减小静压排桩贯入中挤土效应的三维模拟研究

高素芹，原建博，余 沛

(1.信阳学院 土木工程学院，河南 信阳464000；2.武汉光谷建设投资有限公司，湖北 武汉430205)

静压预制桩具有施工工期短，质量易控制，以及施工过程震动小、低噪声、无泥浆污染等优点，在软土地区城市工程建设中应用已相当广泛[1-8]。静压桩施工由于存在挤土效应，造成既有城市道路、建筑物、地下管线不同程度破坏的事故时有发生，当临近既有物周边进行静压桩施工不可避免时，采取合理的措施来减小挤土效应对既有建筑物或构筑物的危害是十分必要的[9-13]。

本文将采用大型通用有限元软件ABAQUS，以静压排桩贯入对地下管线的影响为例，研究防挤槽及应力释放孔在减小排桩贯入对既有管线产生挤土效应方面的作用，在研究应力释放孔减小挤土效应时，采取不同孔径、不同孔间距、不同孔深，来研究孔径、孔间距、孔深等因素对减小挤土效应效果的影响，为静压排桩贯入施工提供理论参考与借鉴。

1 三维有限元建模参数选取

1.1 基本原理假定及参数选取

(1)土体采用莫尔-库伦弹塑性本构模型，桩和管道的材质为钢筋混凝土，采用弹性模型，总应力法，接触方式选用的是面与面接触。

(2)考虑地应力平衡、桩与土的摩擦、管道与土的摩擦、大变形、桩的连续贯入过程等使三维数值模拟效果更符合工程实际压桩过程。

(3)实际静压排桩的贯入, 扩张半径从0开始, 但如果在数值计算中采用零半径, 将产生无穷大的环向应变, 所以应假定沉桩前土体存在初始半径，在桩贯入处预留一个直径为0.1 m的小孔，考虑三维有限元软件的运行内存，在三维建模中不再绘制周边构筑物或管线，应力释放孔模型如图1所示。

图1 应力释放孔的模型图

(4)在地应力平衡处和桩体贯入处，土体底面固定x、y和z三个方向的位移，土体侧面和管道只限制其相应垂直面的位移。地应力平衡时，三根桩全部固定，第一根桩贯入时，给第一桩一个竖向位移量使其贯入，第二桩和第三桩仍然固定；第二个贯入时，给第二桩一个竖向位移使其贯入，同时释放第一桩的边界条件，使其可被第二桩贯入而被向上抬升及排开，第三桩仍然固定；第三根桩贯入时，给第三桩一个竖向位移使其贯入，在第一桩边界条件放开的情况下，放开第二桩的边界条件[14-15]。

1.2 参数选取

模型的土体视为单层均质土体，土体长度为60 m，桩径0.6 m，相邻桩的距离为3 m，管道埋深3 m，管道与桩体距离4 m，桩尖与水平面夹角为75°，鉴于桩身光滑的原因，管道外直径0.8 m，内直径0.7 m，桩与土、管与土视为摩擦接触，模型中采用摩擦系数0.05，划分网格时土体、桩体和管道都采用了C3D8R单元。土体、管道、桩体的参数如表1。

表1 模型的材料参数

2 防挤槽在减小挤土效应方面的研究

在桩体贯入区域和被保护管道及管线之间开挖一定数量的防挤槽，其与桩长的关系如图2所示。

图2 桩体、防挤槽、被保护物的关系

模型槽宽为1 m，槽中心距桩体轴线2.5 m，距管道轴线1.5 m，各桩之间距离及桩体与管道距离、管道埋深等与无防挤措施时的条件相同。根据以上数据，通过规范计算模型槽深H≥3.97 m才能起到保护管道的作用，模型取槽深为4.5 m。

实际工程中可以在槽内回填一定数量的松砂或其他松散材料，可以避免槽壁坍塌及地基浅层的位移，有利于保护浅埋的地下管线，数值模拟中，由于受有限元软件的限制很难考虑实际工程中发生的方方面面，在三维数值模拟中把防挤槽位置处的土体进行挖除[16]。

2.1 应力分析

通过图3可看出，静压排桩贯入无防挤槽时，三根桩全部贯入对临近既有地下管线产生的大主应力累计值的最大值为4 255 kPa，而在排桩与地下管线之间挖防挤槽后，三根桩全部贯入对临近既有地下管线产生的大主应力累计值的最大值仅为1 453 kPa，大主应力减小幅度约为65.85%。可见，在排桩及被保护既有管道之间开挖深度满足要求的防挤槽，

图3 有无防挤措施下管道大主应力对比

能较大程度上减小静压桩贯入时对临近管道或管线产生应力，起到保护既有管道的作用。

2.2 位移分析

通过图4、图5可以看出，静压排桩与既有管道之间无防挤槽时，三根桩全部贯入对临近既有地下管线产生的水平位移U1的累计值的最大值约为12.31 mm，而挖防挤槽后，三根桩全部贯入对临近既有地下管线产生的水平位移U1的累计值的最大值仅约为4.54 mm，水平位移U1减小幅度约为63.12%；无防挤槽时，三根桩全部贯入对临近既有地下管线产生的竖向位移U2的累计值的最大值约为3.83 mm，而挖防挤槽后，三根桩全部贯入对临近既有地下管线产生的竖向位移U2的累计值的最大值仅约为1.73 mm，竖向位移U1减小幅度约为54.83%。可见，在排桩及被保护既有管道之间开挖深度满足要求的防挤槽，能很大程度上减小静压桩贯入时造成的临近既有管道的位移，起到保护既有管道的作用。

图4 有无防挤措施下管道水平位移U1对比

图5 有无防挤措施下管道竖向位移U2对比

3 应力释放孔在减小挤土效应方面的研究及三维数值分析

在打桩影响的核心区域预设了十三个应力释放孔，从理论上讲应力释放孔的深度要超过既有管道的埋深，为了研究应力释放孔的孔径、孔深、相邻两孔的距离等因素在减小桩体贯入产生的挤土效应对临近管道的影响，以静压排桩贯入对临近地下管线为例，建立五个相关的模型，模型一的参数为孔径0.5 m、深10 m、邻孔距离1.5 m；模型二的参数为孔径0.6 m、深10 m、邻孔距离1.5 m；模型三的参数为孔径0.5 m、深5 m、邻孔距离1.5 m；模型四的参数为孔径0.6 m、深10 m、邻孔距离2 m；模型五无应力释放孔。各种模型信息下临近的地下管线的大主应力和位移如表2所示。

表2 模型信息及应力、位移

3.1 孔径的影响

以表2中模型一、二、五中地下管线的大主应力及位移数据为基础，分析应力释放孔与孔径之间的关系，进一步分析孔径大小对既有管道之间的挤土效应。

(a)大主应力对比

(b)水平位移U1

(c)竖向位移U2

通过表2、图6(a)可以看出：模型五的大主应力的最大值为4 255.00 kPa，采用模型一的布孔方式，大主应力的最大值为3 834.82 kPa，与模型五相比，大主应力降低420.18 kPa，大主应力降低9.87%；采用模型二的布孔方式时，大主应力的最大值为3 196.37 kPa，与模型五相比较，大主应力降低1 058.63 kPa，大主应力降低24.88%。通过模型一与模型二对比发现，同等条件下 ，模型二比模型一的应力释放孔孔径增加了0.1 m，相应的大主应力降低638.45 kPa，降低幅度为16.65%。

通过表2、图6(b)可以看出：模型五的水平位移U1的最大值为12.31 mm，采用模型一的布孔方式，水平位移U1的最大值为9.97 mm，与模型五比，水平位移U1降低2.34 mm,水平位移U1降低19.01%；采用模型二的布孔方式时，水平位移U1的最大值为8.41 mm，与模型五比，水平位移U1降低3.9 mm,水平位移U1降低31.68%。通过模型一与模型二对比发现，同等条件下，模型二比模型一的应力释放孔孔径增加了0.1 m，相应的水平位移U1降低了1.56 mm，降低幅度为15.65%。

通过表2、图6(c)可看出：模型五的竖向位移U2的最大值为3.83 mm；采用模型一的布孔方式时，竖向位移U2的最大值为2.59 mm，与模型五相比，竖向位移U2降低1.24 mm，竖向位移U2降低32.38%；采用模型二的布孔方式时，竖向位移U2最大值为1.48 mm，与模型五相比，竖向位移U2降低2.35mm，竖向位移U2降低61.36%。通过模型一与模型二对比发现，同等条件下 ，模型二比模型一的应力释放孔孔径增加了0.1 m，相应的竖向位移U2降低1.11 mm，两者相比，降低幅度为42.86%。

3.2 孔深的影响

以模型一、三、五中地下管线的大主应力及位移数据为基础，分析应力释放孔与孔深之间的关系，进一步分析孔深大小对既有管道之间的挤土效应。

通过表2、图7(a)可以看出：采用模型三的布孔方式时，临近地下管线的大主应力的最大值为4 074.47 kPa，与模型五相比较，大主应力降低180.53 kPa，大主应力降低4.24%。模型三与模型一对比，孔深浅了5 m，模型三比模型一的大主应力大239.65 kPa，与模型一相比，大主应力增大6.25%。

(a)大主应力对比

(b)水平位移U1

(c)竖向位移U2

通过表2、图7(b)可以看出：采用模型三的布孔方式时，临近地下管线的水平位移U1的最大值为10.34 mm，与模型五比，水平位移U1降低1.97 mm,水平位移U1降低16.00%。模型三与模型一对比，孔深浅了5 m，模型三比模型一的水平位移U1大0.37 mm，与模型一相比，水平位移U1增大3.71%。

通过表2、图7(c)可以看出：采用模型三的布孔方式时，临近地下管线的竖向位移U2的最大值为3.60 mm，与模型五相比较，竖向位移U2降低0.23 mm，竖向位移U2降低6.0%。模型三与模型一对比，孔深浅了5 m，模型三比模型一的竖向位移U2大1.02 mm，与模型一相比，竖向位移U2增大39.53%。

3.3 孔间距的影响

以模型二、四、五中地下管线的大主应力及位移数据为基础，分析应力释放孔与孔间距之间的关系，进一步分析孔间距大小对既有管道之间的挤土效应。

(a)大主应力对比

(b)水平位移U1

(c)竖向位移U2

通过表2、图8(a)看出：采用模型四的布孔方式时，临近地下管线的大主应力的最大值为4 714.84 kPa，比无应力释放孔的模型五大了459.84 kPa，大主应力增加10.81%。模型四与模型二相比，孔间距大0.5m，大主应力增加1 518.47 kPa，与模型二相比，大主应力增加47.51%。

模型四与模型二相比区别仅在于孔间距不同，至于为何相对无应力释放孔的模型五，大主应力出现一个增加，另外一个减小的情况，研究结果表明，设置应力释放孔能否达到减小桩体贯入对临近地下管道产生应力的目的与相邻应力释放孔的距离密切相关。应力释放孔的相邻孔距离近时，能减小管道产生的应力，应力释放孔的相邻孔距离较远时，设置应力释放孔可能反而使管道产生的应力增加。

产生上述现象的原因在于设置应力释放孔会产生两种作用：一是设置应力释放孔，使静压桩挤土产生的应力在应力释放孔处释放，减小传达到管道的应力；二是设置应力释放孔，使静压桩挤土产生的应力在相邻两个应力释放孔之间的土体处产生应力集中现象，应力集中会增大传达到管道的应力。设置应力释放孔后实际上是两种作用综合后的结果，相邻应力释放孔距离比较近时，第一种情况的作用大于第二种情况，表现为最终减小了传达到管道应力。而应力释放孔距离较远时，第二种情况的作用大于第一种情况的作用，表现为最终增大了传达到管道应力。

通过表2、图8(b)看出：采用模型四的布孔方式时，临近地下管线的水平位移U1的最大值为11.27 mm，与模型五相比较，水平位移U1降低1.04 mm，水平位移U1降低8.45%；模型四与模型二相比，孔间距大0.5 m，水平位移U1大2.86 mm，与模型二相比，水平位移U1增大34%。

通过表2、图8(c)看出：采用模型四的布孔方式时，临近地下管线的竖向位移U2的最大值为2.99 mm，与模型五相比较，竖向位移U2降低0.84 mm，竖向位移U2降低21.93%。模型四与模型二相比，孔间距大0.5 m，竖向位移U2大1.51 mm，与模型二相比，竖向位移U2增大102.03%。

4 结论

文章采用大型通用有限元软件ABAQUS，研究了静压排桩贯入对临近既有埋地管线的影响，从孔径、孔深及孔间距三个方面分析静压排桩贯入的挤土效应，得出如下结论：

(1)在桩体和临近被保护物之间开挖防挤槽，可以有效降低静压排桩的挤土效应，进一步降低既有管线的应力和位移。

(2)根据ABAQUS有限元软件分析，应力释放孔采用“密孔”，当应力释放孔间距小于3d(d为应力释放孔直径)，挤土效应产生的水平位移和竖向位移最小。

(3)应力释放孔的孔深超过既有管线的埋深后，挤土效应产生的大主应力及水平位移U1随孔深的加大而减小，竖向位移U2随孔深的加大减小幅度很大。大主应力及水平位移U1的最大值的取值位置不受应力释放孔的孔径、孔深、孔间距影响，而竖向位移U2的最大值的取值位置随应力释放孔的孔径、孔深、孔间距的变化而变化。