桩尖角对PHC管桩沉桩挤土位移影响的有限元分析

陈超群，陈恒 （益阳市水利水电勘测设计研究院有限公司，湖南 益阳 413000）

0 引言

近年来，随着PHC管桩在工程实践中的广泛应用，其产生的工程问题也却来越多。其中，PHC管桩在沉桩贯入中会产生一定的挤土效应，造成桩身断裂、邻桩上拔、满足不了承载力要求等一系列工程问题。目前国内外学者对于PHC管桩挤土效应的影响研究主要聚焦在结合工程实例的现场及室内试验研究上，通过数值软件模拟计算管桩沉桩贯入过程中产生挤土效应研究较少，且主要集中在管桩的沉桩手段、管桩桩身等参数的影响上，对于改变桩尖角对沉桩贯入过程中的挤土效应研究甚少。故需分析不同桩尖角对挤土效应的影响，为PHC管桩的设计、施工提供参考。本文基于某长江大桥管桩基础工程项目，利用ABAQUS有限元软件，进行PHC管桩沉桩贯入模拟，分析了改变桩尖角对沉桩贯入过程中挤土位移场的分布规律。

1 沉桩模型参数选取及建立

1.1 计算参数的选取

本文基于某长江大桥管桩基础工程项目，通过室内试验获取土层基本物理力学参数，换算整理后具体模型计算参数如表1所示，其中黏土层采用修正剑桥模型，砂土层采用摩尔库伦模型，桩身采用弹性模型。该模型中需定义的初始条件为初始应力和初始孔隙比，孔隙比e可由其他土工试验参数计算求得，本模型中初始孔隙比取值0.6～1，随着贯入深度的增加而呈线性减小。

表1 材料参数表

1.2 模型的建立

采用ABAQUS有限元软件模拟桩尖角对沉桩挤土位移的影响，建立桩身模型，桩身与土体网格划分如图1所示，为了便于计算，沉桩过程中，不考虑土塞效应，并将桩体模型简化为轴对称问题进行求解。

图1 桩身与土体网格划分图（部分）

桩身采用CAX4网格类型，考虑到渗流作用，土层采用CAX4P网格类型。水平向对计算结果影响很小，为了提高运算效率，水平向网格采用渐进稀疏式划分。具体计算步骤如下：在geo分析步对土体施加-10kN的体力来模拟有效应力。在pen分析步对桩身施加-10kN的体力；固定桩身轴线方向，约束其水平向位移，对桩顶施加位移-35m，模拟沉桩过程。下文中的桩尖与桩体连接处称为“d”点。

2 桩尖角对沉桩贯入挤土位移影响分析

设置了桩尖角大小分别为40°、50°、70°、90°的四组桩土模型来模拟计算当改变桩尖角时，沉桩贯入过程中挤土位移的变化情况。通过具体分析桩尖角大小为40°时的挤土位移规律来分析沉桩贯入过程挤土位移的普遍规律，并对比分析了不同桩尖角大小下的挤土位移分布规律。

2.1 α=40°

图2为桩尖角为40°时沉桩径向挤土位移矢量图。由图2可知，沉桩贯入时产生的挤土位移主要存在于桩顶、桩身和桩端处。其中，桩顶的土体会发生疏离桩体且方向为斜向上的位移，桩身会发生疏离桩体且方向为斜向下的位移，桩端会发生疏离桩端且方向为垂直于桩端面向下的位移，桩尖处土体发生竖直向下的位移。

图2 桩尖角40°径向挤土位移矢量图

2.1.1 径向位移

图3为桩尖角40°时桩端径向挤土位移云图。由图3可知，径向挤土位移最大处为“d”点处，位移大小为30.6cm。图4为两种土层径向位移对比图，由图4可知，砂土的径向挤土位移总体较黏土大，且两种土层的径向挤土位移随着土体距离桩的距离的增大而减小，距离达到1m后减小的趋势逐渐减弱，最后位移趋于0。图5为不同贯入深度的径向挤土位移对比图，由图5可知，径向挤土的影响深度主要集中在3m内，且越靠近桩身挤土位移越大，超过3m后，位移减小，6m后土体基本没有位移。

图3 桩尖角40°桩端径向位移云图

图4 两种土层径向挤土位移对比图

图5 不同贯入深度径向挤土位移对比图

2.1.2 竖向位移

图6为竖向挤土位移云图。由图6可知，竖向挤土位移最大处为桩顶端地表处，为2.16cm，桩顶土体受沉桩挤土效应影响向上隆起，其主要是由于沉桩过程中土体受剪切作用导致土体破坏，土体受力膨胀后向上隆起。桩身附近土体则向下运动，内部土体由于随着深度的增大，应力增大且桩土摩阻力增大导致欲向上运动的土体收到地质应力及摩阻力的约束作用而向下运动，最终发生沉降。

图6 竖向挤土位移云图

图7为不同距离桩轴线距离竖向挤土位移对比图，由图7可知，在距桩身轴线3m范围内的土体，随着深度的增加，挤土位移越小，距桩身轴线3m范围外的土体，挤土位移几乎为0。图8为不同贯入深度竖向挤土位移对比图，由图8可知，靠近地表的粘土层处的土体在沉桩贯入时，土体主要向上运动，下部粘土层及砂土层处的土体则表现为向下运动的形式。竖向挤土主要发生在距桩身轴线3m的区域，最大竖向挤土位移出现在“d”点。

图7 不同距离桩轴线距离竖向挤土位移对比图

图8 不同贯入深度竖向挤土位移对比图

2.2 不同桩尖角对挤土位移的影响

图9为不同桩尖角的径向挤土位移云图，由图9可知，沉桩贯入过程中土体的径向挤土位移几乎不受桩尖角大小的影响；四组桩尖角下的挤土位移最大值均出现在“d”点，且与桩尖角的大小呈正相关。图10为不同桩尖角桩顶竖向挤土位移云图，由图10可知，沉桩贯入土体时，桩顶表层土体会受剪切挤压向上隆起，随着桩尖角的增大，土体向上隆起的高度越低。图11为不同桩尖角桩顶挤土竖向位移与沉桩深度关系对比图，由图11可知，桩尖角增大，桩顶挤土位移越小，土体隆起高度越低，沉桩贯入达到3m深后，四组桩尖角下的桩顶地表处土体不再隆起，达到稳定状态。

图9 不同桩尖角的径向挤土位移云图

图10 不同桩尖角桩顶竖向挤土位移云图

图11 不同桩尖角桩顶挤土竖向位移与沉桩深度关系对比图

3 结论

本文利用ABAQUS有限元软件，进行PHC管桩沉桩贯入模拟，分析了桩尖角对沉桩贯入过程中挤土位移场的分布影响，并通过改变桩尖角大小对比分析了不同桩尖角对PHC管桩沉桩挤土位移的影响规律。由上述研究可得出以下结论：

①径向挤土位移最大处为“d”点处，位移大小为30.6cm。砂土的径向挤土位移总体较黏土大，且两种土层的径向挤土位移随着土体距离桩的距离的增大而减小，距离达到1m后减小的趋势逐渐减弱，最后位移趋于0，径向挤土的影响深度主要集中在3m内，且越靠近桩身挤土位移越大，超过3m后，位移减小，6m后土体基本没有位移；

②竖向挤土位移最大处为桩顶端地表处，位移大小为2.16cm，桩顶土体受沉桩挤土效应影响向上隆起，桩身附近土体则向下运动，距桩身轴线3m范围内的土体，随着深度的增加，挤土位移越小，距桩身轴线3m范围外的土体，挤土位移几乎为0，靠近地表的粘土层处的土体在沉桩贯入时，土体主要向上运动，下部粘土层及砂土层处的土体则表现为向下运动的形式。竖向挤土主要发生在距桩身轴线3m的区域，最大竖向挤土位移出现在“d”点；

③沉桩贯入过程中土体的径向挤土位移几乎不受桩尖角大小的影响，四组桩尖角下的挤土位移最大值均出现在“d”点，且与桩尖角的大小呈正相关。沉桩贯入土体时，桩顶表层土体会受剪切挤压向上隆起，随着桩尖角的增大，土体向上隆起的高度越低。桩尖角增大，桩顶挤土位移越小，土体隆起高度越低，沉桩贯入达到3m深后，四组桩尖角下的桩顶地表出土体不再隆起，达到稳定状态。