打桩施工过程挤土压力建模分析

赵康

（上海浦东路桥（集团）有限公司，上海 200092）

地铁、建筑物等周边的桩基施工会引起桩周土体的应力变化，严重时会影响地铁和建筑物的安全。Vesic等通过小孔扩张理论[1-3]推导了饱和土体桩周弹性区、塑性区的应力变化和位移，Casagrande则指出重塑区和受压缩影响较大区域与桩径的关系。文章在相关理论的基础上，通过软件建模并分析模拟结果，可以更好地应用到实际工程中。

1 概述

上海市浦东新区中科路（罗山路辅路-集慧路）新建工程跨越磁悬浮强电电缆沟。为保护电缆沟，需在上方新建一座跨径8米，斜交1.7°的盖板涵。因承台不允许承受载荷，而盖板涵与P0182桥墩承台存在水平交叉（2m）。因此，需要在承台左右3m处各插打8根H300*300型工字钢作为立柱支承，形成架空支坐，承载强电电缆盖板涵上方载荷。

2 钢板桩插打过程建模

2.1 几何模型

磁悬浮P0182桥墩承台几何尺寸为长14m，宽10m，高1.5 m，承台顶面与地面距离为1.4 m。工字钢插打位置为宽度方向距离承台3m处。工字钢钢板桩尺寸为长3m，宽0.3 m，厚15mm。左右插打各八根，间距0.5 m，保证足够的承载宽度。由于承台左右对称，模型以承台宽度中心线为对称轴，研究一半的受力情况即可。

图1 承台与盖板涵位置图

COMSOL MultiphysicsR是一款功能强大的多物理场仿真软件，其“岩土力学模块”是结构力学模块的附加模块，其包含的内置材料模型可用于模拟土壤、混凝土和岩石中的变形、塑性、蠕变及破坏。可用于隧道、基坑开挖等过程稳定性研究。本模型整个模拟过程利用COMSOL软件完成。模型尺寸为：土层高度4m，宽度为打桩点左4m，右8m。

2.2 物理模型

采用的土体模型[4]及受力方法为：（1）不考虑桩周土体固结，采用总应力法分析，打桩机为市面常用的小型挖土机改装的打桩机；（2）土体采用Mohr-Coulomb模型；（3）土壤力学特性根据中科路（罗山路辅道～集慧路）新建工程岩土工程勘察报告和实际情况决定；（4）工字型钢板桩近似为半径为0.2 m的圆柱进行打桩分析。

土体参数为：压缩模量E=5.07 MPa；泊松比μ=0.3 ；内聚力c=21kPa；内摩擦角φ=18°；重度γ=18.6 kN·m-3；密度ρ=1.91 kg·m-3；贯入总力F=350kN。

2.3 方法步骤

为充分了解钢板桩打入土体时产生挤土应力的大小和分布情况，分别计算钢板桩打入1m、2m和3m时水平方向的应力分布，同时计算承台高度方向的应力分布，给出相应的应力分布云图（图2）和应力分布曲线（图3）。

图2 应力分布云图（z=1/2/3m）

图3 承台截面应力分布曲线和径向应力分布曲线

3 打桩对承台扰动应力分析

由承台截面应力分布曲线图可知，随着钢板桩的贯入深度的增加，挤土应力随之增大。传递到承台截面的应力也相应增大，同时承台深度增加应力呈递增形式，最大值出现在钢板桩完全打入土体内部时（z=3）。最大挤土压力大小在16kPa左右。

由径向应力分布曲线图分析得出，径向应力随桩的贯入深度增加而增大，同一深度径向应力随着水平距离的增加呈对数递减形式。打桩中心到距离打桩点3m范围内径向应力快速衰减，距离打桩点3m外的应力基本保持不变。

4 结论

4.1 挤土应力随钢板桩桩身的贯入深度增加而增大，在桩身全部打入土体时达到最大值。

4.2 土体径向应力分布规律在个深度基本一致，呈对数下降趋势。同时在水平距离达到3-5m左右时开始趋于稳定。

4.3 承台截面应力随土体深度的增加，压力承递增趋势最大值为16kPa左右。为保证打桩过程磁悬浮承台安全，可选择在距离承台3米以外进行打桩施工。