徐美娟， 郭玉君， 黄广龙

(1.南京交通职业技术学院, 江苏 南京 211188) (2.江苏南京地质工程勘察院, 江苏 南京 210041) (3.南京工业大学 交通学院, 江苏 南京 210009)

近年来,预制桩以其质量可靠、价格低、施工工效高以及无泥浆、无噪音污染等优点,在基坑支护工程中得到广泛应用．但预制桩沉桩的挤土效应对周边环境的影响不容忽视[1],尤其是在基坑支护中采用线形密排沉桩的情况下,挤土效应不同于常规工程桩沉桩．在目前对建筑工程环境要求日益提高的形势下,开展预制支护桩施工挤土效应问题研究具有现实意义．目前预制桩的挤土效应研究多局限于单桩,工程界与学术界对沉桩挤土的危害非常关注,常用的理论研究方法有圆孔扩张法[2]、应变路径法[3]和数值模拟法[4-5]．经典圆孔扩张法与应变路径法是假设在一定的条件下,给出单桩挤土效应的解析解,但土体的大变形、桩土界面摩擦接触问题难以模拟,因此所得结果和实际有较大的差异．有限单元法能够考虑到土体的本构关系、大变形等因素的影响,能够模拟动态压桩过程．对群桩挤土效应的研究成果主要集中在工程桩施工方面,对于基坑工程中密排支护群桩施工挤土效应的研究却为空白.文中采用ABAQUS三维模拟密排支护桩的挤土效应,分析桩周土体挤土应力与应变、水平位移与竖直位移的变化规律,以科学预测支护群桩挤土效应对周边环境的影响．

1 有限元计算模型

1.1 基本假定

采用总应力法分析计算;不考虑土为排水,采用勘察报告中土体固结快剪参数;本构模型采用线性Drucker-Prager模型,土体屈服面采用米赛斯模型;流动法则采用相关联的法则．

1.2 桩土参数

密排桩施工压桩过程十分复杂,施工顺序、压桩间隔、桩间距、已入桩的遮帘效应[6]等因素均对挤土位移都有一定的影响．考虑土体弹塑性本构模型、非线性大变形问题及桩土界面的相互作用,建

立切合工程实际情况的有限元计算模型,将密排桩用等刚度(刚度=弹性模量×惯性矩)代换成一定厚度的地下连续墙来模拟,具体代换如图1.

图1 密排桩等效矩形桩墙示意图(单位：mm)

土体计算参数见表1.

表1 土层参数取值

考虑几何非线性和材料非线性,采用四结点双线性平面应变四边形单元,非协调模式[7],取较大的土体范围来模拟半空间无限土体．在密排桩实际施工中,主要关注施工后对桩左右两侧一定距离处产生的土体水平和竖向位移;由于用于支护的预制桩间距很小,故忽略密排桩轴线上的桩间土对排桩轴线外侧土体位移作用,桩的贯入仍采用位移贯入法,通过在桩顶施加位移来实现压桩,按照一定速率来控制压桩情况,与实际压桩过程较为符合,计算时间短,能满足实际工程的需要．

采用ABAQUS/Explicit中ALE自适应拉格朗日-欧拉法技术网格划分法,可以用来处理网格高度扭曲的问题．土体单元网格划分如图2,采用Analytical Rigid材料模拟桩体单元,桩径为0.5 m,桩长为15 m,为易于观察桩土位置,选取模拟桩墙压入12 m时的挤土情况．为减小三维模拟的计算时间,采用轴对称分析,墙体厚度为等效矩形厚度的一半即h/2=0.187 m,墙体长10 m,相当于15根Φ500@700的预制桩,土体单元尺寸为25 m×10 m×25 m．

桩体—土界面采用面—面摩擦接触单元,接触面的摩擦类型为Tangent正切摩擦接触和Normal Behaviour接触面法向特征,如图3．

图2 土体三维有限元网格划分

图3 密排桩和土体接触面约束

2 密排桩挤土效应分析

2.1 桩周土体挤土应力、应变分析

图4分别给出了桩墙贯入12.0 m之后的应力等值线云图．由图可见:由于桩墙的贯入,土体的水平应力和竖向应力都有所增加,S11最大值约为42 kPa左右;而竖向应力S22约为50 kPa,其增加幅度大于水平应力．竖向应力S22与径向应力S11的分布图相比,S22在水平方向要小一些,但在竖向要大些．剪应力出现明显的X形状,和其他研究者所得结果相符,所有的应力最大值出现在桩尖肩部而不是桩尖处,这是由于桩尖肩部明显的弯折,在此处出现应力集中现象．

图5,6反映了桩墙贯入12.0 m时桩周土体发生塑性应变的范围和大小,从图中可以看出,桩墙贯入过程中,土体受到了极大程度挤压,产生的塑性应变高达百分之几到百分之几十,大小随着与桩的距离增大而减小,影响范围在3～4倍桩径．

a) 土体Mises等值线云图

b) 土体S11等值线云图

c) 土体S22等值线云图

d) 土体S12等值线云图

图5 土体等效塑性应变等值线云图

图6 土体PEEQ随距离和时间变化

2.2 桩周土体挤土位移分析

2.2.1 水平位移分析

图7给出了10 m长一段的桩墙分别压入1，6，12 m时土体水平位移u1变化的三维图等值线云图．由图中土体水平位移等值线云图可以得出:桩墙一压入,土体在桩长范围内就开始有挤土的水平位移值产生,随着桩墙贯入深度加大,由其引起的土体水平位移范围和数值也随之增加;另外比较三图数值的大小可知水平位移的最大值不是出现桩全部压入后,而是出现在贯入一半桩长时,位置位于桩体中部偏上部,而不是出现在桩端处;当桩墙下沉到一定深度,随着上覆土体厚度的增加,桩端挤土水平位移减小,桩端偏上一定范围内土体受到扰动,有拖曳现象,产生土体水平负位移．

a) 桩贯入1.0 m b) 桩贯入6.0 m c) 桩贯入12.0 m

图8，9给出了12 m的桩墙全部压入后,土体在不同深度的水平位移,由图中数值变化可知:桩刚开始压入土体时造成土体剧烈扰动且挤土位移较为严重,随着桩稳定贯入深度的加深,地表土体水平位移逐渐减少,最后滞留在100 mm之内．

图8 沉桩后不同深度处水平挤土位移

图9 桩压入不同深度时地表水平挤土位移

2.2.2 竖直位移分析

由图10中土体竖向位移等值线云图知:桩贯入深度较小时,增加桩贯入深度对垂直隆起大小与范围有较大影响,但当桩长增大到一定长度后却影响甚微，比较10b),10c)可知,且这个桩长的临界长度是随土体性质不同而变化．

a) 桩贯入1.0 m

b) 桩贯入6.0 m

c) 桩贯入12.0 m

图10桩压入1.0,6.0,12.0m时土体u2等值线云图

Fig.10Contourlinesofu2afterpiling1.0,6.0and12m

图11反应了12 m的桩墙全部压入后,土体在深度1,6,12 m的竖向位移,从图中数值大小和变化趋势可知:桩刚开始压入土体突然受扰动土体颗粒位置变化,挤土位移较大,随着桩贯入深度的加大,桩周约5～8倍桩径范围内的土体受扰动剧烈,严重受挤压向外上部排挤,竖向位移一直保持较高数值,但随着径向距桩距离的加大,内部土体的竖向位移急剧减小,到1.5～2倍桩长范围外时,位移趋近为零．

图11 桩完全压入后土体不同深度竖向位移

由图12桩贯入不同深度时地表土体竖向位移知:在桩压入不同深度时,地表土体的竖向位移变化趋势几乎相同,只是数值不同．桩完全压入后,此时地表土体位移(约为0～20 mm,紧邻桩身的土体除外)小于桩贯入过程中地表隆起量(约为20～40 mm),这是由于随桩贯入深度的加大,桩尖处土体动态扰动区离地面距离加大,另外地表扰动土体也在一定时间内进行了重塑,等桩全部贯入后其数值滞留在10 mm之内．

图12 桩压入不同深度时地表竖向挤土位移

3 结论

通过对多层土体中密排支护桩沉桩产生的挤土应力和位移的三维数值模拟,得出:

1) 水平位移随距桩心的距离加大而急剧衰减,在距排桩轴心两侧5～8倍桩径范围内,土体水平位移衰减较快．在2倍桩长范围内除了地表处,水平位移随深度的增加而近似成线性增加.

2) 在沉桩过程中,地表土体的隆起量受桩入土深度的影响量小于桩尖和桩中部土体隆起量变化．径向应力、竖向应力在深度方向上,均随深度的增大而减小,且在桩尖附近急剧下降．沉桩后桩周土约4倍桩径范围发生塑性应变,其值高达百分之几到百分之几十.

3) 密排支护桩压桩时对群桩轴线外2倍桩长范围内的土体产生了很大的影响,桩周附近地表水平挤土位移最大值约0.8 m左右,地表竖向挤土位移均值也在0.5 m左右,在施工前做好减少挤土效应的措施,如设置竖向排水通道(塑料排水板、袋装砂井),使孔隙水压力得以迅速消散,或在桩位或沉桩区外钻取土,在桩位取土是预钻措施,以减少挤土量,减少挤土效应,减少对周边环境的影响;另外施工前还要安排好压桩顺序,压桩过程中要控制压桩进度等．

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