水库施工静压桩挤土效应数值模拟分析

时静

（济南市水利工程服务中心，山东 济南 250099）

水工建筑物的设计中，常遇到建筑物地基地质条件不好、竖向承载力和抗滑稳定不满足要求的情况。采用桩基础处理地基是解决这些问题的有效措施之一[1-5]。静压桩（静压式钢筋混凝土预制桩）是桩基施工的一种方法，通过静力压桩利用自重和机架上的配重提供反力将预制桩压入土中，具有对桩无破坏、施工无噪音、无振动、无冲击力、无污染等优点，被广泛应用于水利工程中。然而在实际中，采用静压桩法将桩贯入地基（尤其是饱和黏土地基）期间会对周围地基土的应力状态产生显著影响，导致桩承载力会随时间出现降低现象，因此研究静压桩法对土体应力的影响规律具有重要意义。

当前，学者主要采用现场试验和数值模拟来研究这一问题[6-10]，由于现场试验费用高昂，因此数值模拟方法成为热点研究工具。通过文献分析发现，多数模拟通常忽略了真实安装阶段，多数案例分析只是将桩或桩组直接放置在土中的预钻孔中，该方法的明显缺点是无法获得桩安装引起的土体应力变化规律。针对这一问题，采用数值分析和试验结合的方法，验证了所建立的模型可以很好预测桩基沉桩过程以及安装结束后对土体应力的影响，探讨了不同超固结比下沉桩过程对土体孔隙水压力和应力的影响，结果可为水利桩基工程提供参考。

1 工程概况

本研究的水库工程地处黄泛冲积平原，地势自西北向东南倾斜，平均地面坡度为0.01%，南部属剥蚀构造的低山残丘，有两大地形，即低山残丘和黄泛平原。气候属暖温带半湿润东亚季风大陆性气候，夏热冬冷、寒暑交替、四季分明，春旱多风，夏热多雨，秋旱少雨，冬寒晴燥。降雨多集中在七八两月，最大年降雨量1 118 mm，发生在1964年；最小年降雨量299.98 mm，发生在2002年。地基主要为第四系上更新统冲积层（alQ3）黏土，室内试验测得干密度为1.38～1.81 g／cm3，孔隙比为0.486～0.971，压缩系数为0.17～0.47，局部具中等压缩性，饱和固结快剪强度值为15.2°～25.1°，自由膨胀率为42%～66%，具弱～中等膨胀性；抗剪强度值为18.1～48.1 kPa，标准贯入试验锤击数为10～13击。

2 数值模型与计算参数

本次建立静压桩数值模型为二维轴对称模型，建模时采用四节点轴对称单元和孔隙单元，桩端采用锥形，锥角为60°。微型锥体贯入地基的网格示意，如图1所示。

图1 静压桩数值模型

在Abaqus中，桩基与地基接触算法采用主从接触属性，并生成接触力以防止节点穿透主曲面。打桩过程中桩土相互作用采用接触运动学建模。两个曲面之间的接触条件由法线和切线方向上的运动学方程约束控制。当桩与土壤之间存在间隙时，接触处的法向应力为零；当桩与土壤接触时，接触处生成切应力为正应力。桩土界面处的摩擦滑动利用库仑摩擦接触定律描述，界面处的最大剪应力与法向应力成正比。当剪应力小于最大值时，不会发生相对位移（滑动）；而当剪应力达到最大值时，桩基沿剪应力方向发生滑动。

为验证静压桩模型的正确性和数值计算参数的准确性，在正常固结黏土试样上进行了微型压电锥贯入试验，同时对数值模型进行相同贯入试验，对比二者结果，进行参数反演。试验分两个阶段进行：第一步先对现场地基土样进行固结试验，使其能够达到原状土的固结应力；之后以207 kPa的平均有效应力开始进行贯入试验。数值模型中桩基安装结束时压电锥周围的孔隙水压力分布，如图2所示。

图2 桩基安装结束时压电锥周围的孔隙水压力分布

压电锥尖端和锥侧处的超静孔隙水压力分别为525 kPa和660 kPa，而试验中的压电锥贯入仪尖端和锥侧的孔隙水压力实测值分别为550 kPa和625 kPa，二者结果十分接近，因此认为本次所建立模型合理。此外，还对比分析了数值模拟与试验中桩尖与桩侧最大超静孔隙水压力随时间的变化关系，如图3所示。随时间增长，桩尖与桩侧超静孔隙水压力模拟数值在试验值附近波动，但均在10%的误差范围内，且二者随时间均呈减小趋势，因此认为本次建立的数值模型合理，反演后的数值参数详见表1。

图3 桩基最大超静孔隙水压力随时间的变化关系

表1 数值计算参数

3 不同超固结比下黏土应力变化

为研究不同超固结比（OCR）下桩基安装期间和安装之后对土壤应力状态的影响，采用1、3、5和10 4种不同的OCR来进行数值分析。模型的计算参数和尺寸与之前保持一致。不同超固结比下，桩基超静孔隙水压力随地基深度的变化规律如图4所示；桩基安装期间，地基土超静孔隙水压力随时间变化规律如图5所示。

图4 桩基超静孔隙水压力随地基深度的变化规律

图5 地基土最大超静孔隙水压力随时间的变化规律

桩基安装结束后，在桩尖附近超静孔隙水压力急剧增加，而在桩尖以下显著降低，甚至小于初始超静孔隙水压力。因此，在地基中任意一点，当桩尖端经过该点时，土体超静孔隙水压力会显著增加，并在桩尖通过后迅速降低。此外，随着OCR的增大，桩基安装所导致的孔隙水压力增量反而更小，这是因为超固结土在外加荷载小于其先期固结压力时土层的压缩很微小，外加荷载一旦超过先期固结压力，土的变形将显著增大。此外，由于受前期固结压力的影响，超固结软土的孔隙性较小，含水量一般低于软土的含水量且透水性较差。因此，当受桩挤压时，超固结比越大的土的超静孔隙水压力越小。

不同超固结比下，桩基安桩结束后地基土有效侧压力系数随地基深度的变化趋势如图6所示，同时比较了90%超静孔隙水压力耗散所需时间。在OCR较大的地基土中安装桩基，会导致有效侧压力系数增加。然而，由于超静孔隙水压力在径向上的消散速度可能更快，因此与垂直有效应力相比，径向有效应力之间的差异更为显著。此外，在饱和黏土中打入的预制桩会引起地基土孔隙水压力增大，之后随着桩基安装稳定，超静孔隙水压力会逐渐消散，地基土再次加固，此时会引起桩基沉降，对水工建筑结构产生较大威胁。同时，随着黏性土壤的OCR增加，打桩后的固结过程中有效径向应力和垂直应力的增加更为显著，即在OCR较高的土壤出现所谓的土壤沉降现象后可能导致更高的轴阻力。

图6 地基土有效侧压力系数随地基深度的变化趋势

4 结论

本文采用数值分析和试验结合的方法，验证了所建立的模型可以很好预测桩基沉桩过程以及安装结束后对土体应力的影响，为其他水利工程在分析类似问题时提供了较好参考。根据数值结果还发现，沉桩过程中桩尖附近超静孔隙水压力会急剧增加，而在桩尖以下显著降低，甚至小于初始超静孔隙水压力，这一现象会引起桩基发生二次沉降，对水工建筑结构产生较大威胁。通过后期研究得出，随着黏土的超固结比增大，打桩过程中桩尖与桩尖周围的超静孔隙水压力差异会减小，建议采用先固结后沉桩的施工顺序，能够提高桩基承载力。