静力压桩挤土应力场数值模拟★

郑绍欢 曾海霞 王 莉

(莆田学院，福建 莆田 351100)

0 引言

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静力法沉桩是通过液压静压桩机，利用压桩机自重及桩架上的配重作为反作用力，克服压桩过程中的桩周土侧摩阻力和桩端阻力，将桩体压入土中。静压桩施工无噪声、无振动、无冲击力，施工文明，适合于市区作业;施工工期短、桩身质量有保障，施工功效高，经济效益高，近年来已得到广泛使用。

但静压桩是一种挤土桩，在沉桩过程中将引起挤土效应，导致对周围环境有较大影响，而且涉及的因素复杂:

1)土的工程性质;2)有限变形问题;3)接触问题;4)土体的本构关系问题;5)固结问题。静压桩挤土应力场是工程界关注的一个课题。

1 静压桩挤土效应机理

图1给出了沉桩后桩周土体中形成的几个物理力学性质不同的区域[4]。

挤土效应可视为半无限土体中柱形小孔扩张课题，应用弹塑性理论求解其沉桩瞬时的应力和变形(胡中雄，侯学渊，1987;李雄，刘金砺，1992)。

假定:1)土是均匀的各项同性的理想弹塑性材料;2)为无排水的瞬时挤土;3)土体符合库仑—摩尔强度准则;4)小孔扩张前土体各向的有效应力均等。

设空心球壳(球孔扩张)或圆柱筒(柱孔扩张)区域的初始内径和外径分别为a0，b0，初始应力为p0，当半径为a0的孔壁上，法向压力由初始压力p0增大到P时，此时研究区域的塑性区半径为c，内径和外径分别变为a，b，如图2所示，此过程称为圆孔扩张。

圆孔扩张的力学模型如图2所示，本文的挤土应力场有限元的计算模型近似于圆孔扩张的力学模型而建:桩的半径为400mm，挤土应力场所涉及的范围先假定为沿着桩周环向无穷远处，在深度为桩长的1/6处，取一横截面，作为研究对象。研究过程为:

1)结构离散。将挤土应力场所涉及的范围分割为一定形状和数量的单元;2)设置边界条件。本文中边界条件主要涉及桩与土接触面的边界条件设置;3)分析类型。即对模型进行分析采用何种方程进行模拟;4)求解。确定以上步骤正确后就可点击solve按钮对模型进行求解。

2 采用椭圆型方程对挤土应力场进行模拟

1)建立有限元模型(720个节点，1360个三角形单元数)，见图3，所取的力学和几何参数如下:E=1MPa;v=0.3;d=3m;r=0.4m;u=0.3m;2)用颜色表示挤土应力沿径向分布图(颜色深浅表示应力大小)，见图4;3)挤土应力场三维表示图见图5;4)挤土应力场径向趋势图见图6。

综上可得:挤土应力沿外径向递减，其影响范围大致在20倍桩半径。

3 不同杨氏模量应力场对比分析

图7～图9是杨氏模量分别为1MPa，5mPa和10mPa，其他参数都一样的沿径向挤土应力场图:由土与桩界面处得3.5×10－7→7 ×10－8→3.5×10－8可得:随着土体杨氏模量的增大，即桩土模量比越小时，土与桩界面挤土应力也减小。

4 不同泊松比应力场对比分析

土的泊松比定义为土的侧向应变与竖向应变之比[5]。图10～图12是土的泊松比分别为0.3，0.6和0.9，其他参数都一样的沿径向挤土应力场图:由土与桩界面处得3.5×10－7→3×10－7→9×10－8可得:土与桩界面挤土应力随着土体泊松比的增大而减小。

5 结语

1)挤土应力沿外径向递减;其影响范围大致在20倍桩半径，这与现场实测是相一致的[11]。

2)土与桩界面挤土应力随着桩与土体的模量比的减小而减小。这与桩土模量比较小时，即土体较硬，土体的水平位移表现为侧向挤出的现象相符。

3)土与桩界面挤土应力随着土体泊松比的增大而减小。这是由于泊松比在一定程度上反映了土体材料的压缩性，泊松比较大者，在挤压时，其产生的位移相对较大，说明其的体积变化不是很大，因此，在容纳等量的压桩体积后自然就表现为较大的位移场和较小的应力场。

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