下卧碎石层软土地基静压管桩挤土效应的数值模拟.docx

下卧碎石层软土地基静压管桩挤土效应的数值模拟.docx

《下卧碎石层软土地基静压管桩挤土效应的数值模拟.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《下卧碎石层软土地基静压管桩挤土效应的数值模拟.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

下卧碎石层软土地基静压管桩挤土效应的数值模拟

下卧碎石层软土地基静压管桩挤土效应的

数值模拟

邵艳,王仕传,管艺

（安徽建筑大学岩土工程系合肥230022）

摘要：

以PHC管桩加固安徽合肥某工程安置房项目为依托，利用ABAQUS软件平台进行了三维有限元数值模拟，对管桩不同入土深度地表的竖向隆起、地基土体的水平位移和挤土产生的应力等挤土效应的变化规律进行了研究。

得到了在软土地基和软土下卧碎石层中沉桩引起的桩周土体位移随深度和距离桩轴的变化规律；管桩入土深度不同，竖向隆起位移差别不大，主要发生在距桩边0.8m范围内；侧向位移随着离开桩轴线距离的增大影响明显下降，水平方向影响范围在1m内最显著，4m外影响较小；碎石区域沉桩产生的挤土影响范围要明显小于软土层，碎石层抑制挤土效应的能力表现地更明显。

关键词：

PHC管桩；挤土效应；ABAQUS；数值模拟

NumericalSimulationofSoilSqueezingEffectofJackedPipePileinSoftFoundationandSoftClayOverlyingaGravelLayer

SHAOYan1WANGShichuan2，

（`,2DepartmentofCivilEngineering,AnhuiInstituteofArchitectureIndustry,Hefei,230022,china）

Abstract:

Athree-dimensionalfinite-elementanalysiswascarriedoutusingABAQUSandsqueezingeffectsofPHC（PrestressedHigh-strengthConcrete）pipepile,includinglandupheaval,lateralsoildisplacement,andsoilstressfieldwithdepth-varyingduringpile-sinking,wereevaluated.FielddatausedintheanalysiswereobtainedfromasettlementbuildingprojectinHefeiCity,AnhuiProvince,China.IncoastalareasofChina,PHCpipepilesarenormallyusedforreinforcementofsoftfoundation.Thechangesindisplacementwithsoildepthandradialdistanceduringpile-sinkingweresimulatedforbothsoftfoundationandsoftclayunderlyingagravellayer.Thenumericalsimulationresultsshowthatthereislittledifferenceinlandupheavalwithsoildepthduringpile-sinking,andtherangeoflandupheavaliswithin0.8mfromthecenterofthepile.Thelateralsoildisplacementdecreaseswiththeradialdistanceduringpile-sinking,withtheareaoflateralimpactbeingabout1.0m,andinsignificanteffectbeyond4.0m.Thepresenceofthegravellayerhelpstoreducesoilsqueezingsubstantially,andthesoilsqueezingeffectsduringpile-sinkinghaslessinfluenceonthesurroundingareaoffoundationwithagravellayerthanthatinasoftfoundationwithnogravellayer.

Keywords:

PHCpipepile;squeezingeffect;ABAQUS;numericalsimulation

1引言

静压管桩作为一种快速兴起的一种基桩形式，适用于各类建筑物的低承台桩基础。

软土地基中静压桩挤土效应是岩土工程届长期关注的一个课题[1-4]。

管桩施工会产生明显的挤土效应，一方面由于桩周土体被压密和挤开，产生垂直隆起和水平移动，可能使邻近桩体上浮、桩位偏移甚至导致桩体断裂，同时沉桩过程改变了桩周土体应力状态[5-9]。

但是，由于静力压桩具有噪音小、无泥浆污染等优点，在软土地基城市建设中日益广泛。

为避免压桩造成工程事故，进一步开展对这一问题的研究，弄清楚静力压桩的挤土效应及其对周围环境的影响规律在软土地基工程建设中有重大的现实意义。

随着工程实践的不断发展，学者们对静力挤土桩在压入饱和软粘土地基中所产生的挤土效应研究取得了很多有价值的研究成果：

雷华阳等[10]在吹填土软弱地区进行了PHC管桩的挤土效应现场试验和数值模拟研究，得到了在沉桩过程中桩周孔压变化和土体位移分布特征。

周火垚[11]等在饱和软黏土地基中进行了足尺静压桩压入试验，测试结果表明，土体最大侧向位移发生在距地表0.75倍桩长附近，地面隆起从桩贯入开始就迅速发展，并在桩压入到6m左右时达到最大。

而徐建平等[12]是通过软黏土中进行静力压入单桩模型试验，测得了土体变形的分布规律。

而鹿群等[13]基于ANSYS对静压桩的连续贯入过程进行有限分析，给出了桩土模量比、桩土间摩擦系数、土体泊松比对挤土位移场的影响规律。

本文利用ABAQUS软件对静压管桩施工所产生的挤土效应进行了有效模拟，得到了在软土地基和软土下卧碎石层中沉桩引起的桩周土体位移随深度和距离桩轴的变化规律。

2数值模拟的简化

2.1工程概况

安徽合肥巢湖滨湖景城东区软土地基场地拟建安置房，场区为软弱地基。

本工程基础采用高强度预应力混凝土管桩（PHC桩），管桩采用静压法沉桩，桩径d=400mm，壁厚为100mm，桩长L=10m，具体桩型为PHCAB40010010。

单桩承载力特征值1100kN。

（图1为土层分布示意图，第一层为软土，厚5m，第二层为碎石层,厚18-23m。

）

2.2有限元模型

本文主要针对单桩的挤土效应问题，荷载和变形均成空间轴对称。

图1为划分单元后的有限元模型。

水平方向取15m，竖直方向取20m，桩长10m，桩径0.4m；土体水平表面。

管桩施工数值模拟加载采用位移贯入法[14-15]。

通过在桩顶施加10m的竖向位移来模拟桩从地表到设计深度的整个压桩过程。

（a）土层分布示意图（b）有限元模型

图1计算简图

2.3材料模型

本项目有限元计算中，管桩采用线弹性材料模型。

软土地基采用弹塑性模型。

随着管桩沉桩进行，管桩周围地基会产生显著的挤压变形。

进而发生挤土效应。

根据位移云图和应力云图可以评价管桩沉桩施工过程中挤土效应的影响范围。

桩周土体采用Mohr-Coulomb模型[16]，分层建模，土体参数选取依据该场地的勘查报告土体物理力学参数指标换算取得。

其中软土的弹性模量E=12MPa，内聚力c=10kPa，内摩擦角

=12°；碎石层的弹性模量E=80MPa，c=120kPa，

=22°；桩体选用C60的混凝土，弹性模量为36GPa，泊松比

。

桩-土界面采用库仑摩擦类型，摩擦系数f根据经验取0.1。

2.4施工过程的数值模拟

可按下列步骤模拟施工过程：

①施加自重应力，计算初始应力场；②工况一为软土地基管桩施工过程的数值模拟；③另一为软土地基下卧碎石层状况下管桩施工过程数值模拟，其中碎石层位于地面下5m。

3沉桩挤土效应的数值模拟

沉桩产生的挤土效应主要为：

①地表的竖向隆起；②地基土体的水平位移；③挤土应力。

地表隆起和土体的侧向位移对周围建筑物和地下管线产生不良影响，而挤土产生的应力会使已施工桩产生折断或上拔，故也应受到重视。

3.1软土地基挤土效应分析

图2给出了管桩不同入土深度地表隆起位移曲线。

由地表竖向位移曲线可以看出，管桩入土深度3m、6m、10m竖向隆起位移差别不大，主要发生在距桩中心距0.8m范围内。

图3~图6为管桩不同入土深度地基水平方向位移云图，云图截取范围为：

水平方向7.5m，竖直方向11m。

随着入土深度的增加，由于上覆压力的增加，向上隆起效应慢慢减弱，向两侧挤土效应逐步显现。

可以看出，软土地基管桩沉桩挤土效应非常明显，影响最大范围为地面下5m深以下部分。

图2土体竖向位移沿深度分布

图3入土深度3m地基水平方向位移云图

图4入土深度6m地基水平方向位移云图

图5入土深度10m地基水平方向位移云图

图6为地表下4m、8m深处水平位移曲线。

从管桩沉桩施工不同入土深度时，地基侧向位移曲线，可以看出水平方向影响范围在1m内最显著，随着离开桩轴距离的增大，侧向位移影响明显下降，4m外影响较小。

管桩沉桩施工过程中，管桩不同入土深度时，地面下桩长深度范围内不同深度处地基侧向位移曲线基本一致。

图6管桩不同入土深度地表下（4m和8m深）地基水平位移曲线

图7为管桩压桩施工至不同入土深度时，地表下（4m和8m深）地基水平向侧压力曲线。

桩侧附近挤压位移最大，相应的挤压应力也最大；随着离开管桩距离的增大，挤压应力迅速衰减，说明挤土效应也在迅速减弱。

地面下4m深度处最大挤压应力和自重应力的比，和地面下8m深度处最大挤压应力和自重应力的比比较接近，这也进一步说明地面下桩长深度范围内不同深度处挤土影响基本一致，和图6管桩不同入土深度地表下（4m和8m深）地基水平位移曲线反映的规律是一致的。

图7管桩不同入土深度地表下（4m和8m深）地基水平向侧压力曲线

3.2软土地基下卧碎石夹层的挤土效应分析

碎石层位于地表5m以下。

通过数值模拟分析软土地基下卧碎石夹层时挤土效应的变化规律。

图8为有碎石下卧层时，管桩不同入土深度时地表隆起位移曲线。

和图2对比可以看出，软土地基下卧碎石层对沉桩施工引起的地表隆起效应没有影响。

两图均表明，仅在桩刚入土的初期，会导致地表隆起，随着沉桩至一定深度后，不会导致地表隆起。

图8管桩不同入土深度地表隆起位移曲线（下卧碎石层）

图9~图11为有下卧碎石夹层时管桩不同入土深度地基水平方向位移云图。

入土深度3m时，挤土引起的地基侧向挤压位移云图和无碎石层时基本一致；当入土深度至6m时，由于地表下5m处下卧碎石层，阻碍应力波向下部传播，紧邻碎石层部分的软土地基侧向挤压效应有加剧倾向。

碎石层以下部分，由于碎石层刚度远大于软土层，挤土的影响范围要明显小于为软土时的挤土状况。

入土深度至10m时，和图5比较，碎石层抑制挤土效应的能力表现的更明显。

图9入土深度3m地基水平方向位移云图（下卧碎石层）

图10入土深度6m地基水平方向位移云图（下卧碎石层）

图11入土深度10m地基水平方向位移云图（下卧碎石层）

图12为有下卧层时管桩不同入土深度地基水平位移曲线。

可以看出，由于碎石层刚度较大，产生挤土区域的范围要小于上覆软土层，即碎石区域沉桩挤土效应的影响范围小于软土区域。

相应的，碎石层区域，管桩沉桩施工产生的挤压应力要明显大于软土层，如图13所示。

比较图7与图13可以看出，碎石层挤压应力远大于软土层的挤压应力。

文[17]采用室内模型试验研究了成层地基中静压桩沉桩过程，对模型桩整个沉桩过程中的挤土效应进行了分析研究。

研究表明对于浅层土体隆起，隆起量峰值出现在距桩轴心2D处，之后沿径向逐渐衰减。

对于上软下硬的成层地基，径向位移在软硬土层交界面附近发生突变。

由于软硬土层力学性质的差异，土体位移主要表现为，软层处位移变大，硬层处位移变小。

这和本文的结论是一致的。

图12管桩不同入土深度地表下（4m和8m深）地基水平位移曲线（下卧碎石层）

图13管桩不同入土深度地表下（4m和8m深）地基水平向侧压力曲线（下卧碎石层）

4．结论

1、当地基为均质的软土地基，数值计算表明，管桩入土深度不同，地表竖向隆起位移差别不大，主要发生在距桩中心0.8m范围内。

当有碎石下卧层时，和均质的软土地基相比，软土地基下卧碎石层对沉桩施工引起的地表隆起效应没有影响。

2、数值模拟结果表明：

管桩沉桩施工过程中，管桩不同入土深度时，地面下桩长深度范围内不同深度处地基侧向位移曲线基本一致。

侧向位移影响范围在1m内最显著，随着离开桩轴距离的增大，侧向位移影响明显下降，4m外影响较小。

静压管桩施工至下卧碎石层时，由于碎石层刚度大于软土层，碎石区域中静压管桩施工引起的挤土效应中的位移效应，要明显小于桩周土体为均质软土时的位移效应，即碎石层抑制静压管桩施工引起的位移场向外扩展。

3、由地基水平向侧压力曲线可以看出。

桩侧附近的挤压应力最大；随着离开管桩距离的增大，挤压应力迅速衰减，说明挤土效应也在迅速减弱。

和地基水平位移曲线反映的规律是一致的。

当下卧碎石夹层时，碎石层挤压应力远大于软土层的挤压应力，挤土的影响范围要明显小于软土区域，碎石层抑制挤土效应的能力表现地更明显。

相应的，桩侧阻力和桩端阻力大大提高，管桩的承载力也显著提高。

参考文献

[1]CHOPRAMB,DARGUSHGF.Finite-elementanalysisoftime-dependentlarge-deformationproblems[J].InternationalJournalforNumericalandAnalyticalMethodsinGeomechanics,1992,16:

101－130.

[2]ROYM,BLANCHETR,TAVENASF.Behaviourofasensitiveclayduringpiledriving[J].CanadianGeotechnicalJournal,1981,18

（2）:

67－85.

[3]MABSOUTME,TASSOULASJL.Afiniteelementmodelforthesimulationofpiledriving[J].InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering,1994,37:

257－278.

[4]YANGJ,THAMLG,LEEPKK.ObservedperformanceoflongsteelH-pilesjackedintosandysoils[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2006,132

（1）:

24－35.

[5]SAGASETAC，WHITTLEAJ.Predictionofgroundmovementsduetopiledrivinginclay[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering，2001，127

（1）：

55–65.

[6]龚晓南,李向红.静力压桩挤土效应中的若干力学问题[J],工程力学,2001,17（4）:

7－12.

GONGXiao-nan,LIXiang-hong.Severalmechanicalproblemsincompactingeffectsofstaticpilinginsoftclayground[J].EngineeringMechanics,2001,17（4）:

7－12.

[7]张明义.静力压入桩的研究与应用[M].北京:

中国建材工业出版,2004.

ZHANGMingyi.Researchandapplicationofjackedpile[M].Beijing:

ChinaConstructionMaterialIndustryPress,2004.

[8]DaehyeonKim,AdrianoVirgilioDamianiBica,RodrigoSalgado,MonicaPrezzi,andWonjeLee.LoadTestingofaClosed-EndedPipePileDriveninMultilayeredSoil[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2009,135（4）:

463-473.

[9]LelandM.KraftJr.PERFORMANCEOFAXIALLYLOADEDPIPEPILESINSAND[J].JournalofGeotechnicalEngineering,1991,117

（2）:

272-296

[10]雷华阳,李肖,陆培毅,霍海峰.管桩挤土效应的现场试验和数值模拟[J],岩土力学,2012,33（4）：

1006-1012.

LEIHua-yang.LIXiao.LUPei-yi.HUOHai-feng.Fieldtestandnumericalsimulationofsqueezingeffectofpipepile[J].RockandSoilMechanics.2012,33（4）：

1006-1012.

[11]周火垚,施建勇.饱和软黏土中足尺静压桩挤土效应试验研究[J].岩土力学,2009,30（11）:

3291－3296.

ZHOUHuo-yao,SHIJian-yong.Testresearchonsoilcompactingeffectoffullscalejacked-inpileinsaturatedsoftclay[J].RockandSoilMechanics,2009,30（11）:

3291－3296.

[12]徐建平,周健,许朝阳,张春雨.沉桩挤土效应的模型试验研究[J].岩土力学,2000,21（3）:

235－238.

XUJian-ping,ZHOUjian,XUZhao-yang,etal.Modeltestresearchonpiledrivingeffectofsqueezingagainstsoil[J].RockandSoilMechanics,2000,21（3）:

235－238.

[13]鹿群,龚晓南,崔武文,张克平，许明辉.静压单桩挤土位移的有限元分析[J].岩土力学,2007,28（11）:

2426－2430.

LUQun,GONGXiao-nan,CUIWu-wen,etal.Finiteelementanalysisofcompactingdisplacementsofsinglejackedpile[J].RockandSoilMechanics,2007,28（11）:

2426－2430.

[14]张明义，邓安福，干腾君.静力压桩数值模拟的位移贯入法[J].岩土力学,2003,24

（1）:

113.

ZHANGMing-yi,DENGAn-fu,GANTeng-jun.Displacementpenetrationmethodusedfornumericalsimulationtojackedpile[J].RockandSoilMechanics,2003,24

（1）:

113-117.

[15]罗战友，夏建中，龚晓南，朱向荣.压桩过程中静压桩挤土位移的动态模拟和实测对比研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27（8）:

1709.

LUOZhanyou,XIAJianzhong,GONGXiaonan,ZHUXiangrong.Comparativestudyofdynamicsimulationforcompactingdisplacementofjackedpileandin-situtest[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2008,27（8）:

1709-1714.

[16]ZHUXiangrong,WANGJinchang.IntroductiontopartlysoilmodelsinABAQUSSoftwareandtheirapplicationtothegeotechnicalengineering[J].RockandSoilMechanics,2004,25（S2）:

144-148.

[17]李镜培，李雨浓，张述涛．成层地基中静压单桩挤土效应试验［Ｊ］．同济大学学报：

自然科学版，２０１１，３９（６）：

８２４．

ＬＩ　Ｊｉｎｇｐｅｉ，ＬＩ　Ｙｕｎｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕｔａｏ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｉｌｅ　ｊａｃｋｅｄ　ｉｎ　ｌａｙｅｒｅｄ　ｇｒｏｕｎｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：

Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１１，３９（６）：

８２４．