海岛地区管桩静压沉桩与固结数值模拟研究

蔡 军，毛 力，冯浩清，马昊天，王 哲，宋佳峰*，章 韬

(1. 华东工程咨询有限公司，311122，杭州；2. 浙江工业大学土木工程学院，310023，杭州；3.金华市多湖中央商务区建设投资有限公司，321000，浙江，金华)

0 引言

对于一些深厚软土地基，以预应力管桩等为代表的刚性桩复合地基得到广泛的重视。但预应力管桩在贯入过程中会不可避免地要对桩周土体产生位移与孔隙水压力。沉桩完成后随着孔隙水压力的缓慢消散土体会再固结，可能使桩体受到负摩阻力的影响[1]。因此，许多学者对沉桩挤土效应与固结问题，展开了许多研究并取得了一定成功。王海刚等通过数值模拟的方法研究了静压沉桩过程中桩身的应力与阻力分布规律[2]。桑松魁等利用Abaqus研究了沉桩过程中桩土接触面的孔隙水压力消散规律[3]。钱峰等通过模型试验的方式研究沉桩过程中的孔隙水压力变化规律[4]。雷华阳通过现场试验与数值模拟研究了沉桩对桩周土体位移的影响[5]。

本文为研究沉桩引起的土体位移变化以及超静孔隙水压力消散规律，减少沉桩带来的不利影响，指导现场的工程实践，建立了符合实际工程的有限元模型，详细地分析了沉桩挤土效应引起的位移场规律与影响范围；超静孔隙水压力产生和消散过程，得到单桩沉桩引起的超静孔隙水压力的规律和影响范围。

1 有限元模型

管桩静压数值模拟属于岩土贯入问题，较为复杂。本文基于Abaqus并利用有限单元法进行管桩静压施工以及工后桩周土体固结模拟。有限单元法广泛地用于桩基计算中，它是十分有力的计算工具。许多学者已将之引入桩体贯入过程分析中。

1.1 基本假设

1)采用二维轴对称方式模拟单桩静压过程。

2)桩体采用离散刚体单元。

3)土体为均匀连续弹塑性介质，采用修正剑桥模型作为计算本构。

4)桩土接触采用硬接触，允许切向滑动。

5)通过添加位移边界实现桩基静压沉桩。

6)土体为饱和土，地下水位位于地表，土体固结时，地表为排水边界。

7)土体固结计算中控制方程采用Biot固结理论，不考虑孔隙比、渗透系数及土体模量沿地基深度的变化，也不考虑随固结过程变化。

1.2 模型参数

桩基长度根据现在实际长度选择8 m，直径500 mm。网格划分土体需选择CAX4P(四节点二维轴对称单元)，桩身采用离散刚体计算。计算模型如下图1所示。

图1 土体本构模型

土体本构模型采用修正剑桥模型(简称MCC)，Abaqus有限元计算中修正剑桥模型的建立需要配合多孔弹性模型。模型参数来源于工程地质勘察报告以及相关文献借鉴[6]，具体各项参数如表1和表2所示。

表1 多孔介质弹性模型参数

表2 黏土塑性模型参数

其余重要步骤如下：1)通过预定义场的方式进行地应力平衡；2)孔隙水压力添加；3)静压沉桩位移边界。

2 模拟结果分析

2.1 位移场分析

2.1.1 施工过程中位移场分析 如图2所示为径向0.3 m的土体在静压贯入过程中的水平位移与竖向位移曲线图。对于水平位移，数值模拟结果显示：1)在施工初期，水平位移出现波动，先从地表处的68.3 mm减小至52 mm而后增大至84 mm；2)沉桩过程中，最大水平位移始终发生在桩端且基本在80～100 mm之间波动；3)桩端以下水平位移较小，在桩端下2 m即深度10 m时，水平位移为0 mm。

图2 径向0.3 m处土体静压过程中位移曲线图

对于垂直位移，数值模拟结果显示：1)在沉桩施工过程中，由于挤土作用，桩周表层土体发生隆起，该规律与径向位移场规律一致；静压约1 m时隆起变形减小至0，继续静压，土体发生向下压缩变形。2)沉桩过程中，最大竖向位移始终发生在桩端，例如沉桩2 m时，最大竖向位移发生于深度2 m处，约为46 mm；随着垂直距离的增大，受桩侧摩阻力作用，竖向位移逐渐累计，并在桩端达到峰值，峰值约为114 mm；由于采用匀速静压，因此位移速率始终保持不变(表现为曲线重合)。3)桩端以下土体受沉桩影响扰动较小，位移迅速衰减。在桩端以下约1.5 m即深度为9.5 m左右时，无位移产生。

2.1.2 工后位移场分析 如图3显示为沉桩静压施工过程中，桩周径向土体水平及竖直位移的变化情况。

图3 工后桩周土体位移变化曲线图

对于水平位移，如图3～图5所示：1)由于沉桩的挤土作用，对桩侧土体产生扰动，导致产生较大径向位移。例如，当径向距离为0.3 m，地表水平位移为68.3 mm，而深度为0.6 m 时，水平位移急剧增大至84.8 mm。随着深度的增加，水平位移波动增大，在7.1 m处达到峰值，为103.9 mm。就此可以得出，径向距离越小扰动程度越大。2)如图4与图5所示，径向水平位移在相同深度的情况下，随着径向距离的增大而迅速减小且符合对数关系，呈现对数衰减。在双对数坐标轴下呈现明显的线性关系。例如地表处径向距离0.3 m的水平位移68.3 mm，而径向距离1.5 m的地表处水平位移为8.7 mm，数值急剧衰减，二者相差7.85倍。径向距离2 m处的地表水平位移5.27 mm，变形基本稳定。进一步的，利用该线性关系，进行拟合分析计算，判断地表水平位移在径向的影响范围约为4 m。3)而不同径向距离在垂直方向上的水平位移变化规律近似相同，具体为在0～2 m范围内略微减小而后逐渐增大。当深度达到10.5 m时，无位移产生。对比施工过程中水平位移的变化可知，在沉桩工后，位移场存在扩张。

图4 地表水平位移径向分布图

图5 地表水平位移双对数坐标图

对于垂直位移，结合图3、图6和图7所示：1)由于沉桩的挤土作用，地表土体产生一定的隆起。如图6与图7所示，隆起值随着径向距离的增大而逐渐衰减，符合对数关系。地表位移的径向影响范围为4 m，即8倍桩径。2)沉桩对桩周土体的影响随着径向距离的增大而减小。例如，径向距离0.3 m处，地表隆起55.3 mm，随着深度的不断增大，并在7.5 m处(桩长8m)达到峰值约112 mm。该峰值分别约为径向距离0.6 m峰值(48.5 mm)的2.3倍与0.9 m峰值(11.7)的9.6倍。3)深度方向上，径向距离为1.5 m与2 m时，竖向位移曲线近似为一条直线，因此可以推测沉桩对竖向位移的影响范围约为径向的2 m，即至少为4倍桩径。同时，在桩端以下6 m范围内，土体均存在一定的竖向压缩变形。

图6 地表垂直位移径向分布

图7 地表垂直位移双对数坐标图

2.2 孔隙水压力消散规律分析

图8～图13所示即为ABAQUS模拟时静压沉桩工后超静孔隙水压力消散过程。图8所示为沉桩过程，土体受到挤压与剪切作用即开始产生超孔隙水压力，并向四周呈球形扩张。继续增加并在短时内达到峰值，最大竖向影响范围约在桩端下2 m位置。如图9～图12所示为沉桩完成后，超孔隙水压力开始消散过程，由于淤泥质黏土渗透系数较小，因此消散速率较为缓慢。随着时间的增加，孔隙水从地表排出，超孔压慢慢地消散，该过程持续约两周时，超孔压已消散约70%。如图13所示，即工后约50 d时大部分孔隙水压力完全消散。该过程同现场测试数据所示的规律较为相似。

图8 0 h

图9 1 h

图10 1 d

图11 2 d

图12 15 d

图13 50 d

如图14、图15所示。为不同深度(3 m、6 m)下，不同径向距离(0.5 m、1 m、2 m、5 m)处土体的孔隙水压力随时间消散的曲线图。通过对这8个位置的曲线图分析确定沉桩对周围土体扰动区域范围以及超孔压消散规律。

图14 深度3 m处超孔压消散曲线

图15 深度6 m处超孔压消散曲线

由图14、图15可知，沉桩深度6 m与3 m进行对比可以看到，孔压的峰值明显增大，所以超孔压的峰值随着沉桩深度的增加而增加。当沉桩施工完成后，负孔隙水压力迅速消失并在短时间内达到峰值，在工后缓慢消散，历时约50 d后趋于稳定。进一步地，超孔压的峰值随着径向距离的增大而减小。例如，径向距离0.5 m时，深度3 m的峰值约为55.9 kPa，深度6 m的峰值86.8 kPa，远大于同一深度下径向距离为5 m的峰值。因此可以判断，超静孔压在径向的影响范围约为5 m，即约为10倍桩径。当历时约55 d时，孔隙水压力基本稳定，不再变化。

3 结论

本文利用ABAQUS软件，用轴对称模型，实现模拟桩贯入以及桩周土体固结的过程。得到以下几点结论。

1)位移场分析。阐述了静压施工过程即工后桩周土体位移场的一般规律，给出了位移场径向以及竖向的影响范围。

2)超孔隙水压力分布分析。阐述了超孔隙水压力的产生与消散规律，给出了超孔隙水压径向影响范围，为5 m。由于淤泥土的渗透性较差，因此消散时间较为漫长，约为55 d，该规律与现场实验所得规律相符。

3)施工建议措施。①增加排水通道，加速由静压沉桩产生的超孔隙水压力的消散，使承载力短期内提升；②质量控制措施：改变压桩顺序使其更合理，可采取间隔跳打方法；控制压桩速度，避免沉桩速度过大；设置应力释放孔和挖防挤沟；③合理布置桩间距，减少挤土位移场对临近桩基稳定性的影响。