不同桩尖角对PHC管桩沉桩挤土应力场的影响

柳玉林

（安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

随着我国建设工程的高速发展，越来越多的建筑物拔地而起，PHC管桩凭借其单桩承载力高、应用范围广、沉桩质量可靠、造价低等优点，在工程建设中得到了广泛推广。但是随之而来的是一系列工程问题，其中PHC管桩在沉桩过程中会产生一定的挤土效应，引起桩周土体的水平位移以及产生较高的超孔隙水压力，导致断桩和承载力不足等工程问题[1～3]。目前，国内外学者对于PHC管桩的研究主要集中在现场测试及室内试验的研究上，而这些试验很难研究出沉桩贯入过程中产生的问题，例如沉桩的挤土效应[4～5]。一些学者研究表明，桩尖角对沉桩过程中产生的挤土效应有着显著影响[6]，而目前国内外对此研究甚少。因此，亟需开展桩尖角对沉桩挤土效应的影响研究，为PHC管桩的设计、施工提供参考。本文基于芜湖长江二桥PHC管桩基础工程项目，通过ABAQUS有限元数值软件，对PHC管桩沉桩过程进行模拟，研究了不同桩尖角对PHC管桩沉桩过程中的挤土应力场的影响，最后结合计算结果对无桩尖角下的沉桩挤土应力场进行预测。

2 沉桩模型参数选取及建立

2.1 计算参数的选取

本文选取了芜湖长江二桥PHC管桩基础工程K35点作为数值模拟对象。现场静力触探结果如表1所示。

K32静力触探试验结果 表1

结合现场静力触探结果，本次计算模型土层共分为两层，第一层为粉质黏土层，第二层为细砂层。通过现场取样，进行室内土工试验获取两层的基本物理力学参数，换算后的模型计算参数如表2所示，其中粉质黏土层采用修正剑桥模型，细砂层采用Mohr-Coulomb模型，PHC管桩采用弹性模型。本模型中初始孔隙比随着沉桩深度的增加而线性减小，取值0.8～1。

2.2 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元软件模拟不同桩尖角对沉桩挤土应力场的影响，为了方便计算，现做以下简化。

①由于细砂层较厚，沉桩贯入中极易产生闭塞，因此本次计算不考虑土塞效应。

②由于有限元软件在网格划分时，要求网格连续且不能有较大的变形，否则会导致计算不收敛，因此在本次建模中无法建立无桩尖角，即桩尖角180°平角时的模型，而由楔形体理论可知，平头桩在沉桩挤土中产生的破坏形式与带桩尖的桩体类似[7]。故本文中通过模拟不同桩尖角情况下的挤土效应来推测无桩尖（桩尖角等于180°）时的挤土应力场规律。

③本算例中的模型简化为轴对称问题进行计算[8]。沉桩过程中通过指定由桩顶向下的位移条件进行求解。

④边界条件中，对土体施加一个y方向，大小为-10kN垂直荷载。

⑤桩身采用CAX4网格类型，由于有渗流作用的影响，土层采用CAX4P网格类型[9]。本次计算中，对结果产生影响的仅垂直向，水平向的影响可忽略不计，因此为了提高计算机求解效率，水平向网格采用渐进稀疏式划分。

建立桩土模型，如图1所示。

图1 桩土模型图

3 不同桩尖角对沉桩挤土应力场的影响

本文分别设置了桩尖角为30°、60°和90°三组不同桩尖角的计算模型，并根据这三组模型的计算结果来推测无桩尖角，即桩尖角为180°平角时的挤土应力场。

材料计算参数表 表2

3.1 三组桩尖角管桩挤土应力场分析

不同桩尖角下沉桩挤土应力如图2、图3、图4所示。由图2、图3可知，桩尖角对沉桩过程中总体应力的分布影响较小，主要对桩尖局部小范围内的应力分布产生影响。随着桩尖角的增大，桩尖下方径向范围内产生的负压区域随着桩尖角的增大而呈现减小的趋势。由图4可知，随着桩尖角的增大，剪应力呈“x”型分布，其下翼为剪应力为正值的区域，其范围随着桩尖角的增大而不断扩大，数值上随着桩间角的增大而呈现减小的趋势。其上翼为剪应力为负值的区域，其范围随着桩间角的增大而呈现减小的趋势，数值上随着桩间角的增大而增大。可推测随着桩尖角的增大，最终剪应力为负值的区域（上翼）会紧贴桩侧，剪应力为正值的区域（下翼）会消失。

图4 不同桩尖角下的挤土剪应力云图（局部）

3.2 无桩尖角管桩挤土应力场分析

由以上分析可得出无桩尖角（桩尖角为180°）下的沉桩挤土应力场的分布规律，推断的挤土应力场如图5所示。

图5 无桩尖角（桩尖角180°）沉桩应力推测图

由图5可知，无桩尖角时沉桩引起的s11、s22、s33、s12应力的影响范围，均处在距离桩心10d的区域内。沉桩引起桩端拐角处产生应力集中，在邻近区域形成一个梨形影响区，s11和s33沿桩侧分布的应力显著增大。s22表现为在桩端下方的土体由于受到压缩而增大，在桩端附近的桩侧土体由于受到拉应力产生卸载作用而减小。剪应力同样呈“x”型分布，上翼的剪应力为负值，下翼剪应力为正值。

4 结论

本文以芜湖长江二桥管桩基础工程项目南岸k35点为研究基础，通过ABAQUS有限元数值软件，对PHC管桩沉桩过程进行模拟，研究了不同桩尖角对PHC管桩沉桩过程中的挤土应力场的影响，最后结合计算结果对无桩尖角（桩尖角=180°）时的沉桩挤土应力场进行预测。主要结论如下。

①桩尖角对总体应力的分布基本无影响，仅在桩尖局部区域产生了小范围的影响。随着桩尖角的增大，桩尖下方负压范围呈现减小的趋势。剪应力呈“x”型分布，区域下翼的剪应力为正值，范围增大，数值减小；而上翼的剪应力为负值，范围减小，数值增大。

②由三组桩尖角计算结果可推测，无桩尖角（桩尖角180°）时沉桩挤土应力场，推测可知s11、s22、s33、s12的影响范围都集中在距离桩心10d范围内。沉桩造成桩端的拐角处产生应力集中，s11和s33沿桩侧分布的应力显著增大；s22在桩端下方由于受到压缩而增大，桩端附近的桩侧土体由于受到拉应力产生的卸载作用而减小；剪应力同样呈“x”型分布，上翼的剪应力为负值，下翼剪应力为正值。