灰土擠密樁樁土貫入機理研究

楊莉萍

（甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州73070）

灰土樁擠密地基屬于人工復合地基，在厚度較大的濕陷性黃土地基加固中具有較好的技術經濟效益，國內外學者[1-3]研究了灰土擠密樁在濕陷性黃土地基中的作用機理，介紹了濕陷性黃土地基設計方法和處理效果。曹黎娟等[4]研究了灰土擠密樁的擠密成孔過程。黃宏和劉敬輝[5]分析了貫入法壓樁過程，對貫入過程進行分析研究，分析研究了樁周土體的變形規律。鄭華茂等[6]利用模型試驗研究砂土中靜壓樁在貫入過程中的承載機理，分析了模型樁貫入4 種不同深度時的樁周應力變化規律,對樁頂軸力、樁頂位移、樁身環向應變和樁身縱向應變進行全程測量。賀詠梅等[7]研究了此類軟土中剛性樁貫入的作用規律。楊建周[8]提出了黃土累計塑性變形的預測模型，并相似進行了參數的選取方法研究和試驗研究。臘潤濤[9]對濕陷性黃土采用灰土擠密樁加固過程中的施工工序和控制要點進行了分析研究。于貴等[10]研究了灰土擠密樁加固鐵路路基時樁徑、樁距、樁長等因素對基礎的加固效果。馬蘭、趙永虎等[11-12]通過研究發現灰土擠密樁能夠有效控制濕陷性黃土地區的地基濕陷變形。

綜上所述，目前灰土擠密樁復合地基在加固處理黃土地基的工程中得到了廣泛的應用。本文針對黃土路基處理后，結合圓孔擴張理論和有限元軟件ABAQUS 在處理大變形、接觸非線性上的獨特優勢,建立靜壓樁連續貫入土體的有限元模型,分析灰土擠密樁單樁貫入情況下樁周土的擠密效應及樁對土的擠密機理。

1 基本假設

1）土體是理想彈塑性體，且是均勻和各向同性材料；

2）擠密成孔過程中孔周圍的土體應力分析按平面應變問題進行；

3）土體滿足摩爾-庫倫準則；

4）土孔擴張前滿足各向有效應力相等；

5）在擠密區土體本構關系服從鄧肯-張模型。

2 計算模型及其參數

本文主要研究單樁貫入情況下，樁周土的擠密效應及樁對土的擠密機理。具體問題為將直徑為30cm 的圓樁，長為5.0m，靜壓到濕陷性黃土地基中，樁端設置樁靴，樁靴角度為60°。在分析過程中，由于樁的剛度比土的剛度大的多，所以在分析中樁體采用剛體模擬，而地基采用修正的劍橋模型模擬。黃土物理力學指標見表1。對于單樁貫入的問題，貫入過程通過施加強制位移來模擬。為了減小邊界條件的影響，取土體的分析區域長度為2 倍樁長（10m），寬度為1 倍樁長（約33 倍半徑，5m）。根據模型需要，邊界條件為左右兩邊水平位移U1=0，底邊水平和豎向U1=U2=0。模型的左邊邊界由接觸條件確定，無須設置邊界條件，地應力平衡采用*Geostatic 的方法。網格劃分采用ALE 網格法。模型劃分網格后如圖1,2 所示。

圖1 土體計算網格

表1 黃土力學參數

圖2 圓樁計算網格

3 位移及應力分析

3.1 擠土位移

施工結束后，繪出施工結束后的網格變形圖（如圖3 所示）。由圖3 可知，土體豎向向下和水平向右的擠壓較大，通過分析可以看出，豎向第一列單元寬度明顯擠壓變形，第三列單元寬度基本不變，表明徑向壓縮發生在1～2 倍的樁徑范圍內；樁端以下土體明顯被壓縮，樁端以上的土體壓縮不明顯。當然，這些擠土效應的特點，并不是不變的，它的規律取決于計算時，所選著的分析工況以及所設定的模型參數相關聯的。

圖3 施工結束后的網格變形圖

由ABAQUS 提供的Path 工具，映射出擠土過程的路徑，分別提取樁入土時（U1=0）、樁入土深度為2.5m（U1=2.5m）、樁入土深度為5.0m（U1=5.0m）時的水平擠土位移，將不同時刻水平擠土位移沿深度的分布繪制如圖4 所示。由圖4 可見，當樁入土深度較淺，樁端附近的徑向位移較大。當樁的入土深度較大時，徑向位移和沉樁深度成弱相關關系，也就是說圓孔擴展理論可用于深度較大的沉樁，該理論只能得出擠土效應完成后的最終徑向擠土變形。

圖4 不同時刻水平擠土位移沿深度的分布

3.2 擠土應力

當沉樁擠密完成后，得出施工結束后徑向應力、豎向應力、圓周向應力、圖中的應力包括沉樁擠土應力和自重應力。然后再由ABAQUS 提供的Path工具，映射出擠土過程的路徑，分別提取樁入土（U1=0）、樁入土深度為2.5m（U1=2.5m）、樁入土深度為5.0m（U1=5.0m）時的徑向擠土應力，豎向擠土應力，圓周向應力，將不同時刻應力沿深度的分布曲線繪制如圖5-7 所示。

圖5 不同時刻徑向應力沿深度的分布

由圖5 可知，徑向應力隨打樁深度的增加而增加；由圖6 可知豎向應力隨打樁深度的增加而增加，但樁到達指定打入深度時，由于停止豎向貫入，樁端豎向應力在短時間內出現減小區域，在樁端以下，豎向應力基本保持不變；由圖7 可知，在樁的打入過程中，圓周向應力隨著樁的打入深度增加而增加，當樁打入指定深度，圓周向應力突然減小，這體現為樁周土被擠密，在樁端以下，存在圓周向應力減小的區域。

圖6 不同時刻豎向應力沿深度的分布

圖7 不同時刻圓周向應力沿深度的分布

4 結論

（1）深度特定的土體，在樁端到達對應深度前，豎向需持續加載，當樁端持續深入時，豎向荷載開始減少；

（2）圓孔擴展理論能夠獲得擠土后的最終徑向擠土變形，但該理論僅適用深度較大的沉樁情況；

（3）豎向應力、徑向應力、圓周應力均隨打樁深度的增加而增加，在樁端的最大深度處應力值最大。