一种土塞效应的计算方法

崔 江 浩

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

动力打桩中地基土涌入管桩形成土塞是一个非常复杂的过程，土塞对管桩的沉桩有重要的影响，许多学者提出了不同的土塞效应分析方法，具有代表性的是山原法和小泉法[1]。E.P.Heerema，等[2]提出了土塞是由一系列质点和弹簧组成，考虑土结点与桩结点之间有摩擦作用，认为土阻力的发挥与土体的变形有关。刘润，等[3]提出了改进静力平衡法判断土塞效应，认为桩土之间的摩阻力与法向正压力有关。鹿群，等[4]及王晖[5]采用ANSYS有限元分析软件分析了管桩在沉桩过程中土的应力应变特点。陈波，等[6]及李廷[7]通过研究波动方程，提出了一些针对管桩的计算方法。

土拱效应广泛存在于岩土工程中，土拱效应通常表现为一部分土体产生不均匀位移或变形，而其余部分不动。由于土体内摩擦角和黏聚力的存在，发生位移的土体与不动土体之间产生摩擦阻力，增加了不动土体上的支撑压力，减小了移动土体上的压力，达到一种避轻就重的效果，这是土体调动自身抗剪强度的体现[8-9]。国外一些学者[10-12]提出了“动力拱”效应，提出了以“拱效应”为基础的土塞力学机制。

1 管桩中的拱效应

拱效应机制的基础是在形成空间球帽状的土拱过程中，沙土颗粒沿主应力方向重新定位。当土塞受荷载后，随荷载的传递，土体就发生压缩变形。当荷载超过拱的承载力时，拱即发生剪切和膨胀破坏，桩端土随即涌入桩管内，直到形成一个新拱，此时拱的阻力又超过了向上的推力。拱效应将桩底土阻力转变为桩管内壁的法向挤压力，从而大大提高了沙土与桩管内壁的摩阻力。桩在贯入过程中，涌入管内的沙土经历着一个拱的形成与破坏交替发生的循环过程。打桩过程中桩内土塞的土拱效应以及受力情况如图1。

图1 土塞的土拱效应及受力Fig.1 Soil arching effect and force of soil plug

2 沉桩过程中土塞受力分析

假定在沉桩过程中，管桩内壁的摩阻力发挥，沿桩长呈三角形分布，如图2。图2中阴影部分的面积为管桩入土深度到达z=∑hi处时，土塞受到管桩向下的总摩阻力F。单位面积上的摩阻力大小，与其上层土塞的自重呈正比，即：

fz=μα∑γihi

式中：fz为在深度z处径向单位面积所受的摩擦阻力；μ为土塞与管桩的摩擦系数；α为侧向压力系数；γi为第i层土重度；hi为计算深度以上的第i土层厚度。

图2 土塞所受摩阻力的发挥示意Fig.2 Schematic diagram of the soil plug suffered by skin friction

沉桩过程中，土塞底面所处土层能提供的支持力最大值为N。N与桩底面所处的土层以及土塞的横截面积有关，不同土层，单位面积上所能提供的支持力不同，可按式(1)计算[13]：

N=qpkA0

(1)

式中：qpk为极限端阻力标准值；A0为土塞底面积。

管桩土塞的拱效应破坏机理为土拱内部的剪切力达到抗剪强度最大值后，拱结构发生剪切破坏。对于整个土塞，抗剪强度最大值与土塞尺寸有关，土塞高度越大，横截面积越小，抗剪强度越大。当土体内部的剪切应力达到抗剪强度时，令此时土塞底部对土塞单位面积上的临界作用力为P0，当作用力大于P0时，土拱发生破坏。在土层性状不发生变化的情况下，P0与土塞的高度和管桩桩径有关。

3 土拱效应分析

为探究土塞底部对土塞单位面积上的临界作用力，与土塞高度和桩径之间的关系，使用有限元数值分析软件ANSYS进行模拟计算。假定桩内土层单一，均为黏土，黏聚力c=5 kPa，内摩擦角φ=30°。

3.1 临界作用力与入土深度的关系

管桩桩径取900 mm，壁厚20 mm，当土塞高度依次为0.5，0.6，0.8，1.0，2.0，3.0，5.0 m时，对土塞底部施加均布荷载，逐步增大荷载值，当土塞顶部拉应力达到破坏临界值，土拱结构破坏，绘出临界作用荷载随入土深度增加的变化曲线，如图3。

图3 临界作用荷载与入土深度的关系Fig.3 Relationship between critical load and buried depth

土塞厚度越大，其抗弯能力以及抗剪切能力也越大，土塞顶部能承受的拉应力随之增大，桩端土破坏土塞的土拱结构，从而涌入桩管内的难度也就越大，表现为土塞临界作用荷载随之增大。

3.2 临界作用力与管桩桩径的关系

管桩壁厚20 mm，土塞高度为3 m，管桩桩径分别依次为600，800，900，1 000，1 200 mm。对土塞底面施加荷载，计算出土拱结构破坏时的荷载临界值，绘出临界作用荷载与桩径的关系曲线，如图4。

图4 临界作用荷载与管桩桩径的关系Fig.4 Relationship between critical load and pipe pile diameter

桩径越大，土塞底部的荷载作用面积也越大，桩端土对土拱结构作用的弯矩也就越大，土塞顶部所承受的拉应力随之增大，当拉应力超过极限拉应力时，土工结构也就破坏，表现为土拱效应临界作用力随桩径增大而减小。

3.3 计算结果分析

由计算结果可以得出：管桩土塞的土拱结构破坏的临界作用均布荷载与土塞高度和桩径大小有关。土塞高度越大，桩径越细，临界作用荷载越大，土拱结构越不容易破坏。

4 沉桩过程中土塞的拱效应判断法

假定管桩在沉桩过程中，桩外土层高度的变化可以忽略。笔者将管桩沉桩时的闭塞效应发挥过程分为3个阶段：未发生闭塞，不完全闭塞，完全闭塞，如图5。

1)未发生闭塞。此阶段处于打桩开始阶段，闭塞效应尚未发挥，桩内外土层高度一致，甚至桩内土塞顶面高度高于桩外土层。由于此阶段桩的入土深度较小，因此管桩在下沉时对土塞的摩阻力F也较小。此阶段，N>P0A0>F。由于N>P0A0，土拱的平衡状态被打破，拱形土体破裂，桩内土向上涌出，这也解释了此阶段桩内土塞顶面高度为什么会高于桩外。

2)不完全闭塞。随着沉桩过程的不断进行，P0与F同时增大，但管桩对土塞的摩阻力增大的速率比P0快，当N>F>P0A0时，此阶段闭塞效应开始发挥作用，桩内土塞顶面高程低于桩外高程。土拱的平衡状态整体不会被打破，只会出现局部破坏。

3)完全闭塞。如果沉桩继续进行，且桩径较小，则会出现完全闭塞情况。F>N时，管桩的摩阻力比土塞底部可提供的最大支持力还大，此时，土拱的平衡状态完全不会被破坏，出现完全闭塞现象。此阶段，随着沉桩的进行，桩内土塞高度不会发生变化。

图5 受力及力学指标随沉桩深度的变化Fig.5 Force and mechanical indictors changing with the pile driving depth

5 工程实例

5.1 工程概况

某海洋平台水深24.5 m。地质资料见表1。平台采用钢管桩基础，用MB-70型柴油桩锤进行打桩施工。钢管桩直径900 mm，总长为69.11 m。打桩设计入泥深度26.48 m，桩端持力层位于第⑤层——粉细沙层。

表1 各个土层的物理力学性质指标

在该工程沉桩过程中，测量了桩内土塞顶面标高，发现当桩端入土深度为21.35 m时，土塞顶面低于桩外土层顶面2.64 m，当桩端入土深度为26.48 m时，土塞顶面低于桩外土层顶面4.70 m[14]。

5.2 土塞闭塞程度判断

该工程沉桩深度达到设计入泥深度26.48 m时，管桩刺入粉细沙，土塞底面受到的支持力最大N=qpkA0=4 500×0.636=2 861.33(kN)，管桩内壁的摩阻力发挥，沿桩长呈三角形分布。摩阻力计算过程见表2。

经计算，当管桩刺入设计深度时，总摩阻力F=2 427.13(kN)。

表2各个土层的摩阻力计算

Table2Resistancecalculationofsoillayers

指标①淤泥②淤泥质黏土③粉细沙④亚黏土⑤粉细沙高程l/m0．0～-4．5-4．5～-5．5-5．5～-10．5-10．5～-16．5-16．5～-26．5土体高度h/m4．51．05．06．010．0重度γ/(kN·m-3)1618202020摩擦系数μ0．250．300．780．470．78侧压力系数α0．250．250．250．250．25摩阻力F/kN28．6114．63220．43549．381614．08

运用ANSYS软件建模计算土塞的拱效应底部可承受的单位面积作用力P0，网格单元采用Solid185，土塞模型长度为26.48 m，假定桩内土塞的土层分布同桩外一致。如图6，当土塞底部施加均布荷载2 800 kPa时，土塞的土拱结构破坏，此时，临界作用力为P0A0=1 780.4(kN)。

经计算，此阶段N>F>P0A0，土拱的平衡状态整体不会被打破，只会出现局部破坏，表明土塞没有完全闭塞，这与实际打桩检测数据结果相一致。

图6 桩内土塞应力的ANSYS计算结果(单位：kPa)

6 结 语

分析了管桩土塞拱效应的形成过程以及破坏机理，针对管桩的沉桩过程，提出了用土拱效应原理判断土塞的闭塞程度。对钢管桩建立了土塞效应分析模型，采用数值模拟的方法来近似模拟土拱效应，便于在实际工程中应用。与工程实测结果比较表明，土拱效应分析法能较准确地判断钢管桩闭塞效应。

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