桩端楔形体对沉桩引起的有效应力和超孔压的数值计算

李百迎

（安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

随着预应力管桩在我国深基础等重大工程建设中的广泛应用，同时暴露出了越来越多的工程问题。如产生一系列土塞效应、挤土效应等，导致断桩、桩承载力不足等工程问题[1～3]。目前国内外相关学者对沉桩的土塞效应研究较多，而对挤土效应研究较少，且多集中在桩土参数和现场测试上[4～8]。相关研究表明锤击法预应力管桩的桩端楔形体对沉桩贯入中所产生的挤土效应具有一定影响，但国内外对桩端楔形体引起的挤土效应研究少之又少，故需分析桩端楔形体对沉桩贯入过程中挤土效应的影响，为预应力管桩的设计、施工提供参考。本文依托于某长江二桥管桩基础工程项目，利用ABAQUS有限元数值模拟软件，计算了锤击法预应力管桩的桩端楔形体对沉桩贯入过程中引起的有效应力场和超孔压的影响。

2 工程概况和参数选取

2.1 工程概况

本文以某长江公路二桥工程为研究对象，该桥梁的起讫桩号为K20+558～K31+860，桥梁跨径为31m×40m，跨道路、池塘及河渠。大桥的侧视图及桩位的立面、侧面示意图如图1、图2所示。

图1 大桥侧视图

图2 桩位立面、侧面示意图

2.2 计算参数的选取

本文选取了某长江二桥预应力管桩基础工程的K32点作为数值模拟对象。该点的静力触探结果如表1所示。

K32静力触探试验结果 表1

本算例中计算土层分为两层，第一层为淤泥质粉质黏土层，第二层由粉砂、粉细砂和细砂组成，本算例中合并为砂土层，通过室内岩土试验获取土层基本物理力学参数，计算参数如表2所示，其中淤泥质粉质黏土层选取修正剑桥模型，砂土层选取摩尔-库伦模型，预应力管桩采用弹性模型。

材料参数表 表2

2.3 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元软件模拟桩端楔形体对沉桩引起的有效应力场和超孔压的影响，为了便于计算，模型关键设置如下：

①本案例中，桩端楔形体角度为30°，故本次计算仅考虑桩端楔形体角度α=30°的情况；

②砂土层由三层合并而成，该层较厚，易产生土塞效应，本次计算不考虑沉桩产生的土塞效应，并将桩体模型简化为轴对称进行求解；

③网格划分中主要对竖直向进行细分，水平向由于在本次计算中影响较小，为了提高计算速度，水平向采用远离桩体渐进稀疏式的方法进行网格划分。

桩身与土体网格划分如图3所示。

图3 桩身与土体网格划分图（部分）

3 有效应力场与超孔压计算结果

3.1 三向有效应力

桩端楔形体角度α=30°时沉桩引起的三向有效应力分布如图4所示。

图4 三向有效应力云图

由图4可知，沉桩过程造成了管桩附近较大区域内的土体产生了应力变化。径向有效应力的影响范围大约为10d，表现出“上凸”的变化规律，这是由管桩周围土体在沉桩过程中径向受压造成的。竖向有效应力的影响范围大约为5d～7d，表现出“下凹”的变化规律，这是由于桩端楔形体经过相应的土体后，该处的竖向应力处于卸载状态，但是总体依然受压。环向有效应力的影响范围约为2d ～3d，表现出靠近桩周“上凸”，远离桩周“下凹”的规律，这是由沉桩过程引起的环向受拉和产生的超孔压共同作用造成的。

在数值上，最大径向有效应力出现在桩身与桩端楔形体连接处，大小为-409.79kPa，比 初 始 应 力 增 大 了289.34kPa；桩身与桩端楔形体连接处的竖向有效应力减小至-97.58kPa，比初始应力减小了182.54kPa；桩端楔形体处环向有效应力减小了39.78kPa，与径向、竖向有效应力相比变化最小。

3.2 剪应力和mises应力

桩端楔形体角度α=30°时，沉桩引起的剪应力和mises应力分布如图5所示。

图5 剪应力与mises应力

由图5可知，沉桩引起的剪应力呈“X”型分布。桩端附近土体剪应力为正值，影响范围约10d，在数值上最大可达105.3kPa，桩端上侧土体剪应力为负值，影响范围为3d左右，在数值上最大值可达-157.7kPa。在桩端楔形体与桩身连接处产生明显大于周围土体的mises应力，数值上最大为342.14kPa，表现为该点最易产生塑性破坏。

3.3 超孔压

桩端楔形体角度α=30°时，沉桩引起的超孔压分布如图6所示。由图6可知，超孔压的分布范围达到桩端楔形体以上约1/3桩长处，径向影响范围10d左右。由于管桩的贯入，土体的孔压明显增大，最大值出现在桩端楔形体处，达到909.9kPa。由沉桩引起的超孔压，使桩端楔形体附近土体环向有效应力减小，在距桩约1d处甚至出现了正的环向有效应力，这是由于部分土体由于孔压过大，环向上从受压转变为受拉，形成了类似“砂土液化”的现象。

图6 超孔压分布云图

沉桩长度与超孔压关系、超孔压分布与深度和水平距离关系分别如图7和图8所示。由图7可知，在数值上，最大超孔压随着沉桩长度的增加而呈现出线性增大的趋势。图8可知，在竖直方向上，在桩体范围内超孔压沿着深度的增加而呈现增大的趋势，在桩身和桩端楔形体连接处达到最大。在桩端以下，随着距桩端距离的增大而迅速减小，在距离桩端约5d外的超孔压大小几乎为0，可知超孔压对桩端下土体影响范围在5d左右。

图7 沉桩长度与最大超孔压关系图

图8 不同深度超孔压与水平距离关系图

4 结语

本文依托于某长江二桥南岸k32点为研究对象，使用ABAQUS有限元分析软件计算了桩端楔形体对沉桩过程中挤土引起的有效应力场和超孔压的影响。结论如下：

①沉桩引起了桩附近较大范围土体的应力变化。径向有效应力的影响范围大致为10d，竖向有效应力的影响范围约为5d～7d，环向有效应力的影响范围约为2d～3d。径向有效应力的变化表现出“上凸”的规律；竖向有效应力表现出“下凹”的规律；环向有效应力表现出靠近桩周附近“上凸”，远离桩周附近“下凹”的趋势。在数值上，最大径向有效应力出现在桩身与桩端楔形体连接处，桩身与桩端楔形体连接处竖向有效应力和环向有效应力均减小。

②沉桩引起的剪应力大致呈“X”型分布。桩端附近土体剪应力为正值，影响范围约10d，数值上最大可达105.3kPa，桩端上侧土体剪应力为负值，影响范围为3d作用，最大值为-157.7kPa。在桩端楔形体与桩身连接处产生明显大于周围土体的mises应力，最大值达342.14kPa，该点最容易发生塑性破坏。

③超孔压分布于桩端楔形体以上1/3桩长区域，径向影响范围大致为10d，对桩端下土体影响范围在5d左右。由于管桩的贯入，土体的孔压明显增大，最大超孔压随着沉桩长度的增大而线性增大，最大值出现在桩端楔形体处，最大值为909.9kPa。由沉桩引起的超孔压，使桩端楔形体附近土体环向有效应力减小，这是由于部分土体由于孔压过大，环向上从受压转变为受拉，形成了类似“砂土液化”的现象。