层状地基静压PHC管桩连续贯入有限元模拟

许永亮, 吴泽坤

(1.中铁建设集团有限公司, 北京 100043; 2.青岛理工大学 土木工程学院, 山东 青岛 266520)

近年来,我国基础建设领域快速发展,相关技术措施迅速发展,如大直径灌注桩、深基坑桩锚支护结构等[1-2]。静压桩凭借施工方便、噪声小、承载力高等优点在城市建设以及周围建(构)筑物对地基变形要求高的地区得到广泛应用[3]。

目前对静压桩连续贯入过程的机理研究还不够成熟,有限元模拟软件可以弥补现场试验耗费时间长、试验环境不可控等缺点,能更全面地模拟桩在贯入过程中所产生的应力、位移等,逐渐被诸多学者应用到静压桩承载性能的研究中[4-5]。鹿群等[6]运用ANSYS软件模拟成层土中静压桩连续贯入全过程,得出在土层软硬交界处土体位移增大,土体应力发生巨变。王永洪等[7]运用PFC2D软件探讨层状黏性土中静压桩贯入机理,分析了静压桩贯入过程中桩受力特性随贯入深度的变化规律,明确了沉桩过程中土体的位移变化规律。马哲等[8]模拟了砂土地基中不同形式桩尖的静压桩在砂土中分级加载的沉桩过程,分析了桩端阻力、桩侧阻力的变化特性。周健等[9-11]采用颗粒流数值模拟研究了密实砂中静压桩沉桩过程,将土体细观变化与宏观力学响应相联系,揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观机理。Li等[12]通过模拟开口管桩在砂土中沉桩效应,探讨了桩侧摩阻力和桩周土体位移场在沉桩过程中的变化规律。Basu等[13]对饱和黏土中静压沉桩及桩周土再固结全过程进行了模拟,并根据模拟计算结果提出了静压桩短期承载力、长期承载力的拟合公式。综上所述,目前关于静压桩沉桩阻力的研究已经取得一些成果,但大多数研究主要是在均质砂土和饱和黏土中进行,这与实际工程中的层状土存在一定的差距。

ABAQUS软件在岩土工程领域数值模拟中具有独特的优势与特点,如拥有诸多可模拟土体的本构模型、强大的桩土接触面模拟功能等,可以实现对静压桩连续贯入的全过程模拟。鉴于此,基于烟台市某静压桩工程,对静压桩连续贯入层状地基的过程进行数值模拟研究,明确压桩过程中其竖向应力、径向应力及径向位移的演化规律。

1 有限元模型建立及模拟过程

1.1 计算模型及参数

本模拟依托烟台市某静力压桩工程,为使模拟更接近实际,将土体厚度及分层与施工现场一致,选用具有代表性的3层土体,土层厚度从上至下分别为2 m、3 m、5 m,土层物理力学参数如表1所示,土层划分如图1所示。桩体直径为500 mm的高强预应力混凝土(PHC)管桩,模型中将桩尖与土体在初始状态分离处理,在加载时再逐渐接触,这样可更好地模拟土体单元在接触时产生的变形,也实现了静压桩贯入的全过程模拟。

图1 土层划分

1.2 模拟基本假定

1)由于桩和桩周土层属于轴对称分布,所以建模时为减小计算量,采用二维轴对称模型。

2)定义材料属性时,桩体赋值钢筋混凝土材料参数,变形为线弹性变形,使用非对称求解器求解。

3)土体为均质线弹性体,采用Mohr-Coulomb屈服准则,预制桩与桩周土体的切向行为采用定义摩擦系数的罚接触。

1.3 桩尖处理方法

在进行桩尖处理时,假定为60°的圆锥形,修正后的锥形桩尖符合PHC管桩受到的土塞效应,可确保实现桩的贯入过程。但桩尖与PHC管桩端头板交界处会出现尖点,当PHC管桩贯入土体时,在尖点处会出现应力集中现象,导致土体单元发生破坏,模拟结果不收敛。为解决这一问题,使模拟更贴近实际,将锥形桩尖与土体连接处的尖点进行圆滑处理,如图2所示。通过圆滑处理的桩尖可缓解应力集中现象,使得尖点处的刺入效应降到最低,模拟结果更加符合实际压桩工况。

图2 桩尖处理

1.4 网格划分

预制桩在压入过程中桩体本身、土体以及桩土接触面的大变形容易导致计算结果不收敛,因此网格的划分是静压桩贯入过程收敛结果的关键所在。单元形状为四边形,算法采用中性轴算法,通过反复计算得出土体单元的最佳尺寸约为桩单元尺寸的1/2,这样可以在保证计算结果收敛的前提下提高桩与土体应力解的精度,网格划分如图3所示。

图3 网格划分

1.5 初始地应力平衡

由于土体本身存在自重应力,所以土体初始的静力平衡状态是岩土问题分析的第一步。本模拟进行地应力平衡的方法为:利用手动添加关键词的方法,在Edit keywords多次添加“*initial conditions,type=stress,geostatic”命令,对各层土体进行初始地应力赋值。这样即可保持原有的地应力状态,又达到控制初始位移的目的。由图4可知,地应力平衡前后应力云图无明显变化,但位移云图变化较大,平衡后控制在10-7～10-8的数量级范围,这样更加符合工程实际情况。

图4 地应力平衡前后的应力与位移云图

2 模拟结果与实测结果对比

通过数值模拟得到的静压桩贯入阻力随深度的变化曲线与实际工程中的实测曲线对比如图5所示。图5可知,模拟结果与实测结果整体变化趋势相同,表明本文建立的模型是可靠的。在桩体贯入初期,贯入阻力沿贯入深度的实测值略小于模拟值,随着贯入深度的增加,两条曲线相交,在贯入深度6 m前,实测值与模拟值相差小于20%;但随着贯入深度继续增加,实测值与模拟值相差逐渐增大,在贯入深度达到8 m时,实测值与模拟值相差近50%。究其原因,一是现场试验中沉桩阻力是通过静力压桩机的油压表读数获取,在换算成贯入阻力时存在人工读数偏差;二是本模型选用的土体本构模型与实际场地中土层的弹塑性特点存在差异,后续的研究中可考虑选用贴合黏性土属性的剑桥(修正剑桥)模型或贴合砂土属性的Drucker-Prager模型。

图5 贯入阻力随贯入深度的模拟值与实测值的对比

3 模拟结果分析

3.1 径向应力分析

截取贯入深度h=1 m、2 m、5 m及施工结束时的桩周土体径向应力云如图6所示。由图6可知,桩体在贯入1 m左右时,此时最大径向应力为1 031 kPa,并且桩端出现应力集中现象,并以桩尖为中心产生应力泡,说明桩端贯入土体,土体被挤压并产生应力,符合实际沉桩过程的应力变化特征。当桩端继续贯入到2 m处时,最大径向应力增大至1 306 kPa,桩端处径向应力的影响范围也进一步增大,但径向应力没有沿桩身方向传递,说明此时桩端处侧摩阻力发挥处于较高水平,主要因为桩端对土体的挤密效应使桩端附近的侧摩阻力增大。随着PHC管桩继续贯入至5 m时,径向应力影响范围从桩端处逐渐向上延伸至桩入土处,但此时径向应力不增反降,最大径向应力为1 031 kPa,这反映了桩的侧阻效应,即土层中某点的桩侧摩阻力并不是随桩贯入深度的增加而增加,反而呈减小的趋势,原因在于桩身与土体接触面间存在剪切带,使得挤土效应减弱,径向应力减小。当桩端贯入到8 m时,应力泡的影响范围进一步增大,为10～12d(d为桩径),此时桩端处径向应力达到最大值,约为2 679 kPa。由图6(d)可知,在②粉质黏土层与③中粗砂层交界处,径向应力有突变现象,此现象在王永洪等[14]、李雨浓和Lehane[15]研究结果中同样存在,即径向应力的变化特性与土层性质有关。

图6 不同贯入深度径向应力云

3.2 竖向应力分析

截取贯入深度h=1 m、2 m、5 m及施工结束时的桩竖向应力如图7所示。在桩端贯入深度1 m时,桩竖向应力较小,最大竖向应力为642 kPa。当桩端贯入2 m到粉质黏土层时,桩端以下竖向应力影响范围开始增大,最大竖向应力达到895 kPa。桩体继续贯入,桩端贯入到5 m时,最大竖向应力并没有随贯入深度的增加持续增大,与贯入2 m时最大竖向应力相比反而有所减小,此时最大竖向应力为654 kPa,说明桩端土层的软弱程度同样制约着PHC管竖向应力的变化。当桩端贯入到8 m时,可以明显看出桩对土层应力产生较大范围的影响,最大竖向应力较贯入深度5 m时明显增大,在桩端以上1 m处竖向应力达到峰值,约为2 580 kPa,PHC管桩贯入结束时剪应力分布如图8所示。由图8可知,剪应力最大值为924 kPa,出现在PHC管桩的锥角处。径向最大应力如图9所示,贯入结束时最大径向应力为1 057 kPa,出现在桩尖处。

图7 不同贯入深度竖向应力云

h=8 m图8 贯入8 m(贯入结束)径向位移云

h=8 m图9 贯入8 m(贯入结束)竖直位移云

3.3 位移分析

贯入结束时PHC管桩的径向位移如图8所示,竖向位移如图9所示。由图8、图9不难看出,PHC管桩在径向对桩周土体位移的影响要远大于竖直方向,并且这种挤土效应会受到土层影响,在黏性土中的影响范围要大于砂土,且两土层交界处出现位移减小的现象,土体的最大径向位移发生在PHC管桩锥角处,约为14 cm。

4 结论

贯入阻力随贯入深度的模拟值与实测值基本吻合,验证了本文建立模型的可靠性,为进一步研究静压桩连续贯入过程中受力性能与位移特征提供支撑。

静压桩连续贯入过程中,对于特定深度的桩周土径向应力,初始阶段随桩体贯入深度增加而增大,达到一限值后,会出现侧阻退化现象。

在贯入初期,桩的竖向应力随贯入深度的增加而增大,当桩端穿过上部较软土层贯入到较硬土层时,竖向应力随贯入深度的增加而减小,表明竖向应力受土层性质影响较大。

水平方向挤土效应高于竖直方向,水平方向中黏性土挤土效应高于砂性土,并且在土层交界处径向位移出现减小现象。