层状地基静压PHC管桩连续贯入有限元模拟.pdf

第2 3卷 第1 8期2 0 2 3年 9月 科 技 和 产 业S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dI n d u s t r y V o l.2 3,N o.1 8S e p.,2 0 2 3层状地基静压P H C管桩连续贯入有限元模拟许永亮1,吴泽坤2(1.中铁建设集团有限公司,北京1 0 0 0 4 3;2.青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛2 6 6 5 2 0)摘要:借助A B AQU S有限元软件,考虑土体的弹塑性本构关系以及初始应力场影响,采用M o h r-C o u l o m b屈服准则,模拟静压桩在连续贯入层状地基中的受力性能,揭示静压P HC桩在沉桩过程中桩周土体径向应力、竖向应力及径向、竖向位移的演化规律,明确沉桩过程中的挤土效应和侧阻退化效应。结果表明,P HC管桩在连续贯入过程中,贯入阻力随贯入深度的模拟值与实测值基本吻合,验证模型的有效性。桩周土中的径向应力、竖向应力与土层性质密切相关,当桩端由黏性土层贯入砂层时,径向应力和竖向应力均出现退化现象,静压桩贯入过程对于桩周土径向位移影响要高于竖向位移,研究成果可为静压桩的理论研究与工程实践提供借鉴与参考。关键词:静压桩;径向应力;竖向应力;桩周土体位移;数值模拟中图分类号:TU 4 7 3.1 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 1-1 8 0 7(2 0 2 3)1 8-0 2 2 6-0 6收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 5基金项目:国家自然科学基金(5 1 7 7 8 3 1 2);中铁建设集团有限公司科研课题(B 2-2 0 2 2-0 0 2 3)。作者简介:许永亮(1 9 8 1),男,安徽巢湖人,中铁建设集团有限公司,高级工程师,研究方向为地基基础工程与土木工程管理;通信作者吴泽坤(1 9 9 8),男,山东莱西人,青岛理工大学土木工程学院,硕士研究生,研究方向为岩土与基础工程。近年来,我国基础建设领域快速发展,相关技术措施迅速发展,如大直径灌注桩、深基坑桩锚支护结构等1-2。静压桩凭借施工方便、噪声小、承载力高等优点在城市建设以及周围建(构)筑物对地基变形要求高的地区得到广泛应用3。目前对静压桩连续贯入过程的机理研究还不够成熟,有限元模拟软件可以弥补现场试验耗费时间长、试验环境不可控等缺点,能更全面地模拟桩在贯入过程中所产生的应力、位移等,逐渐被诸多学者应用到静压桩 承载性能的 研究中4-5。鹿 群等6运用AN S Y S软件模拟成层土中静压桩连续贯入全过程,得出在土层软硬交界处土体位移增大,土体应力发生巨变。王永洪等7运用P F C 2 D软件探讨层状黏性土中静压桩贯入机理,分析了静压桩贯入过程中桩受力特性随贯入深度的变化规律,明确了沉桩过程中土体的位移变化规律。马哲等8模拟了砂土地基中不同形式桩尖的静压桩在砂土中分级加载的沉桩过程,分析了桩端阻力、桩侧阻力的变化特性。周健等9-1 1采用颗粒流数值模拟研究了密实砂中静压桩沉桩过程,将土体细观变化与宏观力学响应相联系,揭示桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观机理。L i等1 2通过模拟开口管桩在砂土中沉桩效应,探讨了桩侧摩阻力和桩周土体位移场在沉桩过程中的变化规律。B a s u等1 3对饱和黏土中静压沉桩及桩周土再固结全过程进行了模拟,并根据模拟计算结果提出了静压桩短期承载力、长期承载力的拟合公式。综上所述,目前关于静压桩沉桩阻力的研究已经取得一些成果,但大多数研究主要是在均质砂土和饱和黏土中进行,这与实际工程中的层状土存在一定的差距。A B AQU S软件在岩土工程领域数值模拟中具有独特的优势与特点,如拥有诸多可模拟土体的本构模型、强大的桩土接触面模拟功能等,可以实现对静压桩连续贯入的全过程模拟。鉴于此,基于烟台市某静压桩工程,对静压桩连续贯入层状地基的过程进行数值模拟研究,明确压桩过程中其竖向应力、径向应力及径向位移的演化规律。1 有限元模型建立及模拟过程1.1 计算模型及参数本模拟依托烟台市某静力压桩工程,为使模拟更接近实际,将土体厚度及分层与施工现场一致,选用具有代表性的3层土体,土层厚度从上至下分别为2m、3m、5m,土层物理力学参数如表1所示,土层划分如图1所示。桩体直径为5 0 0mm的高强预应力混凝土(P HC)管桩,模型中将桩尖与土体在初始状态分离处理,在加载时再逐渐接触,这样可更好地模拟土体单元在接触时产生的变形,也实现了静压桩贯入的全过程模拟。622表1 主要模型参数的物理力学指标土层名称地基承载力特征值fa k/k P a压缩模量Es/MP a变形模量E0/MP a重度/(k Nm-3)内摩擦角/黏聚力c/k P a极限端阻力标准值qp/k P a极限摩阻力标准值qs i/k P a粉质黏土2 0 06/1 9.53 31 41 7 0 06 0粉质黏土1 8 05/1 9.53 01 31 6 0 05 5中粗砂2 6 0/2 52 0.03 402 4 0 06 0图1 土层划分1.2 模拟基本假定1)由于桩和桩周土层属于轴对称分布,所以建模时为减小计算量,采用二维轴对称模型。2)定义材料属性时,桩体赋值钢筋混凝土材料参数,变形为线弹性变形,使用非对称求解器求解。3)土体为均质线弹性体,采用M o h r-C o u l o m b屈服准则,预制桩与桩周土体的切向行为采用定义摩擦系数的罚接触。1.3 桩尖处理方法在进行桩尖处理时,假定为6 0 的圆锥形,修正后的 锥 形 桩 尖 符 合P HC管 桩 受 到 的 土 塞 效应,可确 保 实 现 桩 的 贯 入 过 程。但 桩 尖 与P HC管桩端头板 交界处会出 现尖 点,当P HC管 桩 贯入土体时,在 尖点处会出 现应力集中 现象,导致土体单元发生破坏,模拟结果不收敛。为解决这一问题,使模 拟更贴近实 际,将锥形 桩尖与土体连接处的尖点进行圆滑处理,如图2所示。通过圆滑处理的桩尖可缓解应力集中现象,使得尖点处的刺入效应降到最低,模拟结果更加符合实际压桩工况。1.4 网格划分预制桩在压入过程中桩体本身、土体以及桩土接触面的大变形容易导致计算结果不收敛,因此网格的划分是静压桩贯入过程收敛结果的关键图2 桩尖处理所在。单元形状为四边形,算法采用中性轴算法,通过反复计算得出土体单元的最佳尺寸约为桩单元尺寸的1/2,这样可以在保证计算结果收敛的前提下提高桩与土体应力解的精度,网格划分如图3所示。图3 网格划分1.5 初始地应力平衡由于土体本身存在自重应力,所以土体初始的静力平衡状态是岩土问题分析的第一步。本模拟进行地应力平衡的方法为:利用手动添加关键词的方法,在E d i tk e y w o r d s多次添加“*i n i t i a lc o n d i-t i o n s,t y p e=s t r e s s,g e o s t a t i c”命令,对各层土体进行初始地应力赋值。这样即可保持原有的地应力722 许永亮等:层状地基静压P HC管桩连续贯入有限元模拟 图4 地应力平衡前后的应力与位移云图状态,又达到控制初始位移的目的。由图4可知,地应力平衡前后应力云图无明显变化,但位移云图变化较大,平衡后控制在1 0-71 0-8的数量级范围,这样更加符合工程实际情况。2 模拟结果与实测结果对比通过数值模拟得到的静压桩贯入阻力随深度的变化曲线与实际工程中的实测曲线对比如图5所示。图5可知,模拟结果与实测结果整体变化趋势相同,表明本文建立的模型是可靠的。在桩体贯入初期,贯入阻力沿贯入深度的实测值略小于模拟值,随着贯入深度的增加,两条曲线相交,在贯入 深 度6 m前,实 测 值 与 模 拟 值 相 差 小 于2 0%;但随着贯入深度继续增加,实测值与模拟值相差逐渐增大,在贯入深度达到8m时,实测值与模拟值相差近5 0%。究其原因,一是现场试验中沉桩阻力是通过静力压桩机的油压表读数获取,在换算成贯入阻力时存在人工读数偏差;二是本模型选用的土体本构模型与实际场地中土层的弹塑性特点存在差异,后续的研究中可考虑选用贴合黏性土属性的剑桥(修正剑桥)模型或贴合砂土图5 贯入阻力随贯入深度的模拟值与实测值的对比属性的D r u c k e r-P r a g e r模型。3 模拟结果分析3.1 径向应力分析截取贯入深度h=1m、2m、5m及施工结束时的桩周土体径向应力云如图6所示。由图6可知,桩体在 贯 入1 m左 右 时,此 时 最 大 径 向 应 力 为10 3 1k P a,并且桩端出现应力集中现象,并以桩尖为中心产生应力泡,说明桩端贯入土体,土体被挤压并产生应力,符合 实际沉桩过 程 的 应 力 变 化 特 征。当桩端继续贯入到2m处时,最大径向应力增大至13 0 6k P a,桩端处径向应力的影响范围也进一步增大,但径向应力没有沿桩身方向传递,说明此时桩端处侧摩阻力发挥处于较高水平,主要因为桩端对土体的挤密效应使桩端附近的侧摩阻力增大。随着P HC管桩继续贯入至5m时,径向应力影响范围从桩端处逐渐向上延伸至桩入土处,但此时径向应力不增反降,最大径向应力为10 3 1k P a,这反映了桩的侧阻效应,即土层中某点的桩侧摩阻力并不是随桩贯入深度的增加而增加,反而呈减小的趋势,原因在于桩身与土体接触面间存在剪切带,使得挤土效应减弱,径向应力减小。当桩端贯入到8m时,应力泡的影响范围进一步增大,为1 01 2d(d为桩径),此时桩端处径向应力达到最大值,约为26 7 9k P a。由图6(d)可知,在粉质黏土层与中粗砂层交界处,径向应力有突变现象,此现象在王永洪等1 4、李雨浓和L e h a n e1 5研究结果中同样存在,即径向应力的变化特性与土层性质有关。822 科技和产业 第2 3卷 第1 8期 图6 不同贯入深度径向应力云3.2 竖向应力分析截取贯入深度h=1m、2m、5m及施工结束时的桩竖向应力如图7所示。在桩端贯入深度1m时,桩竖向应力较小,最大竖向应力为6 4 2k P a。当桩端贯入2m到粉质黏土层时,桩端以下竖向应力影响范围开始增大,最大竖向应力达到8 9 5k P a。桩体继续贯入,桩端贯入到5m时,最大竖向应力并没有随贯入深度的增加持续增大,与贯入2m时最大竖向应力相比反而有所减小,此时最大竖向应力为6 5 4k P a,说明桩端土层的软弱程度同样制约着P HC管竖向应力的变化。当桩端贯入到8m时,可以明显看出桩对土层应力产生较大范围的影响,最大竖向应力较贯入深度5m时明显增大,在桩 端 以 上1 m处 竖 向 应 力 达 到 峰 值,约 为25 8 0k P a,P HC管 桩 贯 入 结 束 时 剪 应 力 分 布 如图8所示。由图8可知,剪应力最大值为9 2 4k P a,出现在P HC管桩的锥角处。径向最大应力如图9所示,贯入结束时最大径向应力为10 5 7k P a,出现在桩尖处。图7 不同贯入深度竖向应力云3.3 位移分析贯入结束时P HC管桩的径向位移如图8所示,竖向位移如图9所示。由图8、图9不难看出,P HC管桩在径向对桩周土体位移的影响要远大于竖直方向,并且这种挤土效应会受到土层影响,在黏性土中的影响范围要大于砂土,且两土层交界处出现位移减小的现象,土体的最大径向位移发生在P HC管桩锥角处,约为1 4c m。4 结论贯入阻力随贯入深度的模拟值与实测值基本吻合,验证了本文建立模型的可靠性,为进一步研究静压桩连续贯入过程中受力性能与位移特征提供支撑。静压桩连续贯入过程中,对于特定深度的桩周土径向应力,初始阶段随桩体贯入深度增加而增大,达到一限值后,会出现侧阻退化现象。在贯入初期,桩的竖向应力随贯入深度的增加而增大,当桩端穿过上部较软土层贯入到较硬土层时,竖向应力随贯入深度的增加而减小,表明竖向922 许永亮等:层状地基静压P HC管桩连续贯入有限元模拟 应力受土层性质影响较大。水平方向挤土效应高于竖直方向,水平方向中h=8m图8 贯入8m(贯入结束)径向位移云h=8m图9 贯入8m(贯入结束)竖直位移云黏性土挤土效应高于砂性土,并且在土层交界处径向位移出现减小现象。参考文献1 屈家奎.砂质泥岩深基坑桩锚支护结构施工力学行为研究J.科技和产业,2 0 2 2,2 2(9):3 0 1-3 0 7.2 刘彪.大直径灌注桩硬岩旋挖导向分级扩孔施工技术J.科技和产业,2 0 2 2,2 2(8):3 3 6-3 4 3.3 T EHR AN IFS,HAN F,S A L GA D O R,e ta l.E f f e c to fs u r f a c er o u g h n e s so nt h es h a f t r e s i s t a n c eo fn o n-d i s p l a c e-m e n tp i l e se m b e d d e di ns a n dJ.G o t e c h n i q u e,2 0 1 6,6 6(5):3 8 6-4 0 0.4 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,2 0 0 3,2 4(1):1 1 3-1 1 7.5 罗战友,龚晓南,王建良,等.静压桩挤土效应数值模拟及影响因素分析J.浙江大学学报(工学版),2 0 0 5,3 9(7):9 9 2-9 9 6.6 鹿群,龚晓南,崔武文,等.饱和成层地基中静压单桩挤土效应 的 有 限 元 模 拟 J.岩 土 力 学,2 0 0 8,2 9(1 1):3 0 1 7-3 0 2 0.7 王永洪,桑松魁,刘雪颖,等.层状黏性土中静压桩贯入特性颗粒流的数值模拟J.西南交通大学学报,2 0 2 1,5 6(6):1 2 5 0-1 2 5 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t eE l e m e n t S i m u l a t i o no nC o n t i n u o u sP e n e t r a t i o no fS t a t i cP r e s s u r eP H CP i p eP i l e i nL a y e r e dF o u n d a t i o nXUY o n g l i a n g1,WUZ e k u n2(1.C h i n aR a i l w a yC o n s t r u c t i o nG r o u pC o.L t d.,B e i j i n g1 0 0 0 4 3,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Q i n g d a o2 6 6 5 2 0,S h a n d o n g,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h eh e l po fA B AQU S f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e,c o n s i d e r i n g t h ee l a s t o p l a s t i c c o n s t i t u t i v e r e l a t i o no f s o i l a n dt h e i n f l u e n c eo f i n i-t i a l s t r e s s f i e l d,t h eM o h r-C o u l o m by i e l dc r i t e r i o nw a su s e dt os i m u l a t et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f j a c k e dp i l ei nc o n t i n u o u sp e n e t r a t i o nl a y e r e df o u n d a t i o n.T h ee v o l u t i o n l a wo f r a d i a l s t r e s s,v e r t i c a l s t r e s s,r a d i a l a n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f s o i l a r o u n d j a c k e dP HCp i l e d u r i n gp i l es i n k i n gw a s r e v e a l e d,a n d t h es q u e e z i n ge f f e c t a n d l a t e r a l r e s i s t a n c ed e g r a d a t i o ne f f e c t d u r i n gp i l e s i n k i n gw e r e c l a r i f i e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a ti nt h ec o n t i n u o u sp e n e t r a t i o np r o c e s so fP HCp i p ep i l e,t h es i m u l a t e dv a l u eo fp e n e t r a t i o nr e s i s t a n c ew i t hp e n e t r a t i o nd e p t h i sb a s i c a l l yc o n s i s-t e n tw i t ht h em e a s u r e dv a l u e,w h i c hv e r i f i e s t h ev a l i d i t yo f t h em o d e l.T h e r a d i a l s t r e s s a n dv e r t i c a l s t r e s s i n t h e s o i l a r o u n d t h ep i l e a r e c l o s e l yr e l a t e dt ot h ep r o p e r t i e so f t h es o i l l a y e r.Wh e nt h ep i l ee n d i sp e n e t r a t e d f r o mt h e c o h e s i v e s o i l l a y e r i n t o t h es a n d l a y e r,t h e r a d i a l s t r e s s a n dv e r t i c a l s t r e s sa r ed e g r a d e d.T h e i n f l u e n c eo f t h ep e n e t r a t i o np r o c e s so f t h e s t a t i cp r e s s u r ep i l eo n t h e r a d i a l d i s p l a c e m e n t o f t h e s o i l a r o u n d t h ep i l e i sh i g h e r t h a nt h ev e r t i c a l d i s p l a c e m e n t.T h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c e f o r t h e t h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gp r a c t i c eo ft h es t a t i cp r e s s u r ep i l e.K e y w o r d s:j a c k e dp i l e;r a d i a l s t r e s s;v e r t i c a l s t r e s s;d i s p l a c e m e n ta r o u n dp i l e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n132 许永亮等:层状地基静压P HC管桩连续贯入有限元模拟