海島地區管樁靜壓沉樁與固結數值模擬研究

蔡 軍，毛 力，馮浩清，馬昊天，王 哲，宋佳峰*，章 韜

(1. 華東工程咨詢有限公司，311122，杭州；2. 浙江工業大學土木工程學院，310023，杭州；3.金華市多湖中央商務區建設投資有限公司，321000，浙江，金華)

0 引言

對于一些深厚軟土地基，以預應力管樁等為代表的剛性樁復合地基得到廣泛的重視。但預應力管樁在貫入過程中會不可避免地要對樁周土體產生位移與孔隙水壓力。沉樁完成后隨著孔隙水壓力的緩慢消散土體會再固結，可能使樁體受到負摩阻力的影響[1]。因此，許多學者對沉樁擠土效應與固結問題，展開了許多研究并取得了一定成功。王海剛等通過數值模擬的方法研究了靜壓沉樁過程中樁身的應力與阻力分布規律[2]。桑松魁等利用Abaqus研究了沉樁過程中樁土接觸面的孔隙水壓力消散規律[3]。錢峰等通過模型試驗的方式研究沉樁過程中的孔隙水壓力變化規律[4]。雷華陽通過現場試驗與數值模擬研究了沉樁對樁周土體位移的影響[5]。

本文為研究沉樁引起的土體位移變化以及超靜孔隙水壓力消散規律，減少沉樁帶來的不利影響，指導現場的工程實踐，建立了符合實際工程的有限元模型，詳細地分析了沉樁擠土效應引起的位移場規律與影響范圍；超靜孔隙水壓力產生和消散過程，得到單樁沉樁引起的超靜孔隙水壓力的規律和影響范圍。

1 有限元模型

管樁靜壓數值模擬屬于巖土貫入問題，較為復雜。本文基于Abaqus并利用有限單元法進行管樁靜壓施工以及工后樁周土體固結模擬。有限單元法廣泛地用于樁基計算中，它是十分有力的計算工具。許多學者已將之引入樁體貫入過程分析中。

1.1 基本假設

1)采用二維軸對稱方式模擬單樁靜壓過程。

2)樁體采用離散剛體單元。

3)土體為均勻連續彈塑性介質，采用修正劍橋模型作為計算本構。

4)樁土接觸采用硬接觸，允許切向滑動。

5)通過添加位移邊界實現樁基靜壓沉樁。

6)土體為飽和土，地下水位位于地表，土體固結時，地表為排水邊界。

7)土體固結計算中控制方程采用Biot固結理論，不考慮孔隙比、滲透系數及土體模量沿地基深度的變化，也不考慮隨固結過程變化。

1.2 模型參數

樁基長度根據現在實際長度選擇8 m，直徑500 mm。網格劃分土體需選擇CAX4P(四節點二維軸對稱單元)，樁身采用離散剛體計算。計算模型如下圖1所示。

圖1 土體本構模型

土體本構模型采用修正劍橋模型(簡稱MCC)，Abaqus有限元計算中修正劍橋模型的建立需要配合多孔彈性模型。模型參數來源于工程地質勘察報告以及相關文獻借鑒[6]，具體各項參數如表1和表2所示。

表1 多孔介質彈性模型參數

表2 黏土塑性模型參數

其余重要步驟如下：1)通過預定義場的方式進行地應力平衡；2)孔隙水壓力添加；3)靜壓沉樁位移邊界。

2 模擬結果分析

2.1 位移場分析

2.1.1 施工過程中位移場分析 如圖2所示為徑向0.3 m的土體在靜壓貫入過程中的水平位移與豎向位移曲線圖。對于水平位移，數值模擬結果顯示：1)在施工初期，水平位移出現波動，先從地表處的68.3 mm減小至52 mm而后增大至84 mm；2)沉樁過程中，最大水平位移始終發生在樁端且基本在80～100 mm之間波動；3)樁端以下水平位移較小，在樁端下2 m即深度10 m時，水平位移為0 mm。

圖2 徑向0.3 m處土體靜壓過程中位移曲線圖

對于垂直位移，數值模擬結果顯示：1)在沉樁施工過程中，由于擠土作用，樁周表層土體發生隆起，該規律與徑向位移場規律一致；靜壓約1 m時隆起變形減小至0，繼續靜壓，土體發生向下壓縮變形。2)沉樁過程中，最大豎向位移始終發生在樁端，例如沉樁2 m時，最大豎向位移發生于深度2 m處，約為46 mm；隨著垂直距離的增大，受樁側摩阻力作用，豎向位移逐漸累計，并在樁端達到峰值，峰值約為114 mm；由于采用勻速靜壓，因此位移速率始終保持不變(表現為曲線重合)。3)樁端以下土體受沉樁影響擾動較小，位移迅速衰減。在樁端以下約1.5 m即深度為9.5 m左右時，無位移產生。

2.1.2 工后位移場分析 如圖3顯示為沉樁靜壓施工過程中，樁周徑向土體水平及豎直位移的變化情況。

圖3 工后樁周土體位移變化曲線圖

對于水平位移，如圖3～圖5所示：1)由于沉樁的擠土作用，對樁側土體產生擾動，導致產生較大徑向位移。例如，當徑向距離為0.3 m，地表水平位移為68.3 mm，而深度為0.6 m 時，水平位移急劇增大至84.8 mm。隨著深度的增加，水平位移波動增大，在7.1 m處達到峰值，為103.9 mm。就此可以得出，徑向距離越小擾動程度越大。2)如圖4與圖5所示，徑向水平位移在相同深度的情況下，隨著徑向距離的增大而迅速減小且符合對數關系，呈現對數衰減。在雙對數坐標軸下呈現明顯的線性關系。例如地表處徑向距離0.3 m的水平位移68.3 mm，而徑向距離1.5 m的地表處水平位移為8.7 mm，數值急劇衰減，二者相差7.85倍。徑向距離2 m處的地表水平位移5.27 mm，變形基本穩定。進一步的，利用該線性關系，進行擬合分析計算，判斷地表水平位移在徑向的影響范圍約為4 m。3)而不同徑向距離在垂直方向上的水平位移變化規律近似相同，具體為在0～2 m范圍內略微減小而后逐漸增大。當深度達到10.5 m時，無位移產生。對比施工過程中水平位移的變化可知，在沉樁工后，位移場存在擴張。

圖4 地表水平位移徑向分布圖

圖5 地表水平位移雙對數坐標圖

對于垂直位移，結合圖3、圖6和圖7所示：1)由于沉樁的擠土作用，地表土體產生一定的隆起。如圖6與圖7所示，隆起值隨著徑向距離的增大而逐漸衰減，符合對數關系。地表位移的徑向影響范圍為4 m，即8倍樁徑。2)沉樁對樁周土體的影響隨著徑向距離的增大而減小。例如，徑向距離0.3 m處，地表隆起55.3 mm，隨著深度的不斷增大，并在7.5 m處(樁長8m)達到峰值約112 mm。該峰值分別約為徑向距離0.6 m峰值(48.5 mm)的2.3倍與0.9 m峰值(11.7)的9.6倍。3)深度方向上，徑向距離為1.5 m與2 m時，豎向位移曲線近似為一條直線，因此可以推測沉樁對豎向位移的影響范圍約為徑向的2 m，即至少為4倍樁徑。同時，在樁端以下6 m范圍內，土體均存在一定的豎向壓縮變形。

圖6 地表垂直位移徑向分布

圖7 地表垂直位移雙對數坐標圖

2.2 孔隙水壓力消散規律分析

圖8～圖13所示即為ABAQUS模擬時靜壓沉樁工后超靜孔隙水壓力消散過程。圖8所示為沉樁過程，土體受到擠壓與剪切作用即開始產生超孔隙水壓力，并向四周呈球形擴張。繼續增加并在短時內達到峰值，最大豎向影響范圍約在樁端下2 m位置。如圖9～圖12所示為沉樁完成后，超孔隙水壓力開始消散過程，由于淤泥質黏土滲透系數較小，因此消散速率較為緩慢。隨著時間的增加，孔隙水從地表排出，超孔壓慢慢地消散，該過程持續約兩周時，超孔壓已消散約70%。如圖13所示，即工后約50 d時大部分孔隙水壓力完全消散。該過程同現場測試數據所示的規律較為相似。

圖8 0 h

圖9 1 h

圖10 1 d

圖11 2 d

圖12 15 d

圖13 50 d

如圖14、圖15所示。為不同深度(3 m、6 m)下，不同徑向距離(0.5 m、1 m、2 m、5 m)處土體的孔隙水壓力隨時間消散的曲線圖。通過對這8個位置的曲線圖分析確定沉樁對周圍土體擾動區域范圍以及超孔壓消散規律。

圖14 深度3 m處超孔壓消散曲線

圖15 深度6 m處超孔壓消散曲線

由圖14、圖15可知，沉樁深度6 m與3 m進行對比可以看到，孔壓的峰值明顯增大，所以超孔壓的峰值隨著沉樁深度的增加而增加。當沉樁施工完成后，負孔隙水壓力迅速消失并在短時間內達到峰值，在工后緩慢消散，歷時約50 d后趨于穩定。進一步地，超孔壓的峰值隨著徑向距離的增大而減小。例如，徑向距離0.5 m時，深度3 m的峰值約為55.9 kPa，深度6 m的峰值86.8 kPa，遠大于同一深度下徑向距離為5 m的峰值。因此可以判斷，超靜孔壓在徑向的影響范圍約為5 m，即約為10倍樁徑。當歷時約55 d時，孔隙水壓力基本穩定，不再變化。

3 結論

本文利用ABAQUS軟件，用軸對稱模型，實現模擬樁貫入以及樁周土體固結的過程。得到以下幾點結論。

1)位移場分析。闡述了靜壓施工過程即工后樁周土體位移場的一般規律，給出了位移場徑向以及豎向的影響范圍。

2)超孔隙水壓力分布分析。闡述了超孔隙水壓力的產生與消散規律，給出了超孔隙水壓徑向影響范圍，為5 m。由于淤泥土的滲透性較差，因此消散時間較為漫長，約為55 d，該規律與現場實驗所得規律相符。

3)施工建議措施。①增加排水通道，加速由靜壓沉樁產生的超孔隙水壓力的消散，使承載力短期內提升；②質量控制措施：改變壓樁順序使其更合理，可采取間隔跳打方法；控制壓樁速度，避免沉樁速度過大；設置應力釋放孔和挖防擠溝；③合理布置樁間距，減少擠土位移場對臨近樁基穩定性的影響。