深圳软土地基管桩施工中挤土与土塞效应的数值模拟分析

黄旭东，何燕新

(1.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518001；2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210024)

深圳市拥有绵亘的海岸线，西部海岸富集深厚的欠固结淤泥，呈流塑状，受扰动后易触变，具高压缩性和强烈蠕变性，承载力特征值一般为20kPa，属于极软弱地基。如今随着工程建设的需要，许多大型泵站、水闸、调蓄池等深大基坑将在深厚的淤泥地层中开挖。预应力高强度混凝土管桩因其承载力高、成桩质量可靠、造价低、施工速度快、适应性好等优点而在软弱土地区得到广泛应用[1- 4]。

近年来，国内外很多学者通过理论推导、室内模型试验以及数值模拟对管桩沉桩过程中的挤土效应和土塞效应进行了广泛研究。Mayerhof[5]采用滑移线理论来解释桩的承载力问题；Vesic[6]将圆孔扩张理论引入岩土工程领域，推导了理想状态下的基本解；Chopra[7]认为土体是临界状态的两相弹塑性材料，并通过修正的拉格朗日法对沉桩过程中桩周土体的塑性变形进行了模拟。李镜培等[8]采用模型试验的方法对静压单桩过程在不同软硬地基中的位移场进行了对比分析，获得了浅层土体、桩端处及桩身周围土体不同的位移变化模式；汤斌等[9]采用模型桩试验的方法得到了开、闭口管桩的承载力和土塞高度的影响因素以及土塞增量与沉桩深度之间的关系；齐昌广等[10]采用透明土模型试验的方法对开口管桩沉桩的挤土效应比进行了分析，结果表明管桩内土塞的存在对沉桩的挤土效应有加强作用。鹿群等[11]通过有限元软件ANSYS建立数值模型，模拟了静力压桩连续贯入的全过程，对比分析了该过程中应力场和位移场在均值土和成层土中的变化规律；雷华阳等[12]通过有限元软件ABAQUS模拟分析了单桩沉桩过程，对沉桩导致的土体竖向位移变化规律以及桩—土界面的摩擦特性进行了研究分析；王嘉勇等[13]基于二位有限元方法，建立桩—土、管—土接触面并模拟动态压桩过程，对压桩过程中沉桩深度等因素对临近管道变形的影响进行了研究分析；肖昭然等[14]同样通过ABAQUS软件建立静压桩贯入的三维模型，得到了沉桩过程中不同路径上应力和位移的变化曲线。

理论推导和模型试验往往对复杂的实际工程地质条件进行简化和假设，对于实际工程的指导不够具体。而数值模拟软件具有模型建立方便、条件设置灵活以及计算结果直观、全面等优点，对于指导具体地质条件下的工程实际具有更大的优势。因此本文选取大空港新城区截流河综合治理工程玻璃围涌段的具体地质技术条件，通过颗粒离散元数值模拟软件PFC建立典型剖面模型，对PRC闭口管桩与开口管桩沉桩过程中受力变形机理、挤土效应、土塞效应及其变化规律进行了分析研究。

1 工程概况

大空港新城区截流河综合治理工程位于深圳市宝安区西北部空港新城建设区域，场地淤泥厚度6.0～15.0m，该区域富集深厚的欠固结淤泥，呈流塑状，受扰动后易触变，具高压缩性和强烈蠕变性，承载力特征值一般为20kPa，属于极软弱地基。工程项目建(构)筑物基坑支护及地基基础设计主要包括长5.4km箱涵、5座节制闸、8座截污闸(含截流井)、1座集中排涝泵站、2座污水泵站及相应附属构筑物。各建(构)筑物主要基坑主要采用混合配筋预应力混凝土管桩(PRC桩Ф800D130)及管桩(Ф1000)作为围护结构，局部深基坑结合内支撑布置，地基基础方案主要为Ф400PHC管桩(C型)桩基，局部为灌注桩桩基。

2 颗粒流数值模型的建立和参数确定

选取玻璃围涌A2-A2截面为典型施工断面，通过颗粒离散元软件PFC建立的模型如图1所示，二维模型尺寸为36m×30.1m。在减少计算量的同时又不影响计算效果的条件下，在沉桩施工影响区域的颗粒设置为0.05～0.06m，从中间向两侧，颗粒粒径逐渐增大，依次为0.075～0.09m和0.10～0.12m。初始平衡模型中共有58174个颗粒单元。该计算模型范围内土层情况如图2所示，模型边界采用柔性控制方式，控制强度约为0.5MPa。PFC数值模型的计算细观参数见表1。

图1 计算模型

图2 土层分布

表1 PFC模型细观参数表

沉桩荷载采用速度波动方式施加，波动方程为：

v=A(1-cos(2πft))/2

式中，v—沉桩速度，m；A—振幅，m；f—频率，Hz；t—时间，s。波动曲线如图3所示。

图3 速度荷载波动曲线图

沉桩之前，要将场地放坡及平整，同时为方便查看沉桩过程土体的位移变化，将模型中的土层分成若干垂直交叉的条状，如图4(a)所示，为了计算沉桩后桩体周围的土体细观结构变化，设置了1920个测量圆，如图4(b)。

图4 模型土体分层及测量圆分布图

3 数值计算结果分析

为模拟闭口与开口管桩在沉桩过程中不同阶段桩体对周围土体影响模式、范围以及桩端阻力的变化情况，模型沉桩过程分4步计算分析，沉桩深度分别为2、4、8、20m。

3.1 闭口管桩的挤土效应计算

3.1.1沉桩过程的位移变形模式

从图5中可以看出，沉桩过程中浅部土体的隆起变形较为明显，而中部土体的变形则以径向为主，桩端下部颗粒随着桩的不断深入而向下运动，与侧面颗粒间的剪切错动非常显著。

图5 不同沉桩深度的土体位移变形模式

3.1.2沉桩过程的位移矢量分析

如图6所示，在桩的不同贯入阶段，同一深度处桩周土体随着与桩端部相对位置的改变其主要位移模式也在不断变化。当浅部点位于桩端平面时，在桩端的法向挤压力与切向侧摩阻力的联合作用下，以侧向下运动为主，紧邻桩端土颗粒运动方向大致偏向两侧运动。

图6 沉桩至不同深度时的土体位移矢量图

当深部点位于桩端平面时，运动模式类同浅部土颗粒运动特征，当颗粒由桩端转为桩周土体时，由于高围压的作用，桩周土体的位移变形模式以相对于桩体的竖向位移和变形为主，大部分区域以径向压缩为主。

3.1.3沉桩过程的位移云图

图7给出了闭口管桩不同沉桩深度时桩周土体的位移云图。

图7 不同沉桩深度的土体位移云图

从图中可以看出，在桩体的贯入过程中，桩体在浅部时对土体的横向和纵向影响范围都还很小。当桩体贯入至深部位置，浅部土体的位移量不断增大，对深部土体的影响范围逐渐增加，且桩端位移在2m以上的土体颗粒范围也在增加。

3.1.4土体细观结构分析

如图8所示，采用Matlab对试验沉桩结束后的密实度场变化进行了分析，密实度场包括接触数变化和孔隙度变化。H为插入深度，L为视窗宽度。图8(a)给出了闭口管桩在沉桩过程中接触数变化情况，从图中可以看出，管桩外壁接触数由于沉桩的影响而减小，说明沉桩会导致颗粒间的接触降低。图8(b)为沉桩过程中闭口管桩桩周土体的孔隙率变化情况。在管桩外壁摩擦力的作用下，砂土颗粒和桩之间产生颗粒碰撞、旋转，导致桩外壁颗粒的孔隙率增大。桩土接触处的颗粒孔隙率由于受到扰动作用而增大，而远离桩的孔隙率则减小。

图8 闭口管桩密实度场等值线图

图9是闭口管桩下端阻力与沉桩深度间的关系曲线，横坐标是桩下端阻力，纵坐标桩体从0 m灌入到-20 m的位移。由图可见闭口管桩桩端阻力随沉桩深度的增大而逐渐增大，桩端最大阻力为3900kN。

图9 闭口管桩深度—下端阻力的关系曲线

3.2 开口管桩的土塞与挤土效应计算

3.2.1沉桩过程的位移变形模式

图7给出了开口管桩不同沉桩深度时桩内及桩周土体的位移变形模式。

由图10可以看出，浅部土体隆起变位明显，而中部土体的变形则以径向为主，桩端下部颗粒随着桩的不断深入而向下运动，与侧面颗粒间的剪切错动非常显著。随着桩体的深入，开口管桩内部逐渐形成土塞，在沉入深度为8m时，土塞高度达到最大，约为4m，之后不再随着深度的增加而增加。

图10 不同深度沉桩的土体位移变形模式

3.2.2沉桩过程的位移矢量分析

如图11所示，在桩的摩擦力作用下，开口管桩外壁局部范围内的颗粒向下运动，而远离桩的颗粒则在桩端的挤压作用下向斜上运动。随着沉桩深度的增加，上部土塞颗粒在桩内壁摩擦力的作用下逐渐向下运动，而下部土塞颗粒则受桩壁摩擦力和桩底挤压的双重作用向上运动。上下部分颗粒在桩体内旋转、相互碰撞，导致颗粒速度矢量变得杂乱。随着沉桩深度的不断增大，土塞下部土体无法继续从桩底挤入，管内土塞高度基本不再变化，土塞土体随桩的深入而向下运动。这时开口管桩的受力性能与闭口管桩的受力性能类似，桩底部土体颗粒向桩侧显著挤出。

图11 沉桩至不同深度时的土体位移矢量图

3.2.3沉桩过程的位移云图

如图12所示，与闭口管桩沉桩过程类似，随着开口管桩体的不断贯入，桩体在浅部时对土体的横向和纵向影响范围依然较小。当桩体贯入深度较大时，浅部土体的位移逐渐增大，深部土体受沉桩影响的范围也不断增大，桩端位移在2m以上的土体颗粒范围同样逐渐增大。

3.2.4土体细观结构分析

图13(a)为开口管桩在沉桩过程中土体颗粒接触数的变化情况，从图中可以看出，沉桩使得桩外壁接触数降低，说明沉桩会导致颗粒间的接触减少，孔隙率增加，而对其他部分土体颗粒接触数的影响则较弱。随着沉桩过程的进行，土塞下部区域的接触数逐渐增大，说明在形成土塞的过程中，颗粒间相互挤压、密实，逐步形成土拱。

图13(b)为开口管桩在沉桩过程中桩内土塞孔隙率的变化情况。随着沉桩深度的增大，土塞颗粒逐渐向下移动，其中上部区域颗粒的孔隙率较大，而下部区域由于桩壁摩擦和桩底颗粒的挤压，孔隙率明显减小，此时下部区域颗粒在上部区域颗粒的“阻挡”下，其密实度逐渐增加，形成土拱并最终完全闭塞。

图14是开口管桩下端阻力与沉桩深度间的关系曲线，从图中可以看出，开口管桩桩端阻力随桩体的深入逐渐增大，最大阻力为1800kN，远小于闭口管桩的桩端最大阻力(3900kN)，仅为其47.36%。

图14 开口管桩深度—下端阻力的关系曲线

4 结语

本文以深圳地区深厚软土地层实际基坑工程为依托，选取典型施工断面，通过颗粒离散元软件PFC建立数值模型，模拟了闭口管桩和开口管桩的沉桩过程，分析了沉桩过程中桩周土体的运动模式、位移变化、土体细观结构变化以及桩端阻力变化，得出如下结论：

(1)闭口管桩沉桩过程中浅部土体的隆起变形较为明显，而中部土体的变形则以径向为主，桩端下部颗粒随着桩的不断深入而逐渐向下运动，与侧面颗粒之间的剪切错动现象非常明显。开口管桩沉桩过程中，随着桩体的深入，桩内部逐渐形成土塞，在沉桩深度为8m时，土塞高度达到最大，约为4m，之后不再随着沉桩深度的增加而增加。

(2)闭口管桩和开口管桩桩体在浅部时对土体的横向和纵向影响范围均较小。当桩体灌入到深部时，浅部土体的位移逐渐增大，深部土体的受影响范围不断增大，桩端位移在2m以上的土体颗粒范围也不断增大。桩端阻力随着桩体的深入逐渐增大，闭口管桩桩端最大阻力为3900kN，而开口管桩桩端最大阻力仅为1800kN。

(3)在闭口管桩的不同贯入阶段，同一深度处桩周土体的主要位移模式随着与桩端部相对位置的改变而不断变化。当浅部点位于桩端平面时，以侧向下运动为主，紧邻桩端土颗粒大致偏向两侧运动。当深部点位于桩端平面时，运动模式类同浅部土颗粒运动特征。当颗粒由桩端转为桩周土体时，桩周土体运动模式为相对于桩体的竖向位移和变形，大部分区域以径向压缩为主。

(4)开口管桩在桩的摩擦力作用下，外壁近桩部分颗粒向下运动，而远离桩的颗粒则在桩端挤压作用下而向斜上运动。随着沉桩深度的增大，土塞上部颗粒在桩内壁摩擦力的作用下向下运动，而下部颗粒在桩壁的摩擦力和桩底的挤压的作用下向上运动，形成土拱并最终完全闭塞。