超长桩侧摩阻力退化效应数值分析

林骁骋

（上海农工商房地产置业有限公司　上海　201708）

1　有限元模型

1.1　模型建立

本文采用有限元软件ABAQUS进行模拟分析。根据上海软土土层特性，将土层简化为五层，采用修正剑桥模型（Critical state（clay）plasticity model）模拟土体的弹塑性行为。为了真实地模拟超长排桩结构，并能保证运算效率，本文选取三根超长桩组成排桩结构。其中，桩长60m，桩直径1m，自由高度10m，入土深度50m，桩间距为3m，承台尺寸为16m×8m×2m。桩身材料为混凝土，故选用理想弹性材料，根据修正剑桥模型要求，桩土单元类型均为C3D8I单元。桩侧土体宽度取20倍桩径，桩端下土体取1倍桩长。

1.2　桩土接触及边界条件

为了真实地模拟桩土之间的相对滑动，在桩土界面处设置主-从接触，定义桩为主面，土为从面，采用库伦摩擦模型来描述接触面间的摩擦行为。综合考虑土层特性，取摩擦系数u=0.3。土体两侧边界分别约束其水平位移，对土体底部边界同时施加水平和竖向约束。

1.3　模型加载

为了研究水平荷载、边载大小和边载距离对超长桩承载性状的影响。本文取不同水平荷载大小（0～1200kPa），以均布力形式作用于桩顶，边载大小（10～200kPa）和边载距离（2～10m）进行计算分析。在超长桩一侧土体表面施加边载。

1.4　模型验证

为了验证模型建立方法的有效性，选用佛山市某现场试验实例进行模拟。本文选取三号桩进行分析，有限元模拟值和试验值对比见图1。模拟的在水平荷载作用下桩顶侧移与试验值大小有少许误差，变化趋势基本一致，可见本文的数值模型是准确的。

图1　试验值与有限元计算结果对比

2　超长桩侧摩阻力退化型式

目前研究桩侧阻力的退化一般是指桩身某截面单位侧阻力的退化。本文通过一系列有限元模拟计算，发现超长桩随着外部荷载或桩顶沉降的增加，达到极限后桩身总侧阻力反而降低的现象。

如果桩身总侧阻力出现了退化，一般是因为桩身大部分截面单位侧阻力出现退化所致。对本例中桩进行分析，选取几个有代表性的截面，分析结果如图2（a）所示，随着桩顶沉降的不断增加，桩身各截面侧阻力表现出不同的变化趋势。桩顶下6m和30m处截面单位侧阻力都随桩顶沉降先增大后减小，最后减小速率变缓，侧阻力趋于一个恒定值。这两个截面单位侧摩阻力达到极限后退化时的桩顶沉降分别为20mm和37mm。桩顶下12m处截面单位侧阻力随桩顶沉降先增大后迅速减小，该截面单位侧摩阻力达到极限后退化时的桩顶沉降为28mm。桩顶下50m处截面单位侧阻力随桩顶沉降的增大而几乎呈线性增大，其余三个截面单位侧摩阻力达到极限开始退化时，该截面单位侧阻力还未完全发挥。

由图2（b）知，桩身总侧阻力随桩顶沉降的增大而先增大后减小。当桩顶沉降为26mm时，桩身总摩阻力达到极限开始出现退化，退化后总摩阻力不再随桩顶沉降的增加而提升。所以当桩身大部分截面出现退化时，桩身总摩阻力一般也发生退化效应。

图2　本文桩身总侧阻力退化和截面侧阻力退化的比较

由此可见，超长桩桩身侧摩阻力发挥是异步的，当上部截面侧阻力已经发生退化时，下部截面侧阻力才刚开始发挥。其完全发挥所需的桩顶沉降也各不相同，这与桩身不同截面处桩侧土层性质存在一定关联。

由以上分析可以发现，超长桩桩身某些截面单位侧阻力退化普遍存在，特别是在桩的上部位置截面，而桩身总侧阻力退化只存在部分桩中。

3　侧摩阻力退化效应影响因素分析

3.1　荷载比值系数k对侧摩阻力退化效应的影响

本节保持其他参数不变，变化k=2，4，6，研究水平荷载和边载比值大小对桩侧摩阻力退化效应的影响。

图3　不同k下桩身总侧阻力退化曲线

由图3知，在边载和水平荷载共同作用下，无论是中间桩还是边部桩，随着k减小超长桩桩身侧摩阻力都出现了不同程度的退化现象，且退化后侧摩阻力数值也随k的减小而减小。当k=2时，中间桩总摩阻力退化后基本保持恒定残余值，当k=4、6时，中间桩总摩阻力退化后一直降低。而边部桩总摩阻力退化后一直呈减小趋势。这主要是因为地基上边载作用使桩周土体产生附加沉降，引起桩侧某些截面出现负摩阻力，导致桩侧总摩阻力降低甚至出现侧阻退化。根据第四章分析，随着边载增大，桩身负摩阻力区域变大。因此，也使得桩身总摩阻力更易出现退化，图3反映了该现象。

通过实验发现；边部桩出现侧摩阻力退化现象的时间晚于中间桩。这是由于群桩效应造成的，边桩附近土体只为边桩提供侧摩阻力，而中间桩附近土体不仅需要提供中间桩的侧摩阻力，还需提供边桩的，因此中间桩侧摩阻力更易达到极限，也就更易出现退化现象。

3.2　桩长径比对侧摩阻力退化效应的影响

本节保持其他参数不变，变化桩的直径d=1，1.2，1.5，此时，相应的长径比L/D为60，50，40。考察长径比对侧摩阻力退化效应的影响。

通过分析可以发现，长径比的改变对侧摩阻力退化现象影响较大。在桩顶沉降小于20mm时，中间桩与边部桩的桩身总侧摩阻力增长速度都比较快，随后桩身总摩阻力增长趋势变缓，直至出现侧阻退化，维持在一个残余强度。随着L/D的增大，桩身总摩阻力达到极限开始退化时的桩顶沉降减小，其减小形态大致呈线性递减，退化后所保持的侧摩阻力残余值也随之大幅减小，中间桩和边部桩也都遵循这一桩身总摩阻力达到极限后的退化规律。中间桩出现总侧阻力退化时所需的桩顶沉降小于边部桩，即中间桩更易出现侧阻退化效应，这与之前的分析吻合。

因此，减小长径比对延缓侧摩阻力退化效应有利，可以有效改善超长桩结构的承载性状。

3.3　桩土摩擦系数u对侧摩阻力退化效应的影响

桩基承载力中侧摩阻力是靠桩周土提供的，其发挥前提是桩与桩周土产生相对位移或者具有相对位移趋势。因此，桩土之间接触面的力学特性是影响桩基础承载力和变形的重要因素之一。本文采用库伦摩擦模型，尽可能真实地描述桩土之间的接触性状。

本节保持其他参数不变，变化u=0.2，0.3，0.4，研究桩土界面间的不同摩擦性状对桩侧摩阻力退化效应的影响。

工程上为平衡土层压力，稳定孔壁，防止塌孔、缩孔，超长钻孔灌注桩成孔时一般会采用泥浆护壁措施。泥浆护壁成孔往往在桩周形成一薄弱层，即泥皮，厚度从几毫米到几厘米不等。由于桩侧泥皮的存在，将引起桩土摩擦系数u的降低，使得桩侧摩阻力更易出现退化，对超长桩承载性状产生了严重影响。所以工程上应尽量控制泥皮厚度，清除沉渣，提高桩基侧阻力。

通过以上研究分析发现，超长桩存在桩侧总摩阻力退化现象。在实际工程中需要通过控制边载大小、清除桩孔泥皮和沉渣、提高桩土接触面粗糙程度、保证桩端持力层的强度等措施，来避免桩侧总摩阻力显著退化。

4　结语

本章针对边载与水平荷载共同作用下超长桩侧摩阻力退化效应进行研究，阐述了桩身总摩阻力退化现象。就荷载比值系数k，长径比L/D，桩土接触面摩擦系数，桩端土层性质以及桩侧土层分布情况等相关参数做了影响性分析，并且对超长桩总侧摩阻力达到极限后退化时所需桩顶沉降较大这一现象进行了讨论，得到了以下一些主要结论：

（1）当桩顶沉降值增大时，桩身某些截面侧摩阻力并不是一直增大而会出现回落，这往往导致桩身总侧摩阻力退化，影响超长桩的承载性状。

（2）随着荷载比值系数k减小，桩侧总摩阻力退化效应显著且中间桩比边部桩更易出现退化，控制边载大小可以有效阻碍侧摩阻力退化现象产生；随着桩土接触面摩擦系数u增大（即由动摩擦转为静摩擦），侧摩阻力达到极限后退化时的桩顶沉降值不断升高，当u=0.4时，桩身总摩阻力退化效应明显减弱。

（3）减小长径比和增加桩端土强度可以有效延缓侧摩阻力出现退化。且侧摩阻力退化后保持的残余恒定值也变小。

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