軟土地基預(yù)制樁沉樁對樁周土體擾動研究

張軍菲，鄭昆鵬，邊曉亞

（1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；2.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”戰(zhàn)略推進，我國東部沿海城市和港口迎來新的發(fā)展。然而，東部沿海地區(qū)地層主要為軟土，土體工程性質(zhì)較差，高層建筑一般采用樁基礎(chǔ)等深基礎(chǔ)作為建筑物的下部結(jié)構(gòu)［1］。預(yù)制樁作為擠土樁或部分?jǐn)D土樁，在沉樁過程中會擠壓周圍土體，擾動土體結(jié)構(gòu)，改變土體的應(yīng)力狀態(tài)，使周圍土體工程性質(zhì)降低，影響樁基承載力［2］。軟土土體工程性質(zhì)特殊，軟土含水量較高，顆粒之間接合力較弱，因此其抗剪強度和承載能力相對較低，同時軟土還具有較大的壓縮變形和沉降特性，所以預(yù)制樁沉樁過程產(chǎn)生的擠土效應(yīng)相較于其他土層更加嚴(yán)重。

目前，對擠土效應(yīng)的研究主要有理論分析、試驗研究、數(shù)值模擬3種方法。20世紀(jì)70年代，Butterfield團隊首次在平面問題的條件下引入沉樁問題，并用小孔擴張理論解決此問題［3］。此后，國內(nèi)外學(xué)者在理論分析方面取得豐富的研究成果［4－6］。但預(yù)制樁沉樁是一個動態(tài)貫入的過程，理論分析不能綜合考慮樁體貫入時樁土之間的相互作用。為了還原真實的沉樁過程，學(xué)者們展開了相關(guān)試驗及數(shù)值模擬。萬星等［7］開展了大面積預(yù)制方樁錘擊貫入的現(xiàn)場試驗研究；Li等［8］通過現(xiàn)場試驗測量了沉樁對已有公路路堤的影響；陸燁等［9］基于DIC技術(shù)開展了砂土地基中靜壓樁沉樁的室內(nèi)半樁模型試驗；馬曉冬等［10］采用ABAQUS更新拉格朗日法，對打入樁沉樁過程中樁周土體的位移和孔隙水壓力的變化規(guī)律進行了研究；肖勇杰等［11］采用ALE有限元方法，對開口管樁高頻振動貫入過程中擠土效應(yīng)、樁側(cè)阻力和土塞效應(yīng)的變化規(guī)律進行研究；魏麗敏等［12］采用CEL有限元分析方法，研究了靜壓單樁樁周位移場變化規(guī)律。

綜上所述，已有研究主要針對沉樁完成后樁周土體位移和應(yīng)力的分布規(guī)律，而對沉樁過程中樁周土體響應(yīng)變化的討論較少。因樁體拖曳，樁周土體的位移和應(yīng)力達到最大值后會有所減?。?3］。因此，為探究預(yù)制樁沉樁對樁周土體的擾動規(guī)律，本文采用有限元分析軟件ABAQUS自帶的耦合歐拉－拉格朗日方法（CEL方法）對預(yù)制樁沉樁過程進行模擬，得到沉樁過程中樁周土體位移和應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，以及沉樁完成后樁周土體位移和應(yīng)力的分布規(guī)律，所得結(jié)論可為工程實踐和類似研究提供參考。

1 模型建立

樁體采用拉格朗日體建模，單元類型為C3D8R（8節(jié)點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制），將其綁定為剛體，采用彈性本構(gòu)模型，樁體尺寸為12 m×0.4 m（樁長×樁徑）。

沉樁問題是空間軸對稱問題，因此建立1／4模型，為了盡量減少邊界效應(yīng)的影響，設(shè)置土體尺寸長×寬×高為8 m×8 m×25 m，土體采用歐拉體進行描述，在頂部1 m范圍內(nèi)設(shè)置為歐拉空域，用于容納地表隆起的土體，采用Mohr－Coulomb彈塑性本構(gòu)模型。單元類型為EC3D8R（8節(jié)點線性歐拉六面體單元，減縮積分，沙漏控制），為了保證計算效率及確保計算結(jié)果精確，對靠近樁體部分的網(wǎng)格進行細(xì)化，靠近樁體的網(wǎng)格尺寸采用D／W＝4（D為樁徑，W為網(wǎng)格尺寸）。有限元計算模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

在模型四周及底部施加數(shù)值為0的法向速度，限制歐拉體流出模型邊界。接觸條件參考文獻［12］進行設(shè)置，樁土之間的接觸采用通用接觸，分別用法向接觸和切向接觸描述樁土之間的法向和切向行為，法向接觸采用“硬接觸”進行描述，切向接觸采用“罰函數(shù)”進行描述，其中樁土界面摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗系數(shù)取0.1。

設(shè)置兩個分析步，第一個分析步是地應(yīng)力平衡分析步，分析步長設(shè)置為0.1 s，在預(yù)定義場施加地應(yīng)力及對應(yīng)坐標(biāo)，同時給定相應(yīng)的側(cè)向土壓力系數(shù)。在豎直方向施加－9.8 m／s2的重力加速度進行地應(yīng)力平衡。第二個分析步是沉樁分析步，采用位移貫入法，在樁頂Z方向施加－12 m的位移來模擬樁體貫入土體的過程，分析步長設(shè)為60 s，即沉樁速度為0.2 m／s，文獻［14］對沉樁速度為0.2 m／s的收斂性進行了分析。設(shè)置示蹤粒子對監(jiān)測點土體進行追蹤，通過示蹤粒子記錄的位移變量輸出土體位移。

本文土體采用Mohr－Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，樁－土摩擦系數(shù)f＝0.1，其他計算參數(shù)如表1所示。

表1 土體和樁體參數(shù)

2 樁周土體位移規(guī)律

2.1 沉樁過程中土體位移變化規(guī)律

為了研究沉樁過程中樁周土體的位移規(guī)律，以6 m深度處土體為例，對沉樁過程中距樁芯不同距離土體的響應(yīng)規(guī)律進行分析。

圖2為沉樁過程中6 m深度處土體水平位移和豎向位移的響應(yīng)規(guī)律。由圖2（a）可以看出，當(dāng)沉樁深度到達4 m時，土體開始移動，并且在沉樁深度為5～6 m時，土體位移迅速增加并達到最大值，之后再減小，最后趨于穩(wěn)定。這主要因為樁側(cè)土體受樁體拖曳的影響，樁尖上方樁身附近土體向樁身方向移動，隨著距樁中心距離的增加，拖曳力影響逐漸減弱。由圖2（b）可以看出，沉樁過程中樁周土體的豎向位移的響應(yīng)規(guī)律與水平位移的響應(yīng)規(guī)律相似，位移最大值均出現(xiàn)在6 m深度左右。區(qū)別在于，近樁處土體的豎向位移大于水平位移，且距樁中心為1R時，前者約為后者的兩倍，但豎向位移受拖曳力影響小于水平位移，如距樁中心1R處土體水平位移達最大值0.096 m后減小為0.087 m，約減小0.01 m，但豎向位移由0.217 m減小為0.212 m，僅減小約0.005 m，且隨著沉樁深度的增加，土體豎向位移又基本恢復(fù)到最大值。距樁中心2R處土體水平位移到達最大值后明顯減小，但豎向位移基本趨于穩(wěn)定。隨著距樁中心距離的增加，拖曳力對水平位移和豎向位移的影響均逐漸減弱。

圖2 沉樁過程中土體位移變化規(guī)律（6 m深度處）

2.2 沉樁完成后土體位移分布規(guī)律

為了研究沉樁完成后樁周土體位移的分布規(guī)律，提取樁周土體的位移，圖3為沉樁完成后土體位移徑向分布規(guī)律（圖中H為土體深度），圖4為沉樁完成后土體位移豎向分布規(guī)律（以距樁中心3R、6R、9R處土體為例）。

圖3 沉樁完成后土體位移徑向分布

圖4 沉樁完成后土體位移豎向分布

由圖3可以看出，樁周土體的水平位移隨著距樁中心距離的增加呈對數(shù)形式減小，地表處水平位移小于樁身范圍內(nèi)土體的水平位移。樁周土體的豎向位移在地表1.5 m范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為向上隆起，貼近樁體區(qū)域部分因樁體拖曳力的作用下沉，除地表外樁周土體的豎向位移呈對數(shù)形式減小，地表處土體表現(xiàn)為向上隆起，約在1.5R處隆起值達到最大值，之后隨著距樁中心距離增加，隆起值逐漸減小。

由圖4可以看出，樁周3R處土體地表水平位移迅速減小，之后隨土體深度增加，呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定、在樁尖附近達到最大值、在樁尖下部迅速減小的趨勢。樁周3R處土體的豎向位移在1.5 m深度以上表現(xiàn)為向上隆起，在1.5 m以下表現(xiàn)為下沉，并在4 m左右達到最大值，之后緩慢減小，在樁尖下部迅速減小。距樁中心6R和9R處土體的位移趨勢與距樁中心3R處土體的位移趨勢相似，不再贅述。

分析圖3和圖4可知，沉樁過程中近樁處土體會產(chǎn)生較大的豎向位移和水平位移，但遠(yuǎn)樁處土體主要表現(xiàn)為水平位移，當(dāng)距樁中心1.5 m時，土體豎向位移遠(yuǎn)小于其水平位移。

3 參數(shù)分析

相關(guān)研究表明，改變土體參數(shù)會對擠土位移產(chǎn)生較大影響，特別是土體彈性模量和泊松比，因為彈性模量和泊松比直接關(guān)系到土壤的變形特性和剛度，而擠土位移正是由于土體受到外力作用而發(fā)生變形導(dǎo)致的［11，15－16］。因此本文主要對彈性模量、泊松比對擠土效應(yīng)進行了分析。

3.1 彈性模量對樁周土體位移的影響

為研究土體彈性模量對樁周土體位移的影響，對彈性模量為10 MPa、20 MPa、30 MPa的土體進行研究。圖5為彈性模量對距樁中心3R、6R處土體水平位移和豎向位移的影響曲線。由圖5（a）可知，彈性模量不同時，樁周土體水平位移分布規(guī)律相似，且樁周土體的水平位移值相差較小，說明彈性模量對樁周土體水平位移較小。由圖5（b）可以看出，隨著彈性模量的增加，樁周土體豎向位移逐漸增加，以距樁中心3R處土體最大向下豎向位移為例，當(dāng)彈性模量由10 MPa增加至20 MPa和30 MPa時，樁周土體豎向位移由0.039 1 m增加為0.047 6 m和0.050 5 m，分別增加21.7%和29.2%。

圖5 彈性模量對樁周土體位移的影響曲線

3.2 泊松比對樁周土體位移的影響

為研究泊松比對樁周土體位移的影響，分別對土體泊松比為0.32、0.4、0.48時的土體進行研究。圖6為沉樁完成后泊松比對距樁中心3R、6R處土體水平位移和豎向位移的影響曲線。由圖6（a）可以看出，隨著泊松比的增加，土體水平位移逐漸增加，以距樁中心3R處土體最大向下豎向位移為例，當(dāng)泊松比由0.32增加至0.4和0.48時，樁周土體徑向位移由0.034 2 m增加為0.041 7 m和0.042 1 m，分別增加21.9%和23.1%，隨著距樁中心距離的增加，這種變化趨勢仍然明顯。由圖6（b）可以看出，距樁中心3R處，隨著泊松比的增加，土體豎向位移逐漸增加，當(dāng)泊松比由0.32增加至0.4和0.48時，樁周土體豎向位移由0.039 m增加為0.040 1 m和0.051 7 m，分別增加2.8%和32.6%。距樁中心6R處土體豎向位移受泊松比影響較小。

圖6 泊松比對樁周土體位移的影響曲線

4 結(jié)論

采用CEL方法對軟土地基預(yù)制樁沉樁的擾動規(guī)律進行了研究，分析了沉樁過程中和沉樁后樁周土體位移的變化規(guī)律，并對影響土體位移的相關(guān)參數(shù)進行分析。主要結(jié)論如下：

（1）沉樁過程中，當(dāng)沉樁到達相應(yīng)深度時，靠近樁身的土體受到樁體拖曳，徑向位移先增加后減小，隨著距樁中心距離的增加影響程度逐漸減弱。

（2）沉樁后，樁周土體徑向位移分布沿徑向呈對數(shù)形式衰減，近樁處土體豎向位移大于徑向位移，當(dāng)距樁中心距離大于1.5 m時，土體位移主要表現(xiàn)為徑向位移。

（3）土體彈性模量和泊松比的大小影響樁周土體的位移，隨著彈性模量的增加，樁周土體豎向位移逐漸增加，隨著泊松比的增加，土體徑向位移和豎向位移均增加。