCC)，Abaqus有限元計(jì)算中修正劍橋模型的建立需要配合多孔彈性模型。模型參數(shù)來(lái)源于工程地質(zhì)勘察報(bào)告以及相關(guān)文獻(xiàn)借鑒[6]，具體各項(xiàng)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 多孔介質(zhì)彈性模型參數(shù)

表2 黏土塑性模型參數(shù)

其余重要步驟如下：1)通過(guò)預(yù)定義場(chǎng)的方式進(jìn)行地應(yīng)力平衡；2)孔隙水壓力添加；3)靜壓沉樁位移邊界。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 位移場(chǎng)分析

2.1.1 施工過(guò)程中位移場(chǎng)分析 如圖2所示為徑向0.3 m的土體在靜壓貫入過(guò)程中的水平位移與豎向位移曲線圖。對(duì)于水平位移，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：1)在施工初期，水平位移出現(xiàn)波動(dòng)，先從地表處的68.3 mm減小至52 mm而后增大至84 mm；2)沉樁過(guò)程中，最大水平位移始終發(fā)生在樁端且基本在80～100 mm之間波動(dòng)；3)樁端以下水平位移較小，在樁端下2 m即深度10 m時(shí)，水平位移為0 mm。

圖2 徑向0.3 m處土體靜壓過(guò)程中位移曲線圖

對(duì)于垂直位移，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：1)在沉樁施工過(guò)程中，由于擠土作用，樁周表層土體發(fā)生隆起，該規(guī)律與徑向位移場(chǎng)規(guī)律一致；靜壓約1 m時(shí)隆起變形減小至0，繼續(xù)靜壓，土體發(fā)生向下壓縮變形。2)沉樁過(guò)程中，最大豎向位移始終發(fā)生在樁端，例如沉樁2 m時(shí)，最大豎向位移發(fā)生于深度2 m處，約為46 mm；隨著垂直距離的增大，受樁側(cè)摩阻力作用，豎向位移逐漸累計(jì)，并在樁端達(dá)到峰值，峰值約為114 mm；由于采用勻速靜壓，因此位移速率始終保持不變(表現(xiàn)為曲線重合)。3)樁端以下土體受沉樁影響擾動(dòng)較小，位移迅速衰減。在樁端以下約1.5 m即深度為9.5 m左右時(shí)，無(wú)位移產(chǎn)生。

2.1.2 工后位移場(chǎng)分析 如圖3顯示為沉樁靜壓施工過(guò)程中，樁周徑向土體水平及豎直位移的變化情況。

圖3 工后樁周土體位移變化曲線圖

對(duì)于水平位移，如圖3～圖5所示：1)由于沉樁的擠土作用，對(duì)樁側(cè)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生較大徑向位移。例如，當(dāng)徑向距離為0.3 m，地表水平位移為68.3 mm，而深度為0.6 m 時(shí)，水平位移急劇增大至84.8 mm。隨著深度的增加，水平位移波動(dòng)增大，在7.1 m處達(dá)到峰值，為103.9 mm。就此可以得出，徑向距離越小擾動(dòng)程度越大。2)如圖4與圖5所示，徑向水平位移在相同深度的情況下，隨著徑向距離的增大而迅速減小且符合對(duì)數(shù)關(guān)系，呈現(xiàn)對(duì)數(shù)衰減。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸下呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。例如地表處徑向距離0.3 m的水平位移68.3 mm，而徑向距離1.5 m的地表處水平位移為8.7 mm，數(shù)值急劇衰減，二者相差7.85倍。徑向距離2 m處的地表水平位移5.27 mm，變形基本穩(wěn)定。進(jìn)一步的，利用該線性關(guān)系，進(jìn)行擬合分析計(jì)算，判斷地表水平位移在徑向的影響范圍約為4 m。3)而不同徑向距離在垂直方向上的水平位移變化規(guī)律近似相同，具體為在0～2 m范圍內(nèi)略微減小而后逐漸增大。當(dāng)深度達(dá)到10.5 m時(shí)，無(wú)位移產(chǎn)生。對(duì)比施工過(guò)程中水平位移的變化可知，在沉樁工后，位移場(chǎng)存在擴(kuò)張。

圖4 地表水平位移徑向分布圖

圖5 地表水平位移雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

對(duì)于垂直位移，結(jié)合圖3、圖6和圖7所示：1)由于沉樁的擠土作用，地表土體產(chǎn)生一定的隆起。如圖6與圖7所示，隆起值隨著徑向距離的增大而逐漸衰減，符合對(duì)數(shù)關(guān)系。地表位移的徑向影響范圍為4 m，即8倍樁徑。2)沉樁對(duì)樁周土體的影響隨著徑向距離的增大而減小。例如，徑向距離0.3 m處，地表隆起55.3 mm，隨著深度的不斷增大，并在7.5 m處(樁長(zhǎng)8m)達(dá)到峰值約112 mm。該峰值分別約為徑向距離0.6 m峰值(48.5 mm)的2.3倍與0.9 m峰值(11.7)的9.6倍。3)深度方向上，徑向距離為1.5 m與2 m時(shí)，豎向位移曲線近似為一條直線，因此可以推測(cè)沉樁對(duì)豎向位移的影響范圍約為徑向的2 m，即至少為4倍樁徑。同時(shí)，在樁端以下6 m范圍內(nèi)，土體均存在一定的豎向壓縮變形。

圖6 地表垂直位移徑向分布

圖7 地表垂直位移雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖

2.2 孔隙水壓力消散規(guī)律分析

圖8～圖13所示即為ABAQUS模擬時(shí)靜壓沉樁工后超靜孔隙水壓力消散過(guò)程。圖8所示為沉樁過(guò)程，土體受到擠壓與剪切作用即開(kāi)始產(chǎn)生超孔隙水壓力，并向四周呈球形擴(kuò)張。繼續(xù)增加并在短時(shí)內(nèi)達(dá)到峰值，最大豎向影響范圍約在樁端下2 m位置。如圖9～圖12所示為沉樁完成后，超孔隙水壓力開(kāi)始消散過(guò)程，由于淤泥質(zhì)黏土滲透系數(shù)較小，因此消散速率較為緩慢。隨著時(shí)間的增加，孔隙水從地表排出，超孔壓慢慢地消散，該過(guò)程持續(xù)約兩周時(shí)，超孔壓已消散約70%。如圖13所示，即工后約50 d時(shí)大部分孔隙水壓力完全消散。該過(guò)程同現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)所示的規(guī)律較為相似。

圖8 0 h

圖9 1 h

圖10 1 d

圖11 2 d

圖12 15 d

圖13 50 d

如圖14、圖15所示。為不同深度(3 m、6 m)下，不同徑向距離(0.5 m、1 m、2 m、5 m)處土體的孔隙水壓力隨時(shí)間消散的曲線圖。通過(guò)對(duì)這8個(gè)位置的曲線圖分析確定沉樁對(duì)周圍土體擾動(dòng)區(qū)域范圍以及超孔壓消散規(guī)律。

圖14 深度3 m處超孔壓消散曲線

圖15 深度6 m處超孔壓消散曲線

由圖14、圖15可知，沉樁深度6 m與3 m進(jìn)行對(duì)比可以看到，孔壓的峰值明顯增大，所以超孔壓的峰值隨著沉樁深度的增加而增加。當(dāng)沉樁施工完成后，負(fù)孔隙水壓力迅速消失并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，在工后緩慢消散，歷時(shí)約50 d后趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步地，超孔壓的峰值隨著徑向距離的增大而減小。例如，徑向距離0.5 m時(shí)，深度3 m的峰值約為55.9 kPa，深度6 m的峰值86.8 kPa，遠(yuǎn)大于同一深度下徑向距離為5 m的峰值。因此可以判斷，超靜孔壓在徑向的影響范圍約為5 m，即約為10倍樁徑。當(dāng)歷時(shí)約55 d時(shí)，孔隙水壓力基本穩(wěn)定，不再變化。

3 結(jié)論

本文利用ABAQUS軟件，用軸對(duì)稱模型，實(shí)現(xiàn)模擬樁貫入以及樁周土體固結(jié)的過(guò)程。得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)位移場(chǎng)分析。闡述了靜壓施工過(guò)程即工后樁周土體位移場(chǎng)的一般規(guī)律，給出了位移場(chǎng)徑向以及豎向的影響范圍。

2)超孔隙水壓力分布分析。闡述了超孔隙水壓力的產(chǎn)生與消散規(guī)律，給出了超孔隙水壓徑向影響范圍，為5 m。由于淤泥土的滲透性較差，因此消散時(shí)間較為漫長(zhǎng)，約為55 d，該規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所得規(guī)律相符。

3)施工建議措施。①增加排水通道，加速由靜壓沉樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力的消散，使承載力短期內(nèi)提升；②質(zhì)量控制措施：改變壓樁順序使其更合理，可采取間隔跳打方法；控制壓樁速度，避免沉樁速度過(guò)大；設(shè)置應(yīng)力釋放孔和挖防擠溝；③合理布置樁間距，減少擠土位移場(chǎng)對(duì)臨近樁基穩(wěn)定性的影響。