大直径PHC管桩土塞效应的有限元分析

于 新 赵慧卿

(辽宁科技大学土木工程学院，辽宁 鞍山 114051)

大直径PHC管桩土塞效应的有限元分析

于 新 赵慧卿

(辽宁科技大学土木工程学院，辽宁 鞍山 114051)

为了研究土塞效应对大直径PHC管桩的影响，通过建立开口桩和闭口桩的桩土有限元模型，在充分考虑桩土接触的情况下，对管桩进行竖向加载，得出了在不同荷载下桩土作用的荷载传递规律、土塞的受力特性，对大直径PHC管桩土塞效应的作用机理研究有较好的参考价值。

大直径PHC管桩，土塞效应，有限元分析，竖向荷载

0 引言

近年来，受益于港口、码头以及船舶制造业的高速发展，大直径PHC管桩因其桩身质量可靠、适应性强、造价经济等优点使其在水运工程结构中得到了广泛的应用。但是，在预应力混凝土空心管桩沉桩的过程中,管桩内部形成土塞,同时桩端排开的土一部分进入管桩内部形成土塞,产生土塞效应[1]。近些年对于PHC管桩土塞效应的研究多集中在小直径PHC管桩(直径600(含)以下)上，如崔东东[2]通过改变对土塞效应的不同影响因素来确定土塞效应对桩单桩竖向承载力的影响系数。谢永健等[3]对PHC管桩在软粘土中打入过程中的土塞效应作了研究。

对于大直径PHC管桩，吕黄等[4]通过4组大直径PHC竖向承载力静载试验来研究大直径PHC管桩的竖向承载力分布。邢皓枫等[5]进行了PHC管桩沉桩效应的测试和分析，发现在计算桩体承载力时忽略土塞效应是很不经济的。现有的计算公式以及对桩土作用的数值分析往往忽略了土塞的作用，并且对于大直径PHC管桩其土塞效应作用机理研究并不是很明确。因此对于大直径PHC管桩的土塞效应研究具有很大的现实意义。下面通过有限元软件建立桩土模型，然后定性的分析管桩在竖向荷载作用下土塞效应的影响，来进一步明确土塞对大直径PHC管桩的作用机理。

1 桩土计算模型

1.1 几何模型

本文选取某工程φ1 000 PHC管桩AB型，壁厚130 mm，混凝土强度等级为C80,桩入土深度15 m。一般在粘性土和粉土中，管桩土塞高度在50%以上[6]，本文取9 m。建模时桩顶高出地面1 m，桩顶自由无约束。为了对管桩作定性的分析，对桩芯土及桩周土的参数均作了简化。具体参数见表1。土体模型水平方向半径取10倍桩径10 m，桩端以下预留20 m的土体来满足其沉降。考虑到计算区域的对称性，取要计算区域的1/4进行计算，在对称面上设立正对称边界条件。模型的底端和外表面被完全约束。模型顶面上所有节点在各个方向上都是自由的。整个模型如图1所示。

表1 土体材料参数

1.2 单元选择

桩身和土体都采用8节点的六面体单元，即Solid45实体单元，它具有弹塑性、应力强化、大变形和大应变的能力。该单元同时适用于线弹性材料和弹塑性D-P模型。每个节点有3个沿着XYZ方向平移的自由度。

1.3 桩身和土体本构模型

模型中的桩身采用线弹性材料。土体采用Drucker-Prager(DP)材料,其材料特性包括粘滞力、内摩擦角和膨胀角。DP材料采用的是Drucker-Prager屈服准则。有限元模型中的膨胀角取0.1°。

1.4 接触单元模拟

桩—土有限元模型的接触面,应用零厚度的四节点八自由度Goodman单元，将利用面与面接触的Targe170，Conta173单元来模拟,该单元的特点是能进行大变形计算[7]。面—面接触单元中，其中刚性面即管桩桩身作为目标面，柔性面作为接触面。两个面合起来叫作接触对。桩土之间的库仑摩擦系数取0.2。在设置接触面过程中对所有桩与土的连接处均设置了接触，分别为桩外壁与桩周土，桩端与桩端土，桩内壁与土塞。

2 有限元计算结果与分析

2.1 荷载—沉降曲线

先对模型进行初始应力平衡，再依次加载，每次加载500 kN。并记录每次加载后桩顶的沉降。将实测的桩顶沉降和模拟的桩顶沉降进行对比，绘制出Q—S曲线，如图2所示。从图2可以看出，桩的实测荷载—沉降曲线与计算的曲线基本吻合，因此该数值计算较能准确的反映实际情况。

从图2的曲线形状可以看出，曲线均呈陡降型。在加载的初期，桩荷载—沉降曲线近似呈直线，说明桩顶沉降基本上是由桩身的弹性压缩变形引起的。表明桩基本处于弹性工作状态。当荷载继续增大时，桩顶的沉降趋于缓慢。当荷载继续增大到一定值后，桩顶沉降会突然增大。说明此时，桩端土出现了塑性变形，达到了其极限剪切应变，从而导致了桩顶沉降的急剧增大。对于陡降型Q—S曲线，其单桩竖向极限承载力出现在发生明显陡降的起始点附近。说明此时该桩在这种土质中达到了其竖向极限承载力。从图2中开口管桩和闭口管桩曲线可以看出，在相同荷载下开口管桩比闭口管桩桩顶沉降大，并且开口管桩比闭口管桩达到极限承载力所对应的荷载力小。说明，由于土塞对管桩的竖向承载力是有影响的，并且这种影响是不利的。

2.2 土塞对管桩的承载力的影响

土塞对管桩的承载力的影响主要表现在桩的侧摩阻力和端阻力两个方面[8]。下面我们从桩的侧摩阻力和端阻力两方面来分析。

1)侧摩阻力随深度变化。

图3和图4分别为初始应力平衡后，开口管桩和闭口管桩的外侧摩阻力随深度的变化曲线。其中，0 m处表示桩端，16 m处表示桩顶。

由图3和图4可以看出，随着荷载的增大，桩外侧摩阻力逐渐增大。当加载较小时，桩外侧摩阻力为从上到下依次增大。说明此时外侧摩阻力逐渐由桩顶向桩端发展。随着荷载的不断加大，外侧摩阻力逐渐由桩端到桩顶依次达到极限值。继续加载后，外摩阻力曲线基本不变，说明此时桩身的外摩阻力全部发挥出来了。稳定后的曲线形状总体上是桩顶的外摩阻力比桩端外侧摩阻力大，沿桩长呈现出上大下小的抛物线形的非线性分布。在桩顶附近是随深度逐渐减小，当达到一定深度后，开始随深度逐渐增大。

从图3，图4可以看出，开口桩桩侧阻力全部发挥出来的时间比闭口桩的早。并且总体上闭口桩的外摩阻力比开口桩的大。这是由于土塞的存在，土塞与管桩内壁产生的内摩阻力分担了一部分摩阻力，并且由于开口桩承载力的下降，才使得桩外侧摩阻力更早的发挥出来。

图5为桩内侧摩阻力随深度的变化曲线，内侧摩阻力随着深度的增大而增大。不同荷载作用下，内侧摩阻力变化较大发生在桩端附近。这是由于随着荷载的增大，桩体的桩端阻力不断增大。土塞底部由于桩端土体较大的反力使得相对位移增大，因此桩端附近的内侧摩阻力急剧增大。

比较图3，图5，桩的内侧摩阻力在加载初期较小，这是由于此时外侧摩阻力发挥主要作用。随着荷载的增大，桩端阻力不断增大,才使得桩的内侧摩阻力逐渐发挥。当摩阻力趋于稳定变化时，外摩阻力是沿桩长全身发挥作用的，而内摩阻力的发挥主要集中在桩的中下部，说明桩的侧摩阻力主要由外摩阻力承担。总体上，桩的内侧摩阻力比外侧摩阻力小很多。但在加载后期，桩端附近内摩阻力与外摩阻力相近，这是由于与外侧摩阻力相比，大部分范围内土塞与桩的相对位移是弹性变形，发挥范围有限。只有土塞底部由于桩端土体较大的反力使得相对位移急剧增大，土塞底部才会发生塑性滑移，内摩阻力才会在桩端附近急剧增大。

2)桩端阻力。

图6为桩端阻力变化曲线，由曲线可以看出，随着荷载的增大，桩端阻力也随着增加。并且开口桩的端阻力比闭口桩的小。与图3相比较，桩端阻力比桩侧摩阻力大，说明桩端阻力对桩的承载力发挥了很大的作用，而且随着荷载的增大，这种比例在不断加大。当桩侧摩阻力全部发挥出来后，继续不断加载后，桩侧摩阻力会出现减小，桩端阻力会继续增大，可以认为该桩为端承摩擦桩。

2.3 土塞受力分析

下面对在2 000 kN时土塞的受力进行分析。

由图7可以看出，土塞的Z向位移均为负，说明土塞在加载过程中发生了轴向压缩。土塞的上部位移大，下部位移小。土塞端部两侧的沉降比中心处的沉降大。从图8可以看出，土塞底部的应力较大，并且变化比较集中。这说明了土塞底部变形不均匀是由于桩端反力的增大而引起的。

从图9可以看出，土塞的水平切应力主要集中在土塞底部附近。土塞上部的切向应力明显比下部小，并且越靠近管桩一侧值越大。表明随着桩体荷载的不断加大，桩与土体相互挤密，增大了土塞的水平应力。随着土塞受剪切作用不断加强，这种剪切作用主要发生在土塞底部以及靠近管桩的一侧。

3 结语

1)桩顶的沉降曲线均呈陡降型。在桩顶荷载达到竖向极限承载力之前，闭口桩沉降均小于开口桩沉降。并且开口桩的竖向极限承载力比闭口桩的低。这说明由于土塞的存在，对管桩的承载力是不利的。

2)开口桩在加载初期，外侧摩阻力发挥主要作用，其次是桩端阻力。随着荷载的增大，内侧摩阻力也开始发挥作用。在桩侧摩阻力全部发挥出来后，桩的承载力主要依靠桩端阻力来分担。土塞与桩的相对位移大部分范围为弹性变形，只有土塞底部附近由于桩端土体较大的反力使得相对位移急剧增大，土塞底部才会发生塑性滑移。

3)在加载过程中土塞主要发生了轴向压缩变形。土塞端部附近的桩端应力较大，引起了土塞端部变形的不均匀。并且越靠近桩壁处，土塞的位移和应力越大。随着土塞受剪切作用不断加强，这种剪切作用主要发生在土塞底部以及靠近管桩的一侧。

对于大直径的PHC管桩，其土塞对管桩的作用机理，以及对管桩承载力和沉降的影响仍需进一步的探索研究。

[1] 葛 腾.PHC静压管桩土塞效应的研究[D].沈阳：沈阳建筑大学，2013.

[2] 崔东东.辽沈地区预应力高强混凝土(PHC)管桩受力性能分析[D].沈阳：沈阳建筑大学，2013.

[3] 谢永健,王怀忠,朱合华.软黏土中PHC管桩打入过程中土塞效应研究[J].岩土力学，2009(6)：1671-1675.

[4] 吕 黄,李 君,李 耕.大直径PHC桩竖向承载力分布的试验研究[J].水运工程，2009(8)：58-61.

[5] 邢皓枫,赵红崴,徐 超，等.PHC管桩锤击施工效应分析[J].岩土工程学报，2009，31(8)：1209-1212.

[6] Orrje O.Effect of pile driving on soil properties[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE,1967，93(5)：59-73.

[7] 律文田，王永和，冷伍明，等.PHC管桩荷载传递的试验研究和数值分析[J].岩土力学，2006，27(3)：466-470.

[8] 杜来斌.PHC管桩的土塞作用对承载力影响的研究[D].上海：上海大学，2006.

The finite element analysis of large diameter PHC pipe pile soil plug effect

YU Xin ZHAO Hui-qing

(InstituteofCivilEngineering,UniversityofScienceandTechnologyinLiaoning,Anshan114051,China)

In order to study the effect of soil plug on large diameter PHC pipe piles, set up the finite element model of open pile and closing pile with soil, in the case of fully considering the pile soil contact, undering vertical load, to obtaine the load transfer law of piles and soil, and the stress of the soil plug features. To provide the reference value of the study of large diameter PHC pipe pile soil plug effect.

large diameter PHC pipe pile, soil plug effect, finite element analysis, vertical load

1009-6825(2014)30-0069-03

2014-08-13

于 新(1970- )，男，副教授； 赵慧卿(1988- )，男，在读硕士

TU473.1

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