¹中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都

²中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉

Email: ^*changlei_zhang@qq.com

收稿日期：2020年10月6日；录用日期：2020年10月22日；发布日期：2020年10月29日

摘要

基于ABAQUS有限元软件实现了软硬交互层状土中静压桩的连续贯入，考虑了挤土所产生的位移场、应力场、超静孔隙水压力及消散等问题。结果表明：不同土层静压桩挤土效应表现差异较大。在填土层，距桩2 d处，土体水平位移约为桩半径的5%，距桩5.5 d处，该比值约为1%；在淤泥质土层，距桩6.2 d处，土体水平位移约为桩半径的5%，距桩20 d处，该比值约为1%。软土层土体径向位移大于硬土层，径向应力小于硬土层。位移场、应力场均在土层交界面处出现突变。静压桩沉桩过程中由于挤土作用在低渗透性的饱和土中会产生较高的超静孔隙水压力，由于土层性质的差异，全风化花岗岩层压桩结束15天后消散达99.5%，淤泥质土层消散65.2%。

关键词

软硬交互土，静压桩，挤土效应，超静孔隙水压力

Research on Compaction Effect of Jacked Pile in Soft Hard Layered Soil

Huijiang Xue¹, Xiancan Wu¹, Lei Zhang^2*, Baoguo Chen²

¹Sinohydro Bureau 7 Co., Ltd., Chengdu Sichuan

²Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan Hubei

Email: ^*changlei_zhang@qq.com

Received: Oct. 6^th, 2020; accepted: Oct. 22^nd, 2020; published: Oct. 29^th, 2020

ABSTRACT

Based on ABAQUS finite element software, the continuous penetration of jacked pile in soft hard interaction layered soil is realized. The displacement field, stress field, excess pore water pressure and dissipation caused by soil compaction are considered. The results show that the squeezing effect of jacked pile in different soil layers is quite different. In the filling layer, the horizontal displacement of soil is about 5% of the pile radius at 2 d away from the pile, and the ratio is about 1% at 5.5 d from the pile; in the muddy soil layer, the horizontal displacement of soil is about 5% of the pile radius at 6.2 d away from the pile, and the ratio is about 1% at 20 d from the pile. The radial displacement of soft soil is larger than that of hard soil, and the radial stress of soft soil is less than that of hard soil. The displacement field and stress field appear mutation at the interface of soil layer. In the process of jacked pile driving, high excess pore water pressure will be produced in saturated soil with low permeability due to soil compaction. Due to the difference of soil properties, 99.5% of the total weathered granite laminated pile dissipated 15 days after the end of the pile, and 65.2% of the muddy soil layer dissipated.

Keywords:Soft Hard Interaction Soil, Jacked Pile, Compaction Effect, Excess Pore Water Pressure

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

静压桩具有噪声小、污染少、施工方便、质量可靠等优点，在软土地基加固处理中得到了较为广泛的应用。但静压桩属于挤土桩，挤土桩施工会引发土体位移、应力变化、超静孔隙水压力的产生等一系列问题。

诸多学者对静压桩的挤土效应进行了深入研究，主要分为模型试验、理论研究以及数值模拟三个方面。在试验方面，刘智 [1] 采用室内模型试验研究了有孔管桩静压沉桩所引起的挤土效应问题和管桩的极限承载力。陈祥彬等 [2] 通过模型实验研究了静压桩在软粘土中沉桩时的土体位移变化规律和土中的应力变化规律。王永洪等 [3] 基于光纤光栅传感技术，开展了黏性土中静压贯入两种不同直径单桩的模型试验研究。在理论方面，刘裕华等 [4]、周航等 [5] 基于圆孔扩张理论研究得到压桩挤土时塑性区半径、沉桩阻力、桩周土体位移场等。张亚国 [6] 基于圆孔扩张理论基础上，引入修正函数考虑了地表边界和沉桩深度对挤土位移的影响。在数值模拟方面，Kathrin A. Fischer [7] 在数值模拟中通过新的建模方法处理了桩尖部分，有效解决了桩贯入过程中桩尖效应问题。吴亚军 [8]、肖昭然等 [9] 使用ABAQUS数值模拟软件，研究静压桩在砂土中沉桩时的挤土效应，得到沉桩过程中土体应力和位移的变化曲线图。杨大海等 [10] 利用ABAQUS数值模拟软件对PHC管桩挤土效应进行了模拟，分析了桩周土弹性模量、泊松比、内摩擦角等对沉桩挤土位移和挤土应力的影响。

目前的研究大都假定土体为均质的各项同性的弹塑性体，对涉及成层土中的静压桩挤土效应同时考虑超静孔隙水压力条件的研究较少。本文以深圳市固戍二期水质净化厂工程为背景，通过数值模拟分析了软硬交互土层中静压桩挤土产生的位移场、应力场以及超孔隙水压力变化规律。

2. 数值建模

采用ABAQUS有限元软件建模，为了简化计算，采用二维轴对称模型来模拟。由于桩的刚度比土的刚度大得多，将桩体看做刚体，采用离散刚体模拟，桩底设置成抛物线形状。土体采用摩尔库伦本构模型，采用四节点二维轴对称孔压单元。建立如图1所示模型。桩土界面采用面–面摩擦接触单元，接触类型为库伦摩擦。摩擦系数取土的内摩擦角的正切值。桩长16 m，桩径400 mm，为了减小边界条件的影响，取土体的分析区域宽度为1倍桩长(16 m)，高度为30 m (约75倍桩径)。根据工程实际划分六层土，土层参数见表1，各土层厚度由上至下依次为6 m、2 m、4 m、3 m、3 m、12 m。地下水位位于地下1.5 m处。底面约束水平和竖向位移，右侧面约束水平位移，模型上表面为自由边界。在桩顶基于位移贯入法施加向下位移16 m。

图1. 数值模型

表1. 地层物理力学参数

2.1. 土体水平位移场分布

地表土体及淤泥层土体(深度7 m)水平位移变化如图2所示，水平位移均随着径向距离增大而迅速减小。

对于地表处土体，当距桩0.8 m (约2 d，d为桩体直径)时，土体水平位移10.08 mm，约为桩半径的5%；距桩2.2 m (5.5 d)处，土体水平位移2.04 mm，约为桩半径的1%。距桩8.2 m (20.5 d)处，土体水平位移1.01 mm，影响已极微弱。

对于深度7 m处淤泥质土层，其水平位移不论数值大小还是影响范围均要大于地表处土体，当距桩0.32 m (0.8 d)时，土体水平位移66.46 mm；距桩2.4 m (6 d)处，土体水平位移11.28 mm；距桩6.2 d处，土体水平位移约为桩半径5%；距桩20 d时，位移约为桩体半径1%。距桩10.38 m时，位移1.1 mm，影响微弱。

图2. 土体水平位移沿径向分布

土体水平位移沿深度分布规律如图3所示。同一深度处随着距离桩径向距离的增大，水平位移急剧减小。距桩越近的土体，其水平位移在不同土层深度范围内波动越大，呈现数个波峰。在不同土层交界处水平位移出现突变现象，在深度为6 m的土层交界面处，水平位移均快速增加，距桩0.32 m处由32.36 mm迅速增大到90.2 mm，约为桩径的22.6%。这是由于第二层土为淤泥质土，压桩荷载在软土层扰动较大，受桩体排开土体的影响，会产生更大的水平位移。距桩2.4 m (6 d)土体水平位移在深度7 m的淤泥质土层达到最大值10.52 mm，约为桩径的2.63%。随着向下临进入较为坚硬的粗砂层，在8 m深度处位移减小为2.92 mm。随深度增大，在13.67 m的粘性土层处位移再次增大到8.63 mm。

图3. 土体水平位移沿深度分布

2.2. 土体竖向位移场分布

土体竖向位移沿径向分布如图4所示，距桩0 m处地表土体由于桩的拖拽作用而产生向下位移达6 mm。随着径向距离增大，拖拽现象减弱，地表产生隆起，隆起值先急剧增大后随径向距离增大而呈对数衰减并最终趋于稳定。距桩0.32 m (0.8 d)处竖向位移达到最大正值38.7 mm，距桩0.67 m处减小为16.8 mm，距桩1.9 m (约2.4 d)处减小到1.5 mm。随后微弱增长，达到2 mm并保持稳定。

深度7 m处淤泥层土体距桩0 m处由于桩的拖曳挤压作用产生向下位移高达256.2 mm，随远离桩芯，向下位移值急剧减小，距桩1.9 m (约2.4 d)处已减小为1 mm，距桩2.4 m (约6 d)处土体已产生正竖向位移值0.4 mm，随后微弱增长，距桩4.8 m (约12 d)处隆起值达到1.5 mm并保持稳定。

图4. 土体竖向位移沿径向分布

土体竖向位移沿深度变化如图5所示，对于距桩0.67 m (约1.7 d)、1.04 m (约2.6 d)土层，地表浅层土体(深度约1.5 m以上)产生向上的正向位移，较深土体受到沉桩挤压作用而产生向下的负位移。且距桩越近的土体，其竖向位移在不同土层深度范围内波动越剧烈，土层交界面处为位移波动转折点。

距桩1.7倍桩径处土体，负位移在素填土层达到一个较大值34.16 mm，进入淤泥质土层由于桩土摩擦阻力的急剧降低而位移值总体减小。随着进入粗砂层，竖向位移值总体增大。向下进入粘性土层，位移达到高值40.45 mm以后快速下降。

图5. 土体竖向位移沿深度变化

距桩2.6倍桩径处土体，其位移波动幅度远小于1.7倍桩径处。负位移值于深度6.67 m (淤泥质土层)处达到最大值10.21 mm。

对于距桩6倍桩径处，其浅层土体(7 m深度内)存在微弱的隆起现象(1至2 mm)，较深土体(深度约7 m到10.5 m)发生向下挤压产生微小的负位移，深层土体(约10.5 m以下)发生正位移，且不同土层性质差异对于竖向位移的影响已非常小。

2.3. 土体径向应力场分布

沉桩挤土效应径向应力场在深度方向上表现较为复杂，受不同土层性质差异影响，其径向应力并非随深度增大而增大，而在软硬土层交界面处数值产生突变，硬土层应力值要大于软土层。如图6所示，距桩1.04 m (2.6 d)处土体在深度6 m处应力值急剧减小到−40 KPa，距桩2.4 m (6 d)处土体在此深度同样快速减小至−31 KPa，在淤泥层二者应力差值相对减小。8 m深度以下随着穿过软土层进入粘土质粗砂层应力值再次增大。在桩端附近，径向应力值先急剧增大后急剧减小，这是由于本例假设桩端呈抛物线形式。

图6. 土体径向应力沿深度变化

2.4. 超静孔隙水压力分布

静压桩时沉桩的挤土作用会在低渗透性的饱和土中产生超静孔隙水压力，其不但会影响施工进度，同时沉桩结束后其消散情况将影响着桩的承载力提升速度。如图7为压桩过程中桩贯入不同深度时超静孔隙水压力云图，在沉桩各个阶段，桩端处均产生应力云泡；压桩2 m时，超孔隙水压力最大值为26.62 KPa；压入6 m时，最大值达到159.0 KPa；压入10m时，最大值为67.52 KPa；压入14 m时，最大值达到309.0 KPa。沉桩过程中超孔隙水压力最大值基本发生在桩端附近，且随着桩的贯入深度增大而逐渐增大。压桩10 m时产生差异，由于其桩端位于粗砂层，最大值仍位于淤泥质土层处。

图7. 压桩过程中超孔隙水压力云图

压桩结束及完成后15天内超孔隙水压力消散如图8所示，压桩结束瞬时，桩端土体由于沉桩挤土作用产生较高的超孔隙水压力，最大值达到315.4 KPa，随径向距离增大其值迅速降低，距桩2.92 m (约7.3 d)处减小为3.97 KPa，至8.2 m (约20.5 d)处已小于2 KPa。固结15天后，桩端土降低为1.65 KPa，减小了99.5%。

图8. 超孔隙水压力沿径向分布

沉桩结束时深度7m的软土层最大值达到50.17KPa。由于渗透系数非常小，超孔隙水压力消散较慢，固结15天后超孔隙水压力最大值仍达到了17.47KPa，降低了65.2%。

3. 结论

1) 在填土层，距桩2 d处，土体水平位移约为桩半径的5%，距桩5.5 d处，该比值约为1%；在淤泥质土层，距桩6.2 d处，土体水平位移约为桩半径的5%，距桩20 d处，该比值约为1%。随径向距离增加，挤土效应明显减弱；水平位移、超静孔隙水压力等均快速减小。

2) 水平、竖向位移，径向应力均在软硬土层交界面处出现明显转折点，软土层径向位移大于硬土层，径向应力小于硬土层。距桩越近，土体位移受不同土层性质差异影响越大。

3) 静压桩沉桩过程中会在桩端产生较高的超静孔隙水压力，由于土层性质的差异，超孔压消散程度不一。桩端全风化花岗岩层压桩结束15天后消散达99.5%，淤泥质土层消散65.2%。

文章引用

薛惠江,吴先灿,张 磊,陈保国. 软硬交互成层土静压桩挤土效应研究
Research on Compaction Effect of Jacked Pile in Soft Hard Layered Soil[J]. 土木工程, 2020, 09(10): 1119-1126. https://doi.org/10.12677/HJCE.2020.910116

参考文献