静压桩沉桩阻力现场试验与数值模拟分析

王海刚,白晓宇*,张明义,闫君,李翠翠,王忠胜

静压桩沉桩阻力现场试验与数值模拟分析

王海刚1,白晓宇1*,张明义1,闫君2,李翠翠3,王忠胜2

1. 青岛理工大学土木工程学院, 山东 青岛 266033 2. 青岛地质工程勘察院, 山东 青岛 266071 3. 青建集团股份公司, 山东 青岛 266071

为研究层状土中静压桩沉桩阻力的变化规律，通过选取聊城两处静压桩工地进行现场沉桩试验，成功监测了沉桩阻力随贯入深度的变化规律，并结合ABAQUS数值模拟软件，考虑土体接触面类型和初始地应力的影响，建立了层状土中静压桩贯入实体模型，实现了静压桩贯入过程的模拟计算，明确了层状土中静压桩桩端阻力的变化规律。研究结果发现：桩端位于黏性土层中，沉桩阻力随沉桩深度增加而变化较小，当桩端位于粉土、粉砂层时，沉桩阻力迅速增大；进一步阐明了不同深度下的径向应力、竖向应力以及沉桩阻力的分布特征。研究结果为相似地层沉桩过程以及工程实践提供了理论指导。

静压桩; 黏性土; 沉桩阻力; 现场试验; 数值模拟

桩基础具有悠久的历史，因其承载力高、沉降量小且均匀、稳定性好等特点在超高层建筑、桥梁、和近海结构等工程中得到了广泛应用[1-4]。目前，预制桩的施工方法主要有3种：静压法、锤击法和振动法。振动法在实际工程的应用相对较少，锤击法虽然技术成熟、施工简单且造价低，但施工过程产生的噪音会扰民，对环境带来一定的影响，锤击过程中带来的振动能量还会危及建筑物的安全。与之相比的静力压桩法，满足了施工的安全性和环保性，以噪音低、污染小、效率高、承载力可靠等优点在人口密集区或周围对振动有严格要求控制的建（构）筑物的特殊地区中应用广泛[5-8]。静力压桩法在施工过程中，最初桩端周围土体受到破坏，然后由于挤土效应桩周土体中孔隙水压力急剧增大，导致土层初始应力发生改变，土体发生塑性变形，同时使得桩和桩周土体间产生位移。

近些年来，为研究沉桩过程受力机理，许多国内外学者对其做出了相关研究。Randolph等[9]发现土体的应力历史对沉桩过程有一定的影响。Lee等[10]通过有限元方法和非线性弹塑性模型对砂土地基中的模型桩进行建模，研究了砂土地基中桩端阻力的发挥特性。朱小军等[11]为研究新型的长短桩组合桩基础形式，采用室内模型试验研究手段探讨分析新型基础的荷载-沉降关系曲线、桩侧摩阻力沿贯入深度的变化规律以及影响长短柱组合桩基础工作性状的有关因素。邢浩峰等[12]在PHC管桩桩身埋设光纤传感器，通过静载试验、高应变以及静力触探等测试试验，研究PHC管桩桩身轴力与桩侧摩阻力沿深度的变化规律，分析发现PHC管桩侧摩阻力与桩身埋置深度有一定的关系，同时对PHC管桩单桩承载力公式提出进一步修正。李林等[13]开展了饱和黏性土中静压桩现场静载试验，探究静压桩沉桩结束后荷载-贯入性能与时间之间的变化规律，同时分析了沉桩结束后不同时刻的荷载传递机理，研究表明沉桩结束后，桩端阻力大小基本不变，引起承载特性变化原因是桩侧承载特性的提高。刘勇等[14]通过室内模型试验，在砂土地基中模拟不同桩长的沉桩过程，探究桩长与静压桩沉桩过程以及承载特性之间的关系。

随着计算机、大数据等技术的飞速发展，有限元模拟软件也发展的日益成熟。近年来诸多学者运用有限元软件数值模拟分析桩的贯入试验。张明义等[15]运用有限元软件ANYSYS模拟分析静压桩沉桩过程，研究提出的位移贯入法能有效确定沉桩过程的应力场、位移场以及沉桩阻力，通过算例证实位移贯入法模拟沉桩的可行性。任艳荣等[16]在桩-土界面上采用ABAQUS软件中主-从接触面计算法，软件模拟得到的结果和实测数据大致相同。Kathrin等[17]为解决桩尖效应问题，采用了一种改变桩尖部分模型和单元网格划分的新方法。修改后得到模型曲线较理想，有效的解决了桩尖问题。桑松魁等[18]根据Mohr-Coulomb准则，通过有限元软件ABAQUS并使用位移贯入法建立静压桩沉桩模型，研究静压桩沉桩过程桩周土的应力变化及孔隙水压力的变化规律。肖昭然等[19]应用ABAQUS模拟软件建立沉桩过程的三维模型，采用位移贯入法探究静压桩在沙土中沉桩时的挤土效应。桩身轴力与桩侧摩阻力的变化规律能够对静压桩沉桩过程进一步了解，为静压桩实际工程提供理论依据。

1 工程概况

两个试验场地均位于山东聊城，聊城被誉为江北水城，该地区属于黄河冲积平原，地势西南高，东北低，其中海拔最高点49 m，最低点27.5 m。第四系的沉积物主要以冲积物和洪积物为主，其厚度大致为30~270 m。第四系包括全新统和更新统，其中全新统主要包含冲积物和洪积物，更新统又分为上、中、下更新统，另外聊城断裂带分布较广，大致呈东北走向。

1.1 场地一概况

试验于聊城市临清市烟店镇某工程场地内，土质属于中软土，建筑场地为Ⅲ类场地，重要性等级为一级，施工场地地形相对平缓，地层分布均匀。本次试验所用材料为3根高强预应力管桩，试验管桩桩长为23 m，桩径400 mm，壁厚为90 mm，预估单桩承载力特征值为1800 kN。为防止扰民、减轻振动破坏，沉桩方式采用静力压桩法，压桩过程中主要按照标高控制。各土层分布如表1所示。

表 1 试验场地1地土层分布与相关参数

1.2 场地二概况

该试验场地位于聊城市高新技术开发区。试验场地经处理后地面平坦，地质勘察报告显示地层分布稳定、较均匀。本次试验还是采用3根高强预应力管桩，试验管桩直径500 mm，有效桩长为22 m，壁厚为100 mm，预估单桩承载力特征值为2300 kN。考虑到工地周边人员密集，流动大，为减小对其影响，沉桩方式采用静力压桩法。试验场地各土层相关系数如表2所示。

表2 试验场地2土层分布与相关参数

2 试验过程

2.1 试验装置

试验装置采用液压静力压桩机（山河牌ZYJ系列），其最大压桩力为6800 kN，油缸压力大小在沉桩过程中可全程显示，方便读取、记录。当压桩机向下沉桩时，通过记录压桩机油缸压力和传感器输出压力，采集沉桩阻力数据。沉桩之前，要进行对静压机压桩力进行标定，具体操作通过压桩机按工法要求向压力传感器施加压力，记录油缸压力值和传感器数值，然后根据本次压桩机压力对应表，把油缸压力值换算成实际压桩力与传感器数值相比较，判断油压表能否正常工作。

2.2 试验过程

静压桩沉桩过程主要经历准备阶段、初压阶段、稳态贯入阶段、终压阶段4个阶段。

（1）准备阶段。首先场地平整，清扫地面杂物。通过测量放线将桩位做好标记。然后将试验管桩桩长等距离划分并做好标记，这有利于沉桩过程中数据的采集。待压桩机工作前检查完毕无误后准备就位，下一步进行吊装工序，并检查试验管桩是否倾斜。

图1 准备阶段

（2）初压阶段。沉桩过程开始前，土体未受到破坏，处于初始应力状态，随着沉桩过程进行，压桩力的增大使土体发生破坏，桩身下沉。当贯入深度（从桩端开始计算）每增长1 m时及时记录沉桩阻力即油压表的数值。

图 2 初压阶段

图 3 稳态贯入阶段

（3）稳态贯入阶段。沉桩过程中，土体破坏随着沉桩过程向下传递，沉桩阻力在穿过不同土层时发生变化，但此时沉桩过程的速率基本保持不变。本次试验管桩的有效桩长为22 m，考虑到桩身较长，采用分节压入法，上下两节之间的连接处通过焊接完成。

（4）终压阶段。当沉桩深度接近设计值时，降低沉桩速率，控制标高，直到沉桩过程结束。

3 试验结果及分析

3.1 沉桩阻力与贯入深度曲线分析

图 4 场地1沉桩阻力-贯入深度曲线

图 5 场地2沉桩阻力-贯入深度曲线

根据试验场地1土层分布情况和图4可以发现，3根试验管桩沉桩阻力的变化趋势大致相当，并且所测沉桩阻力的数值大小相吻合，由此可以判断试验地区沉桩阻力的变化规律有迹可循。当桩身位于素填土层与粉土层时，随贯入深度增加沉桩阻力呈线性增长的趋势。桩身穿过粉土层进入粉质黏土层后，沉桩阻力增长速率变缓，随贯入深度的增加而沉桩阻力的变化较小，此时3根试验管桩的沉桩阻力分别为882 kN、730 kN、882 kN；当桩身进入粉土、粉砂层后，沉桩阻力增长速率迅速变大，当贯入深度从10 m增加至22 m的过程中，3根试验管桩分别从882 kN、730 kN、882 kN增长到3870 kN、3512 kN、3512 kN。可以看出，在整个沉桩过程中，沉桩阻力总体呈增长趋势，在粉质黏土层中变化不显著，在粉土、粉砂层中变化明显，基本上符合静压桩沉桩过程的贯入特性。

由图5可知，场地2的沉桩阻力随贯入深度曲线总体变化趋势和场地1的试验结果基本一致，但在小范围内存在差别。根据土层分布表2和沉桩阻力曲线图5发现：初始压桩阶段，沉桩阻力随贯入深度增加呈线性增长，变化趋势较明显；当桩端进入粉质黏土层后，沉桩阻力变化不明显，数值变化较小。当贯入深度达到18 m，此时桩端已进入淤泥质黏土层中，3根试验管桩的沉桩阻力却降低，出现这种现象的原因本文认为主要与土的物理力学性质有关，而场地一不存在软弱土层，没有出现压桩力降低的现象。桩端在粉砂、粉土层中，沉桩阻力增长速率快，持力层稳压4 d后，沉桩阻力最大值为4110 kN，说明该土层中时间效应显著，这与Yang等[20-23]研究结论一致。

4 数值模拟及分析

为明确黏性土中PHC管桩的贯入机制，选取场地2中具有代表性的第3~5层黏性土—粉质黏土、粉质黏土、淤泥质黏土进行静压沉桩数值模拟，并与实测结果比较。相应土层厚度分别为4 m、3 m、6 m，土层物理力学参数如表3所示；试验采用PHC管桩，直径500 mm，有效桩长为12 m，管桩详细计算参数如表4所示。

表 3 场地2所选土层物理力学参数

表4 管桩基本计算参数

4.1 建立桩和土体部件

对于ABAQUS有限元模拟软件，在部件模块设置中需要对锥形桩进行调整参数，参数的调整要符合实际工程开口管桩的土塞楔形原理，如图6所示，此外还需要考虑桩尖处带来的应力集中问题，否则将会影响数值模拟计算结果。因此，本次模拟要对桩头处进行处理，60°处理桩头尖角使之成为锥形桩模型，目的使桩与岩土体之间接触平和，从而减小刺入效应，保证模拟沉桩的有效性。

模拟土层的物理力学参数详见表3。模拟沉桩前，软件设置中要保证桩身与土体之间有一定距离，随着桩端不断贯入土体并发生刺入破坏，桩尖和土体单元接触后将发生大的位移和变形，这种模拟方法对实际工程中静压桩沉桩过程具有一定的意义。

图6 桩头处理图

图7 土体单元网格划分

4.2 模型的建立

在沉桩过程中，考虑到试验管桩弹性模量大，引起桩身变形小，因此可忽略近似将桩身看作刚体，管桩的变形认为是线弹性。模拟土体选取Mohr-Coulomb模型，计算求解采用非对称求解器的方法。网格的划分采用结构划分技术，岩土体采用四边形结构单元。考虑到桩-土界面、大变形等因素对数值模拟结果的影响，结构划分的网格大小分布要广泛，需要多次调整网格大小得到模拟沉桩所需的土体单元尺寸，这种取值数值模拟计算结果容易收敛。土体单元网格划分如图7。

4.3 地应力平衡

初始地应力平衡问题，在ABAQUS有限元模拟软件中，可以通过两步设定完成：首先在分析步模块中创立地应力分析步；接着在荷载模块中定义重力荷载。

4.4 沉桩阻力现场实测值与数值模拟对比分析

以上步骤完成后进入任务功能模块，选择创建任务，根据电脑硬盘容量、内存大小，设置软件所需存储空间，同时为了得到桩土单元轴力，本次数值模拟通过定义界面模块，采用Section Print输出轴力的方法，各项参数设置完毕后进行模拟计算，最终得到静压桩沉桩阻力的模拟值。图8表示静压桩沉桩过程中沉桩阻力现场实测值与数值模拟值的对比。

图 8 沉桩阻力实测值与数值模拟值对比

从图8中不难看出，当相同的贯入深度，沉桩阻力现场实测数据基本小于数值模拟值，两者随贯入深度的变化规律吻合度较高。虽然两者之间存在一定差别，但总体变化趋势大致相当。经分析认为造成实测值与模拟值不同的原因主要是以下两点：一是沉桩阻力的实际测量值是经油压表换算得到的，油压表读数获取过程中容易受到外界因素的影响，如外界振动、温度影响以及人为误差等因素，会造成后期数值换算不准确；另一因素是本次ABAQUS有限元数值模拟土体选用的Mohr-Coulomb模型与现场土体地质等状况不完全一致。

4.5 地基土应力分析

根据数值模拟沉桩过程，得到了静压桩贯入深度分别4 m、6 m、8 m、12 m时地基土体中的径向和竖向应力云图，如图9~16所示。

图9~12表明数值模拟沉桩过程中径向应力随沉桩深度的变化情况。由图可以看出，沉桩过程开始时，桩端出现应力集中现象，贯入深度1 m时径向应力最大值可达到641 kPa，力的相互作用使桩端周围土体被挤开，这样有利于沉桩过程的顺利进行。随着沉桩过程的进行，径向应力对桩端周围土体影响范围越来越大，当沉桩深度达到4 m时，径向应力最大值为1254 kPa，由图9可以看出此时受到影响的区域只分布在桩端附近。当沉桩深度为8 m时，桩端此时已穿过粉质黏土层到达淤泥质黏土层，径向应力的最大值却降为738 kPa，此外由图11可以明显看出桩端位于淤泥质黏土层中径向应力的作用效应比位于粉质黏土层中的小，同时从图11-12可以看出，在粉质黏土和淤泥质黏土土层分界处出现明显的应力分界线的现象。

图 9 沉桩4 m时径向应力云图

图 10 沉桩6 m时径向应力云图

图 11 沉桩8 m时径向应力云图

图 12 沉桩12 m时径向应力云图

图 13 贯入4 m时竖向应力云图

图 14 贯入6 m时竖向应力云图

图15 贯入8 m时竖向应力云图

图16 贯入12 m时竖向应力云图

图13~16可以表明，在初始沉桩时，竖向应力的最大值仅为412 kPa。随着沉桩深度的增大，竖向应力逐渐增大，当沉桩深度增加到4 m时，竖向应力的大小为486.8 kPa，此时桩端附近竖向应力影响范围不断增大，当沉桩深度达到7 m时，竖向应力变化明显，竖向应力的最大值达到735 kPa，这时竖向应力最大值出现在距桩端上部1 m左右的位置。沉桩过程继续进行，当到达8 m的沉桩深度时，桩端已进入淤泥质黏土层，与径向应力相似，竖向应力的大小也变小。

5 结 论

本文通过选取聊城地区两个地质不同的工程场地进行静压桩沉桩试验，并结合有限元分析软件ABAQUS对场地二静压桩沉桩过程进行数值模拟，探讨了层状土中沉桩阻力的变化规律。

（1）通过在聊城地区选取两处不同场地的静压桩工程，探讨了沉桩阻力随贯入深度的变化规律。在本试验条件研究发现，桩身位于黏性土层中，静压桩沉桩阻力随沉桩深度增加变化较小；在淤泥质土层中出现侧阻退化现象，此时沉桩阻力减小；当桩端位于粉土、粉砂层，沉桩阻力迅速增大，趋势变化显著。表明静压桩的沉桩阻力受土层性质的制约，当桩端为较硬土层（粉土、粉砂）时，沉桩阻力显著增长；当桩端为软土层（淤泥质土）时，沉桩阻力显著减小。建议在实际工程中根据岩土层性质估算沉桩阻力的大小，从而合理选择压桩机型号。

（2）运用有限元分析软件ABAQUS实现了黏性土中静压沉桩过程数值模拟，沉桩阻力模拟结果与现场实测值结果较为吻合，从而验证了采用ABAQUS模拟静压桩沉桩过程是可行的。

（3）沉桩过程中，在土层界面处径向应力产生突变，桩端竖向应力与地基承载能力有关，粉质黏土中竖向应力高于淤泥质黏土中的竖向应力，从而表明粉质黏土的承载能力高于淤泥质黏土的承载能力，这与粉质黏土中的沉桩阻力高于淤泥质黏土的沉桩阻力是对应的。

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Field Test and Numerical Simulation Analysis on the Penetration Resistance of Jacked Pile

WANG Hai-gang1, BAI Xiao-yu1*, ZHANG Ming-yi1, YAN Jun2, LI Cui-cui3, WANG Zhong-sheng2

1.266033,2.266071,3.266071,

In order to study the variation law of jacking force in layered soil, the pile penetration test was carried out by selecting two jacked pile projects in Liaocheng, and the variation law of jacking force with penetration depth was successfully monitored, and combined with ABAQUS numerical simulation. The software, considering the influence of soil contact surface type and initial crustal stress, established the jacked pile penetration model in layered soil, realized the simulation calculation of the jacked pile penetration process, and clarified the variation of jacking force in the layered soil. The results show that the pile end is in the cohesive soil layer, and the jacking force changes less with the increase of penetration depth. When the pile end is in the silt and silt layer, the jacking force increases rapidly; Radial stress, vertical stress and distribution characteristics of pile resistance at different depths. The research results provide theoretical guidance for similar pile penetration processes and engineering practices.

Jacked pile; cohesive soil; jacking force; field test; numerical simulation

TU473

A

1000-2324(2021)01-0091-07

10.969/j.issn.1000-2324.2021.01.016

2019-11-18

2020-09-11

国家自然科学基金资助项目(51708316,51778312,51809146);中国博士后科学基金资助项目(2018M632641);山东省博士后创新项目(201903043);青岛市博士后应用研究项目(2018101)

王海刚(1993-),男,硕士研究生,专业方向:岩土工程. E-mail:qutwhg@163.com

Author for correspondence.E-mail:baixiaoyu538@163.com

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