单层土地基中静压桩连续贯入的数值模拟

贺晓明 唐 鹏 寇海磊

(1.青岛理工大学建筑设计研究院，山东青岛 266033;2.青岛市房产置业集团开发分公司，山东青岛 266033;3.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033)

静压桩施工具有无污染，噪声小等优点，在国内外得到广泛应用。成层土地基中静压PHC管桩过程模拟一直是国内外学者研究的热点。Daichao Sheng等(2005)[1]利用摩擦接触大变形有限元法模拟静压桩的贯入，但连续贯入的距离有限。鹿群[2]，李镜培等[3]利用ANSYS有限元软件对静压桩贯入机理进行研究，但始终没有实现全过程连续贯入。本文在大型有限元软件ABAQUS的基础上利用位移贯入法[4]对静压桩连续贯入的全过程进行模拟，得出了贯入过程中桩周土位移场以及应力场的变化，模拟结果比较接近压桩实际，具有较大的工程应用价值。

1 基本假定及计算参数

模拟过程中土体采用Mohr-Coulomb塑性模型，桩身采用弹性模型，为了在贯入过程中实现连续贯入，桩土计算假定如下所示:

1)模拟采用总应力法;

2)计算过程考虑土体自重应力场;

3)土体假定为理想弹塑性体，遵守Mohr-Coulomb屈服准则，采用CAX4R单元。钢筋混凝土简化为线弹性体，采用更符合实际情况的线性缩减积分单元;

4)采用二维轴对称平面模型能满足模拟需要。

PHC管桩以及土体基本计算参数均采用勘察报告，符合实际情况。具体参数如表1所示。

表1 桩，土计算参数取值

2 模拟结果及分析

静压桩贯入过程中，桩土之间摩擦系数对桩周土的位移场以及应力场有至关重要的作用。在不同桩土摩擦系数作用下，贯入过程中的桩表现出不同的特性，如图1所示。

由图1可以看出:不同桩土摩擦系数下桩周围土的应力场大致相似，当桩土摩擦系数较大时，桩底端径向应力云图以及竖向应力云图应力变化明显。桩周土体径向位移场与桩土摩擦系数密切相关。桩土间摩擦系数的大小关系着桩贯入土体难易程度的大小。其值越大说明桩土间摩擦阻力越大，桩贯入越困难。

图2说明当桩侧摩阻力为恒定值时，桩土之间摩擦力不发生变化，与深度呈明显的线性关系。随着桩土之间摩擦系数的增加，桩贯入土体的摩阻力也随之增加。研究表明贯入阻力并不是随着桩土间摩擦系数增大无限制的增大。桩土摩擦系数大于0.3时，摩阻力趋于一稳定值，不再增大。

3 结语

1)在大型通用有限元软件ABAQUS基础上，通过设置桩土间摩擦系数，自适应网格等技术成功实现了静压PHC管桩连续贯入的数值模拟。2)计算模拟结果符合实际情况，其结果为静压管桩设计提供依据，指导施工，具有一定的工程实用价值。3)桩土摩擦系数关系着沉桩过程中桩周土体应力场以及位移场的变化。从模拟结果可以看出，桩侧摩阻力随桩土摩擦系数的增大而增大，当桩侧摩阻力增大到一定程度时，桩侧摩阻力趋于一稳定值，不再增大。

[1]Daichao Sheng，K.Dieter，Peter Wriggers.Finite Element Analysis of Pile Installation Using Large-slip Frictional Contact.Computers and Geotechnics，2005，32(1):17-26.

[2]鹿 群.成层地基中静压桩挤土效应及防治措施[D].杭州:浙江大学博士论文，2007.

[3]李镜培，何建锋，梁发云.静压桩桩尖作用机理的数值模拟及参数分析[J].结构工程师，2007，233(3):5-57.

[4]张明义，邓安福，干滕君.静力压桩数值模拟的位移贯入法[J].岩土力学，2003，24(1):113-117.

[5]Bailighmm.Strain path method.Jour Geotech Engender，ASCE，1985，111(9):1108-1136.