吹填软土桩侧负摩阻力变化规律数值模拟分析

邢博然，刘 举，黄 磊，岳晓鹏

（1.天津滨海新区轨道交通投资发展有限公司，天津 300000；2.天津城建大学，天津 300384）

吹填软土的固结特性和蠕变特性，导致上部荷载作用在地基土上具有明显的时效性[1-5].对于吹填场地上的桩基工程来说，土体的沉降明显要大于桩基的沉降，造成桩与土的相对位移，进而引起桩侧负摩阻力的发生.与国外采用钢管桩不同，我国的桩基工程仍以灌注桩和预制桩为主，这就无法避免桩侧负摩阻力问题，而负摩阻力的存在对桩基工程十分不利[6-10].

随着有关负摩阻力问题在工程实践中的不断出现，越来越多的中外研究学者将桩基负摩阻力问题作为研究重点.本文针对张建新等人[11]的室内模型试验开展了单桩和群桩有限元分析，分析结果对于探究桩侧负摩阻力特性以及相关防范措施具有重要的研究意义.

1 桩侧负摩阻力模型试验研究概述

张建新等人通过室内模型试验，探究了软土次固结阶段桩侧负摩阻力特性.试验所采用的模型箱净空尺寸为（长×宽×高）1 200 mm×1 200 mm×1 200 mm，试验土共分为3层，总高度为1 100 mm，模型桩采用弹性模量为70 GPa底部封口的铝管，桩顶承台尺寸为10 mm×10 mm×6 mm，为了量测试验过程中土层的分层沉降量，制作了专用分层沉降标.

试验通过油压千斤顶对桩顶荷载保持恒定的单桩进行桩周土体逐级加载，分为15 kPa→23 kPa→30 kPa→40 kPa→50 kPa 5个加载等级，其试验用土的相关物理性质参数见表1所示.

文献11研究表明：吹填土在固结过程中分为主次固结两个阶段；初始超孔隙水压力随加载级别和土层深度的增加而增加；逐级加载，土层沉降量呈“阶梯式”下降，上层土沉降量大，且呈早期快后期慢的特点；在次固结阶段，在同一荷载作用下，桩侧负摩阻力随桩深先增大后减小，且最大值随着桩周土受荷时间的增加而变大；随着荷载等级的提高，负摩阻力的峰值逐渐增大，桩身中性点的位置上移.

表1 试验土的相关物理力学指标

2 桩侧负摩阻力有限元分析

2.1 有限元计算参数的获取

本文采用Plaxis软件进行有限元计算分析，上下层砂土采用摩尔库仑模型，中间吹填软土层采用软土蠕变模型，桩身材料采用弹性模型.计算中涉及的软土蠕变模型参数（修正的压缩系数λ*，修正的膨胀系数κ*，修正的蠕变系数μ*）的获取可分为直接法与间接法两种.本文主要采用间接法，即采用三轴流变试验与一维固结压缩试验确定，得出的模型参数，见表2.

表2 实验得出的模型参数

通过与模型试验验证，应用三轴流变实验得出的参数进行数值模拟时所得规律更接近实际，故以下计算均采用该实验所得参数.

2.2 单桩负摩阻力有限元分析

根据模型试验，采取模型放大10倍进行模拟，即土体模型尺寸为12 m×12 m×11 m，并用标准边界条件模拟模型箱对土体的约束作用，用均布荷载代替受力承压板，均布荷载分布范围为0.25 m-5.75 m，6.25 m-11.75 m，并用板来模拟桩，桩长为7 m，取等效半径为0.219 m.地下水位位于土表面以下0.5 m处.土层参数见表3，桩参数如表4所示，模型见图1.

划分网格时对桩身及桩脚周围进行网格加密，以确保分析结果的准确。初始条件中，水的容重取10 kN/m3，基于在y=-0.5 m处的一般水位生成孔隙压力.

本文采用改变均布荷载大小来模拟室内试验桩周土体的加载，利用竖向点荷载来代替桩上荷载，为保证每次加载后区分出土体主固结与次固结阶段，在每一次加载后再施加一荷载步，使土体孔隙水压力消散至1 kN/m2（认为当土体中孔隙水压力小于该值后，土体进入次固结阶段）.

表3 土层材料特性

表4 桩材料特性

图1 有限元模型

2.2.1 超孔隙水压力随时间变化

不同深度土的超孔隙水压力随时间变化曲线如图2所示.

由图2可知，超孔隙水压力峰值大小与两级荷载差值成正相关，且数值随深度加大而增加，桩周土体内超孔隙水压力的消散呈现出早期陡晚期缓的趋势.分析认为，当土体承受上部土层传来的竖向荷载时，土体孔隙变小，自由水来不及排出，超孔隙水压力急剧增大，随着水压力的快速消散，土体骨架发生变形，土颗粒间发生移动，即产生蠕变，但蠕变是一个十分漫长的阶段，因此才会出现超孔隙水压力早陡晚缓的现象.

图2 不同深度超孔隙水压力随时间变化曲线（90 d）

2.2.2 不同堆载作用下桩身轴力和桩侧摩阻力变化

因桩周土沉降趋于稳定的时间大致在90 d，所以不同堆载作用下桩身轴力和桩侧摩阻力变化曲线均以90 d为时间节点，曲线如图3和图4所示.

由图3和图4可知，桩身轴力随着堆载等级的增加而增大，桩身中性点位置也随之上移，分析认为，由于次固结阶段吹填土颗粒的蠕变，使得桩身与土体之间的沉降差值增大，从而导致桩身中性点位置上移；桩侧摩阻力沿桩身先增大后减小，同级堆载作用下桩侧摩阻力随时间不发生变化.

2.2.3 不同深度桩周土体沉降变化分析

图5为不同深度桩周土体沉降随时间的变化曲线.

由图5可知，桩周土体沉降在主固结阶段和次固结阶段均较大，且土体沉降量表现为早期快晚期慢的规律.分析认为，主固结阶段，由于上部竖向荷载的施加使得土体孔隙之间连通性增大，超孔隙水压力急剧上升后快速消散，土体骨架发生较大变形；在次固结阶段，上部荷载作用效应减弱，土体超孔隙水压力消散趋于平缓，土体发生的沉降主要是由土骨架及土颗粒的蠕动变形引起的.

图3 不同堆载下轴力变化曲线（90 d）

图4 不同堆载下桩侧摩阻力的变化曲线（90 d）

图5 不同深度桩周土体沉降随时间变化曲线（90 d）

2.2.4 不同深度桩周土体沉降变化对比分析

对不同堆载作用下桩周土体在主固结和次固结阶段的沉降量进行了对比，结果见表5.

表5 桩周土在各级堆载下不同土层深度处的主次固结沉降量

由表5可知，在同级堆载作用下，无论是主固结还是次固结阶段，沉降量都随深度逐渐减小；桩周土次固结阶段沉降量占土层总沉降量的比值均较大，以-6.5 m深度处为例，桩周土堆载差值为15 kPa时占比为15.3%，桩周土堆载差值为8 kPa时占比为28.5%，且随堆载差值的增大，次固结阶段沉降量占比逐渐减小.

通过对比发现，有限元计算结果与模型试验结果基本一致，验证了所采用模型的可行性，在该模型的基础上开展了群桩的有限元分析.

2.3 群桩负摩阻力有限元分析

2.3.1 计算模型建立

模拟某承台下3×3群桩在桩周土超载的条件下，不同位置的桩所产生的负摩阻力变化情况及桩身中性点位置的变化规律.桩间距为4倍的桩径，桩长为18m，桩径的大小为0.8 m，X方向及Y方向长度大约为桩径的33倍，竖直Z方向长度大约为桩长的3倍，故所建立的地基土模型尺寸为27 m×27 m×54 m.桩顶承台所采用的尺寸为8 m×8 m×1.5 m，其中对桩顶施加的荷载等级为960 kN，对桩周土采用逐级加载方式，其加载过程为15 kPa→30 kPa→45 kPa→60 kPa→75 kPa.地基土所用参数同上，计算模型如图6所示.

图6 计算模型图

计算中采用桩和承台的相关参数见表6.

表6 模型计算桩相关参数

2.3.2 计算结果分析

（1）超孔隙水压力变化分析

桩周土逐级加荷后，土中超孔隙水压力变化曲线如图7所示.

图7 超孔隙水压力随时间变化曲线

从图7中可以发现，当对桩周土进行逐级加荷时，土中超孔隙水压力的峰值荷载等级的增大而逐渐减小，这与单桩试验结果不同.分析认为，这是由于随着土中超孔隙水压力的逐渐消散，土体内的孔隙水逐渐减少，进而当桩周土体再受到下一级荷载的作用时，其产生的超孔隙水压力也随之减小.同时，在荷载作用下，桩周土内的超孔隙水压随着土层固结时间的增加而逐渐降低，承台下群桩内部的超孔隙水压力较群桩外侧的大.分析认为，这是由于群桩中桩与桩之间的相互作用，使桩间土体内部的超孔隙水压力得不到充分的消散，其产生的超孔隙水压力值是逐渐综合累积的结果，故群桩内土层的超孔隙水压力值较群桩外的大；在不同等级荷载作用下，其产生的超孔隙水压力的消散时间也各不相同.随着荷载等级的升高，土中的超孔隙水压力所需要的消散时间也越来越长.这与前面单桩结果所得出的规律一致.

（2）桩周土沉降变化分析

当桩周土受到荷载作用后，桩周土所产生的沉降与土中的超孔隙水压力消散情况相关，是主固结沉降与次固结沉降共同作用的结果.其土层不同深度处的沉降随时间变化曲线见图8所示.

从图8中可知，对桩周土施加的荷载等级越大，其产生的土层下沉量越大，并且土层沉降呈现出早期快后期慢的趋势，表现出明显的时效性.在同等级荷载作用下，土层轴向深度相同时，群桩内土层沉降较群桩外土体沉降小，并且群桩范围外侧的土体早期下沉较群桩内侧的快，曲线较陡，说明了建筑物在群桩的作用下，能够使土层的下沉量减小，有效地起到防止建筑物下沉过大，减小建筑物不均匀沉降的作用.同时，由图8可以看出，当桩周土体进入次固结阶段时，群桩外部土层蠕变效应较群桩内部的蠕变效应更加明显，次固结所占比重较大，产生的沉降较群桩内的大.说明了群桩作用能够有效地减小当吹填软土进入次固结阶段时所产生的沉降.

图8 桩周土沉降随荷载作用时间变化曲线

（3）次固结阶段桩身轴力变化分析

当桩周土开始进入次固结阶段，其角桩、边桩、中心桩的桩身轴力变化以及中心点的变化规律各不相同.从数值模拟结果发现，在次固结阶段，桩身轴力随着荷载作用在桩周土上时间的增加而逐渐增大，这与单桩模型试验和有限元结果所表现出的规律一致，同时发现角桩、边桩及中心桩的桩身中性点位置及桩身轴力最大值各不相同.其中，角桩的中性点位置深度大于边桩和中心桩；角桩的桩身轴力最大值大于边桩，中心桩的最小；随着作用在桩周土上荷载等级的增加，次固结阶段所产生的桩身轴力变化逐渐趋于平缓.在对桩周土进行逐级加载的条件下，角桩中性点位置随着荷载等级的提高而逐渐上移（见图9所示，以80 kPa为例），边桩及中心桩的中性点位置变化不明显.分析认为，当桩周土体进入次固结阶段时，随着荷载作用时间的增加，使桩周土变得更为密实，并且由于群桩-土体-承台复杂的共同作用，蠕变效应逐渐减弱，在次固结阶段所产生的沉降量随之减小，减小了桩土之间的相对位移，因此桩身轴力变化差值减小，使桩身中性点位置随之上移.

（4）次固结阶段桩侧摩阻力变化分析

对桩周土所施加的荷载等级达到80 kPa时，土体在次固结阶段下，角桩、边桩及中心桩的桩侧摩阻力随时间变化曲线见图10所示.

图9 80 kPa时角桩桩身轴力图及中心点位置图

由图10可知，在同级荷载作用下，次固结阶段，各位置桩的桩侧负摩阻力沿桩的轴向长度呈先增大后减小的趋势，并且角桩的摩阻力峰值最大，边桩次之，中心桩最小.分析认为，这是由于桩与桩之间的相互作用，使群桩基础内部的沉降量较基础外侧的小，蠕变作用较弱，产生的桩与土之间的相对位移较小，故产生的负摩阻力随之减小.从图10中还可以发现，随着在次固结阶段时间的增加，各位置桩的中性点均有不同程度的上移，其中角桩的变化最为明显，这与从桩身轴力图中所得出的结论一致.

图10 80 kPa时各桩侧负摩阻力图

3 结论

（1）就单桩而言，施加在桩周土上的荷载等级对土中超孔隙水压力、桩身的中性点位置及桩侧负摩阻力的变化有较大影响.桩周土中超孔隙水压力随着荷载增大而增大；桩身中性点随荷载等级的增大而位置上升；对于相同荷载等级，中性点位置与加载时间无关；对桩侧摩阻力而言，负摩阻力峰值与荷载等级相关，随之升高而增大.这与模型试验所得规律基本一致.

（2）相对群桩而言，在同级荷载条件下，群桩内部土层沉降较外部小，超孔隙水压力较外侧大；群桩内部蠕变效应较群桩外部弱；桩身轴力随着荷载作用在桩周土上时间的增加而增大，轴力峰值表现为：角桩＞边桩＞中心桩.

（3）对于群桩来说，当荷载等级达到一定水平时，桩身中性点的位置随着时间的增加而上移，其中角桩上移高度更为明显，为今后吹填场地消摩措施提供有力参考依据.