層狀地基中大直徑鋼管樁承載力數(shù)值分析

巴蛟龍，汪志翔，吳永強(qiáng)，王其祥，戎 葛

（中鐵七局集團(tuán)（惠州）工程建設(shè)有限公司 廣東惠州 516000）

0 引言

巖土工程的日益發(fā)展，工程規(guī)模越來越大并且需求多、工期短。開口大直徑管樁被越來越多的采用在港口、大跨度橋梁等大型工程中。管樁在連續(xù)貫入的過程中，伴隨著樁周土顆粒的破碎，引起周圍土體的應(yīng)力場重分布并發(fā)生變形。相較于小直徑管樁貫入，大直徑管樁極限承載力在土體中的擴(kuò)散范圍更廣。且由于大直徑管樁貫入深度更深，會(huì)遇到黏土層下臥砂土層的工況，管樁極限承載力響應(yīng)更為復(fù)雜。相比于現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗(yàn)，數(shù)值模擬的研究方法更為經(jīng)濟(jì)高效。

針對連續(xù)貫入引起土體大變形，數(shù)值模擬中通常采用任意拉格朗日-歐拉（ALE）方法［1-2］、基于小應(yīng)變的網(wǎng)格重劃分和插值技術(shù)（RITSS）［3-4］、物質(zhì)點(diǎn)法（MPM）［5-6］和耦合歐拉-拉格朗日（CEL）法［7-8］來進(jìn)行三維模擬。其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 大變形模擬方法優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and Disadvantages of Large Deformation Finite Element Calculation Technology

CEL法原理如下：對剛度較大的材料采用拉格朗日體模擬，將剛度較小容易變形的材料模擬為歐拉體。CEL法在網(wǎng)格變形之后，網(wǎng)格不需要進(jìn)行重新劃分，而是將變量映射到原有的網(wǎng)格上，歐拉網(wǎng)格保持不變，材料可以在網(wǎng)格單元中“自由流動(dòng)”，避免了因出現(xiàn)網(wǎng)格畸變而造成的數(shù)值不穩(wěn)定。CEL法中將黏土層模擬為歐拉體，在網(wǎng)格中“自由流動(dòng)”的效果契合貫入過程中的大變形情況。

1 管樁承載力計(jì)算

我國現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于樁基承載力的計(jì)算方法大致可分為四類：

⑴理論公式法。計(jì)算深基礎(chǔ)承載力的經(jīng)典理論有：太沙基承載力理論、別列柴策夫公式等。梁超等人［9-10］研究發(fā)現(xiàn)太沙基公式充分考慮了邊載對樁基承載力的貢獻(xiàn)，計(jì)算結(jié)果明顯高于CAWAP動(dòng)測結(jié)果，相對誤差達(dá)到了1 794.2%其中邊載貢獻(xiàn)超過90%以上；當(dāng)樁端進(jìn)入砂性土層時(shí)，別列柴策夫法計(jì)算的結(jié)果以17.4%的誤差最接近動(dòng)測結(jié)果。

⑵對樁端土體抗剪強(qiáng)度加以修正。VESIC［11］提出了一種基于小孔擴(kuò)張理論的承載力計(jì)算方法，其公式為q=NcSu，其中Nc為樁基阻力系數(shù)，美國石油協(xié)會(huì)（API）取Nc=9.0，以樁端土體的不排水抗剪強(qiáng)度為基礎(chǔ)確定單位樁基承載力［12］，目前廣泛應(yīng)用于海上樁基工程中。

⑶基于原位靜力觸探試驗(yàn)（CPT/CPTU）的結(jié)果，結(jié)合樁端以下一定范圍的平均錐尖阻力以及該范圍土體力學(xué)參數(shù)加以修正得出。LEHANE［13］根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，提出考慮范圍采用樁端以下20倍樁壁厚的區(qū)域。

⑷結(jié)合樁端以上和以下一定范圍的平均錐尖阻力以及該范圍土體力學(xué)參數(shù)加以修正得出。由于確定樁端阻力擴(kuò)散范圍的研究不明悉，不同學(xué)者計(jì)算樁基阻力時(shí)對錐體貫入阻力影響范圍取值不同，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在差異。SCHMERTMANN［14］提出平均錐尖阻力影響范圍為樁端以上8D至樁端以下0.7D～4D；ICP［15］和LCPC［16］采用樁端上下1.5D的深度范圍。

不同方法計(jì)算的樁基承載力存在差異，具體計(jì)算結(jié)果取決于所選方法以及所選的土層范圍。承載力又分為側(cè)摩阻力和樁端阻力，由于管樁內(nèi)外壁均與土體摩擦接觸，故管樁中的側(cè)摩阻力更為復(fù)雜［17-20］，本文采用數(shù)值模擬進(jìn)行研究。

2 工程概況

本文以廣東惠州某鋼箱坦拱橋工程為例，全橋呈西-東走向，橋梁段總長273 m。橋型為單跨上承式鋼箱坦拱橋，主拱用鋼箱拱肋，橋面采用正交異性鋼橋面鋪裝。

依據(jù)勘查成果，現(xiàn)場樁埋入深度所涉及的土種類主要為：①粉質(zhì)黏土，灰黃色，軟可塑，切面較光滑，干強(qiáng)度及韌性中等；局部分布，多呈透鏡體；層厚2.80～15.60 m；②粗砂、礫砂，灰黃色，飽和，稍密，含少量黏粒，級配良好；局部分布，層厚0.40～20.10 m。

施工時(shí)需先在預(yù)計(jì)鋪設(shè)橋梁兩側(cè)搭設(shè)臨時(shí)鋼棧橋，并做好土袋圍堰。在兩岸組裝門式起重機(jī)。通過鋼棧橋打入支撐鋼箱梁用鋼管樁。而后搭設(shè)鋼管樁平臺、焊接風(fēng)撐、預(yù)壓。在成橋之后拆除鋼管樁支架以及臨時(shí)棧橋?，F(xiàn)場平面布置如圖1所示。

圖1 管樁現(xiàn)場布置Fig.1 Site Layout of Pipe Piles

3 數(shù)值模擬

本文采用Abaqus 軟件采用CEL 法模擬用于搭載鋼箱梁的管樁貫入軟土的過程?？紤]對稱性，建立1/4圓柱模型?，F(xiàn)場采用直徑D=1.25 m，壁厚?=0.045 m，高h(yuǎn)=20 m 的大直徑管樁；考慮到減小邊界效應(yīng)的影響，遵循土體分析半徑不小于管樁半徑的20 倍，深度方向取貫入深度2倍的原則，分析土體半徑為20 m，高度為30 m。土體均采用歐拉體，管樁采用拉格朗日體進(jìn)行模擬。黏土和砂土均采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型。模擬中涉及的材料物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical Parameters for Materials

由于鋼管樁的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土體，模擬時(shí)須對管樁施加剛體約束。樁與土體之間的接觸設(shè)置為通用接觸算法，利用罰函數(shù)定義樁土接觸，摩擦系數(shù)為0.32。在粘土上方設(shè)置2 m的空層，不對其賦予材料屬性，以達(dá)到貫入時(shí)受擠壓的下層材料流動(dòng)到上層的效果。對樁周土體適當(dāng)加密網(wǎng)格。三維模型及網(wǎng)格劃分如圖2 所示。在對稱面施加對稱邊界中的法向約束，對模型底部限制所有方向位移，約束弧面徑向位移?？紤]到模擬時(shí)土體對不同貫入速度存在誤差，為確保模擬精度，同時(shí)降低計(jì)算成本，經(jīng)研究貫入速度取0.4 m/s 時(shí)的計(jì)算精度契合施工時(shí)樁體靜壓貫入過程［21］。限制管樁節(jié)點(diǎn)的所有自由度，在下沉分析步激活豎向0.4 m/s 的下沉速度，從而實(shí)現(xiàn)模擬貫入11.6 m的全過程。

圖2 CEL模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 CEL Model and Grid Partitioning

3.1 樁身阻力分析

樁身阻力主要由3個(gè)部分提供，分別為樁端阻力、外側(cè)摩阻力以及內(nèi)側(cè)摩阻力。貫入過程中3種力的變化過程［22］如圖3所示。

圖3 不同時(shí)刻樁身阻力變化規(guī)律Fig.3 Law of Pile Resistance With Time

由圖3 可知，在同一土層中，隨著貫入深度的增加，樁端阻力和內(nèi)外側(cè)摩阻力均在增大。在貫入前5 s（0～2 m 深度）樁身阻力均發(fā)生顯著的線性增加，其中樁端阻力的增加最為顯著。這是因?yàn)樨炄胪馏w時(shí)，樁體的承載力主要由樁端阻力提供，土體剪切破壞主要發(fā)生在樁端。側(cè)摩阻力增長較緩慢，且外側(cè)摩阻力增長速率大于內(nèi)側(cè)。

隨著樁身的連續(xù)貫入，樁身阻力的增長趨勢減緩，樁內(nèi)側(cè)摩阻力逐漸趨于穩(wěn)定在305 kN 上下波動(dòng)；外側(cè)摩阻力隨貫入過程仍保持線性增大但增長速率較低；承載力主要由樁端阻力提供，在貫入5～21 s（2～8.4 m）樁端阻力增幅較平緩，此時(shí)距離下臥砂層3D；21 s 后急劇增大，最終達(dá)到2 034.28 kN。貫入全程，樁端阻力始終負(fù)責(zé)主要提供樁身承載力的作用，最終樁端阻力與總側(cè)摩阻力的占比分別為65.8% 和34.2%。在總側(cè)摩阻力中，內(nèi)側(cè)摩阻力的土塞效應(yīng)仍在累積［23-24］，樁內(nèi)土塞未與內(nèi)側(cè)管壁完全接觸，外側(cè)摩阻力與內(nèi)側(cè)摩阻力的占比分別為71.1%和28.9%。

3.2 樁周土力學(xué)響應(yīng)

不同貫入時(shí)刻（5 s、10 s、15 s、20 s）時(shí)黏土層的Mises 應(yīng)力的分布云圖如圖4 所示。最大應(yīng)力集中在樁端附近，并由內(nèi)而外擴(kuò)散。因?yàn)樵谪炄脒^程中，主要由樁端阻力發(fā)揮作用，而樁內(nèi)外側(cè)摩阻力隨貫入穩(wěn)定后才會(huì)顯現(xiàn)。由圖4?、圖4?所示，當(dāng)貫入進(jìn)行到7.2 m 時(shí)，Mises 應(yīng)力分布范圍從黏土層擴(kuò)散到下臥砂層，擴(kuò)散范圍為樁端下方3D。

圖4 不同時(shí)刻Mises應(yīng)力分布Fig.4 Mises Stress Distribution during Steel Pipe Penetration

不同貫入時(shí)刻（5 s、10 s、15 s、20 s、25 s）的黏土層塑性應(yīng)變區(qū)分布圖［25-26］如圖5 所示。由圖5?～圖5?可以看出，當(dāng)樁端與黏土層下邊界的距離達(dá)到4 m時(shí)，樁端塑性區(qū)未到達(dá)土底邊界。隨著距離的增加，塑性區(qū)的發(fā)展深度穩(wěn)定在1.8 m（1.5D）。樁端阻力的影響范圍為樁端以下1.5D。由圖5?可以看出，當(dāng)樁端與黏土層下邊界距離達(dá)到2 m 時(shí)，塑性區(qū)發(fā)展范圍接近土層邊界，繼續(xù)下沉塑性區(qū)將擴(kuò)散至下臥砂層并引起塑性區(qū)重分布，自樁端由內(nèi)向外擴(kuò)散，不再是僅分布于樁端與樁身。由圖5 的結(jié)果可以認(rèn)為，均質(zhì)黏土中樁端阻力的影響范圍為樁端以下1.5D。

圖5 不同時(shí)刻土體塑性應(yīng)變云圖Fig.5 Soil Plastic Strain Cloud during Steel Pipe Penetration

4 總結(jié)

本文以廣東惠州某鋼箱坦拱橋工程為例，論述基于Abaqus 的大直徑管樁連續(xù)貫入層狀地基的數(shù)值分析方法，并與其他承載力計(jì)算方法對比分析，研究樁貫入引起周邊土體的應(yīng)力響應(yīng)范圍。主要結(jié)論如下：

⑴相較于混凝土樁貫入，靜壓管樁的連續(xù)貫入過程對周圍土體的擾動(dòng)不大，不僅會(huì)引起土體的局部大變形，還會(huì)改變樁周土體的有效應(yīng)力狀態(tài)，從而影響自身的貫入阻力以及樁基承載力，且側(cè)摩阻力發(fā)揮得更加充分。

⑵貫入過程中主要由樁端阻力承擔(dān)樁身阻力，占比達(dá)65.8%，樁端阻力對臨近下臥砂層更敏感，距離3D時(shí)便會(huì)再度快速增長；側(cè)摩阻力中以外側(cè)摩阻力為主，且隨貫入深度增大逐漸增加，內(nèi)側(cè)摩阻力在貫入穩(wěn)定后趨于穩(wěn)定。

⑶針對黏土層下臥砂層工況，土體中Mises 應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域達(dá)樁端已下3D；管樁阻力影響范圍為樁端以下1.5D區(qū)域。