防汛抢险螺旋桩沉桩过程土体受力仿真及试验*

杨 芳，庞洪臣※，王玉兴

（1.广东海洋大学机械与动力工程学院，广东湛江 524088；2.华南农业大学工程学院，广州 510642）

0 引言

农田水利防护和洪涝灾害治理是世界各地广泛面临的重大问题，防汛抢险螺旋桩是根据消防要求专门设计的一种便携式快速防汛抢险装备，该装备可解决传统击打沉桩耗时耗力和大型沉桩设备易产生次生灾害等问题。沉桩过程中桩土受力及土体大变形决定了单纯运用理论分析求解极其复杂，同时土体特性也决定了利用试验研究桩土作用也十分困难，因此仿真分析便成了研究沉桩过程中土体变化的重要手段。邵康等[1]对螺旋钢桩进行了数值模拟分析，研究了在竖向载荷作用下对螺旋桩的扰动问题；Danda Shi 等[2]利用DEM 对螺旋桩的沉桩速比进行了研究；吴萍等[3]利用FLAC3D对螺旋桩的承载力进行了数值模拟；韦谢恩等[4]建立了防汛抢险螺旋桩的基本几何参数，利用有网格的有限元法建立了桩体和土体模型，运用流固耦合算法对防汛抢险螺旋桩的沉桩过程进行了仿真；庞洪臣等[5]利用无网格法对沉桩扭矩进行了仿真对比分析，对桩体结构进行了优化，降低了沉桩扭矩。以上对防汛抢险螺旋桩的研究提供了宝贵经验。为进一步明确防汛抢险螺旋桩的沉桩机理，设计省时省力的桩体结构，本文利用SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）粒子可模拟破裂、大变形的优势构建了土体仿真模型[6-11]，着重对沉桩过程中的土体受力情况进行了仿真分析和研究，并利用高频动态压力传感器对桩周的土体压力进行了初步试验研究。

1 桩土建模及主要参数设置

1.1 螺旋桩建模

螺旋桩主体结构主要包括桩体和螺旋叶，实物如图1 所示，整个桩体为空心结构。螺旋叶则首先采用APDL（ANSYS Parametric Design Language）建立模型外径和内径的关键点，再利用样条曲线将关键点连接起来生成螺旋叶内侧和外侧螺旋线，最后沿螺旋线扫描生成螺旋叶模型。整个模型采用Belytschko-Lin-Tsay 壳单元对桩体和螺旋叶网格进行划分，有限元模型及各部分名称如图2所示，几何参数如表1所示，并选用QT235作为设计材料。

图1 螺旋桩实物

图2 螺旋桩有限元模型

表1 螺旋桩几何参数 mm

1.2 土体建模

采用SPH 建立土体模型时，要求SPH 粒子排列应尽可能规则和均匀，且粒子质量差异不能太大。据此，将土体几何模型设为圆柱，圆柱模型横截面上采用如图3所示的粒子排列方法，并对该圆柱模型的周边粒子和底面粒子的所有自由度进行约束，如图4所示。根据多次试探性运算，为节省运算时间并尽可能真实模拟沉桩过程中桩土之间的作用关系，选用了高度为1 000 mm、半径为200 mm的圆柱SPH粒子组作为土体模型，总粒子数为76 895个。土体参数设置如表2所示，桩土接触仿真模型如图5所示。

图3 SPH粒子排列

图4 SPH粒子约束

表2 土体参数

2 仿真结果分析

利用前述建模和参数设置进行仿真计算，根据仿真结果分析如下。

2.1 桩土作用分析

图5 桩土接触仿真模型（SPH粒子）

图6 仿真土体应力分布

仿真后得出的土体变形图如图5 所示，土体应力分布图如图6 所示，沉桩试验现场如图7所示，由图中可以直观看出，该仿真不仅模拟出了防汛抢险螺旋桩在沉桩过程中桩体对土体的挤压效应，螺旋叶对土体剪切使土体破裂及地表土体上移的效应也有良好的仿真。桩周土体的应力分布随着沉桩深度的增加而逐渐增大，在桩体下端锥部周边一定区域内形成半球形塑性区。当桩体沉入到极限位置时下端螺旋叶处的土体应力达到屈服强度，这与图1 所示的下端螺旋叶和锥体处有明显的光亮度相符，说明土体与螺旋桩的相互作用力主要集中在下端。

为了节省计算量，仿真所用的土体几何模型尺寸比实际土体影响域小的多，并且如前所述对周边土体和底面土体粒子的所有自由度进行了约束，这从图6显示的土体模型边界处仍然有较大土体应力可以得到验证。

2.2 土体压力和土体位移对比分析

在仿真模型中选取距地表300 mm处，即埋桩深度的中部位置且距桩体轴线分别为0 mm、50 mm、100 mm、150 mm的同一径向处具有代表性的土体粒子压力曲线和位移曲线，分别对应如图8、图9 所示的A、B、C、D 曲线，进行对比分析如下。

图7 沉桩试验现场

图8 土体粒子压力曲线

图9 土体粒子位移曲线

（1）从图8和图9中均可以看出，土体粒子压力和位移的波动变化主要发生在300～500 mm 深度，而该段的长度恰好等于桩体前部锥体的高度，进一步说明沉桩过程中桩体对土的作用主要集中在螺旋桩的下端。

（2）图8 中显示当锥体部分经过该位置时，距螺旋桩轴线最近的土体粒子即A 压力曲线波动十分剧烈，在桩体下沉的动态过程中表现出了时压时拉的状态，但是当锥体部分全部通过该位置之后压力曲线则变的比较稳定，但其压力值仍然比距离轴线较远处的土体粒子（B、C、D 曲线）大一些。再对比图6中A曲线的位移情况发现以下情况。

①在土体压力剧烈波动的阶段，土体位移则近似呈线性增加。也就是说，土体粒子位移的线性增大并没有表现出压力的线性升高，因此该处土体的变化特征不是弹性体，而更多表现出的是土体的塑性流动特征。

②该土体粒子位移达到最大值后又产生了较小的反向移动，即回松状态，而后位移保持稳定。

③该处位置的土体粒子位移远远大于其他各处的土体粒子。

（3）在图8中，B压力曲线相比A压力曲线波动没有那么明显。但是在沉桩过程中表现出先呈近似线性增大，达到最大压力值时表现出明显的波动性，而后又呈近似线性下降最后再稳定在一个定值附近，且下降的斜率要比上升的斜率大的多。这说明该处的土体压力在螺旋桩前部锥体斜面的挤压下线性增大，而当锥体部分通过后土体粒子出现了回松现象使得压力急剧下降。再对比图9中B位移曲线的位移情况发现：

①在深度为300～400 mm 之间的压力上升阶段土体粒子的位移却基本保持不变，具有一定的滞后性；

②在深度为400 mm处的最大压力阶段土体粒子才开始产生近似线性的位移；

③在深度为450～500 mm 之间土体粒子的压力和位移基本成同步线性下降且该处土体粒子反向移动的距离要比A 曲线大的多；

④距离桩体较远的C 曲线和D 曲线的压力变化较为缓慢，没有A 曲线和B 曲线那么大的波动，且距离轴线较近粒子对应的C 曲线在压力增长的时间段内斜率较D 曲线大，即压力增长快些，而后两者压力值皆保持恒定，但查看他们对应的位移曲线可知两者所对应的位移却基本没有变化，既没有表现出类似A曲线和B曲线的大位移，也没有表现出回松的特性。

（4）图8 中显示在锥体经过该位置期间距桩体轴线较远的B曲线比A曲线表现出更大的土体压力。

3 土体压力试验

3.1 试验器材

试验器材包括：CYY9 高频响动态土体压力传感器2 个；数字示波记录仪（NEC RA2300 数据采集系统）1 套；锤头1件；自制扩孔钢管等。

3.2 土体压力传感器主要参数

测量土体压力采用CYY9 高频响动态土体压力传感器，如图10 所示，频率响应约500 kHz，压力满量程为50 MPa，传感器的厚度为10 mm、直径为20 mm，输出电压信号为0～5 V，可测试土体中的静态和动态压力变化。传感器已由生产厂家在出厂前进行了标定，压力值和输出的电压信号之间呈线性关系如公式（1）所示，通过采集传感器电压信号的变化可以获知传感器实际所测压力的动态变化。

图10 CYY9高频动态土体压力传感器

式中：Pt为与传感器输出电压对应的动态压力值；VF为传感器满量程输出电压值；V0为传感器零位电压值；Vt为传感器动态输出电压值。

3.3 试验过程

at为测量防汛抢险螺旋桩沉桩过程中的土体压力变化，分别在深300 mm、距离桩体轴线150 mm 位置处埋入 2 个压力传感器且传感器埋入点与轴线垂线成90h，如图11所示。

根据传感器尺寸，设计1 个圆柱形铁管，将其前端加工成与传感器厚度、宽度一致的扁平结构。将此铁管与桩体轴线平行的插入地下300 mm 深度、径向距离桩体轴线150 mm的指定位置。拔出后将传感器沿着铁管挤压土体形成的空腔放入最底部，再利用土体将空腔填满压实。然后，将螺旋桩沉入土体中，利用NEC RA2300数据采集系统记录传感器数输出电压随时间的变化值，根据测得的数据和标定函数公式（1），并对数据滤波后可以得到沉桩过程中2 个传感器所测得的试验土体压力曲线如图12所示。

图11 传感器埋入方式

图12 试验土体压力曲线

3.4 试验分析

（1）由于埋入传感器时，一方面对铁管的锤击将导致空腔周边土体产生很大硬化，另一方面虽然将埋入传感器的空腔压实但土体已非原状土，所以测得的土体压力值将与真实土体状态压力值具有很大的误差。

（2）图12 中2 个传感器所测的最大土体压力分别约为0.03 106Pa 和0.02 106Pa，而图8中仿真土体压力曲线D 中显示的最大土体压力约为0.1 106Pa，两者相差约一个量级，但与仿真曲线D在变化趋势上相比两者仍然表出现出了较好的一致性。

（3）根据2 条试验土体压力曲线可知，虽然埋入深度相同，在与螺旋桩轴线径向距离相同的圆周上的，不同角度位置的土体压力仍然会不尽相同，即螺旋桩桩周同一半径圆周上的土体压力并非均匀分布。

（4）根据2条试验土体压力曲线并结合仿真图8曲线D均可以看出，随着沉桩逐渐深入，在所测位置处，土体压力初始阶段近似呈线性增加，在压力值达到顶峰之后将会出现一个泄压的过程，最后压力值将基本保持恒定。

4 结束语

（1）利用SPH 构建仿真土体对沉桩过程进行仿真计算，能较真实地仿真出沉桩过程中土体的挤压及剪切破裂、土体的应力分布和土体位移变化等工作情形。

（2）防汛抢险螺旋桩在沉桩过程中，桩尖锥体部位会形成半球形土体塑性区，土体与桩体的相互作用力主要集中在下端锥体部位。

（3）在沉桩过程中桩周土体的压力变化和位移变化并不同步，桩周同一圆周处的压力不均布。

（4）紧靠桩体轴线的土体粒子表现出时压时拉的受力状态，同时该处土体粒子的大位移表现出土体的塑性流动的特征。

（5）最大的土体压力不一定发生在紧靠桩体轴线的位置，而是距桩体轴线一定的距离。

（6）试验和仿真均难以获得深层土体压力的准确值，但通过两者的相互印证仍可获得沉桩过程中土体压力较好的变化规律。

本文结合仿真和土体压力试验分析了沉桩过程中的桩土作用状态及土体受力变化情况，在一定程度上进一步揭示了防汛抢险螺旋桩的沉桩机理，为设计减阻降耗的螺旋桩桩体结构提供了一定借鉴。