軟土地基預制樁沉樁對樁周土體擾動研究

張軍菲，鄭昆鵬，邊曉亞

（1.中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；2.武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074）

隨著“21世紀海上絲綢之路”戰略推進，我國東部沿海城市和港口迎來新的發展。然而，東部沿海地區地層主要為軟土，土體工程性質較差，高層建筑一般采用樁基礎等深基礎作為建筑物的下部結構［1］。預制樁作為擠土樁或部分擠土樁，在沉樁過程中會擠壓周圍土體，擾動土體結構，改變土體的應力狀態，使周圍土體工程性質降低，影響樁基承載力［2］。軟土土體工程性質特殊，軟土含水量較高，顆粒之間接合力較弱，因此其抗剪強度和承載能力相對較低，同時軟土還具有較大的壓縮變形和沉降特性，所以預制樁沉樁過程產生的擠土效應相較于其他土層更加嚴重。

目前，對擠土效應的研究主要有理論分析、試驗研究、數值模擬3種方法。20世紀70年代，Butterfield團隊首次在平面問題的條件下引入沉樁問題，并用小孔擴張理論解決此問題［3］。此后，國內外學者在理論分析方面取得豐富的研究成果［4－6］。但預制樁沉樁是一個動態貫入的過程，理論分析不能綜合考慮樁體貫入時樁土之間的相互作用。為了還原真實的沉樁過程，學者們展開了相關試驗及數值模擬。萬星等［7］開展了大面積預制方樁錘擊貫入的現場試驗研究；Li等［8］通過現場試驗測量了沉樁對已有公路路堤的影響；陸燁等［9］基于DIC技術開展了砂土地基中靜壓樁沉樁的室內半樁模型試驗；馬曉冬等［10］采用ABAQUS更新拉格朗日法，對打入樁沉樁過程中樁周土體的位移和孔隙水壓力的變化規律進行了研究；肖勇杰等［11］采用ALE有限元方法，對開口管樁高頻振動貫入過程中擠土效應、樁側阻力和土塞效應的變化規律進行研究；魏麗敏等［12］采用CEL有限元分析方法，研究了靜壓單樁樁周位移場變化規律。

綜上所述，已有研究主要針對沉樁完成后樁周土體位移和應力的分布規律，而對沉樁過程中樁周土體響應變化的討論較少。因樁體拖曳，樁周土體的位移和應力達到最大值后會有所減?。?3］。因此，為探究預制樁沉樁對樁周土體的擾動規律，本文采用有限元分析軟件ABAQUS自帶的耦合歐拉－拉格朗日方法（CEL方法）對預制樁沉樁過程進行模擬，得到沉樁過程中樁周土體位移和應力響應規律，以及沉樁完成后樁周土體位移和應力的分布規律，所得結論可為工程實踐和類似研究提供參考。

1 模型建立

樁體采用拉格朗日體建模，單元類型為C3D8R（8節點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制），將其綁定為剛體，采用彈性本構模型，樁體尺寸為12 m×0.4 m（樁長×樁徑）。

沉樁問題是空間軸對稱問題，因此建立1／4模型，為了盡量減少邊界效應的影響，設置土體尺寸長×寬×高為8 m×8 m×25 m，土體采用歐拉體進行描述，在頂部1 m范圍內設置為歐拉空域，用于容納地表隆起的土體，采用Mohr－Coulomb彈塑性本構模型。單元類型為EC3D8R（8節點線性歐拉六面體單元，減縮積分，沙漏控制），為了保證計算效率及確保計算結果精確，對靠近樁體部分的網格進行細化，靠近樁體的網格尺寸采用D／W＝4（D為樁徑，W為網格尺寸）。有限元計算模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

在模型四周及底部施加數值為0的法向速度，限制歐拉體流出模型邊界。接觸條件參考文獻［12］進行設置，樁土之間的接觸采用通用接觸，分別用法向接觸和切向接觸描述樁土之間的法向和切向行為，法向接觸采用“硬接觸”進行描述，切向接觸采用“罰函數”進行描述，其中樁土界面摩擦系數根據經驗系數取0.1。

設置兩個分析步，第一個分析步是地應力平衡分析步，分析步長設置為0.1 s，在預定義場施加地應力及對應坐標，同時給定相應的側向土壓力系數。在豎直方向施加－9.8 m／s2的重力加速度進行地應力平衡。第二個分析步是沉樁分析步，采用位移貫入法，在樁頂Z方向施加－12 m的位移來模擬樁體貫入土體的過程，分析步長設為60 s，即沉樁速度為0.2 m／s，文獻［14］對沉樁速度為0.2 m／s的收斂性進行了分析。設置示蹤粒子對監測點土體進行追蹤，通過示蹤粒子記錄的位移變量輸出土體位移。

本文土體采用Mohr－Coulomb彈塑性本構模型，樁－土摩擦系數f＝0.1，其他計算參數如表1所示。

表1 土體和樁體參數

2 樁周土體位移規律

2.1 沉樁過程中土體位移變化規律

為了研究沉樁過程中樁周土體的位移規律，以6 m深度處土體為例，對沉樁過程中距樁芯不同距離土體的響應規律進行分析。

圖2為沉樁過程中6 m深度處土體水平位移和豎向位移的響應規律。由圖2（a）可以看出，當沉樁深度到達4 m時，土體開始移動，并且在沉樁深度為5～6 m時，土體位移迅速增加并達到最大值，之后再減小，最后趨于穩定。這主要因為樁側土體受樁體拖曳的影響，樁尖上方樁身附近土體向樁身方向移動，隨著距樁中心距離的增加，拖曳力影響逐漸減弱。由圖2（b）可以看出，沉樁過程中樁周土體的豎向位移的響應規律與水平位移的響應規律相似，位移最大值均出現在6 m深度左右。區別在于，近樁處土體的豎向位移大于水平位移，且距樁中心為1R時，前者約為后者的兩倍，但豎向位移受拖曳力影響小于水平位移，如距樁中心1R處土體水平位移達最大值0.096 m后減小為0.087 m，約減小0.01 m，但豎向位移由0.217 m減小為0.212 m，僅減小約0.005 m，且隨著沉樁深度的增加，土體豎向位移又基本恢復到最大值。距樁中心2R處土體水平位移到達最大值后明顯減小，但豎向位移基本趨于穩定。隨著距樁中心距離的增加，拖曳力對水平位移和豎向位移的影響均逐漸減弱。

圖2 沉樁過程中土體位移變化規律（6 m深度處）

2.2 沉樁完成后土體位移分布規律

為了研究沉樁完成后樁周土體位移的分布規律，提取樁周土體的位移，圖3為沉樁完成后土體位移徑向分布規律（圖中H為土體深度），圖4為沉樁完成后土體位移豎向分布規律（以距樁中心3R、6R、9R處土體為例）。

圖3 沉樁完成后土體位移徑向分布

圖4 沉樁完成后土體位移豎向分布

由圖3可以看出，樁周土體的水平位移隨著距樁中心距離的增加呈對數形式減小，地表處水平位移小于樁身范圍內土體的水平位移。樁周土體的豎向位移在地表1.5 m范圍內主要表現為向上隆起，貼近樁體區域部分因樁體拖曳力的作用下沉，除地表外樁周土體的豎向位移呈對數形式減小，地表處土體表現為向上隆起，約在1.5R處隆起值達到最大值，之后隨著距樁中心距離增加，隆起值逐漸減小。

由圖4可以看出，樁周3R處土體地表水平位移迅速減小，之后隨土體深度增加，呈現先增加后趨于穩定、在樁尖附近達到最大值、在樁尖下部迅速減小的趨勢。樁周3R處土體的豎向位移在1.5 m深度以上表現為向上隆起，在1.5 m以下表現為下沉，并在4 m左右達到最大值，之后緩慢減小，在樁尖下部迅速減小。距樁中心6R和9R處土體的位移趨勢與距樁中心3R處土體的位移趨勢相似，不再贅述。

分析圖3和圖4可知，沉樁過程中近樁處土體會產生較大的豎向位移和水平位移，但遠樁處土體主要表現為水平位移，當距樁中心1.5 m時，土體豎向位移遠小于其水平位移。

3 參數分析

相關研究表明，改變土體參數會對擠土位移產生較大影響，特別是土體彈性模量和泊松比，因為彈性模量和泊松比直接關系到土壤的變形特性和剛度，而擠土位移正是由于土體受到外力作用而發生變形導致的［11，15－16］。因此本文主要對彈性模量、泊松比對擠土效應進行了分析。

3.1 彈性模量對樁周土體位移的影響

為研究土體彈性模量對樁周土體位移的影響，對彈性模量為10 MPa、20 MPa、30 MPa的土體進行研究。圖5為彈性模量對距樁中心3R、6R處土體水平位移和豎向位移的影響曲線。由圖5（a）可知，彈性模量不同時，樁周土體水平位移分布規律相似，且樁周土體的水平位移值相差較小，說明彈性模量對樁周土體水平位移較小。由圖5（b）可以看出，隨著彈性模量的增加，樁周土體豎向位移逐漸增加，以距樁中心3R處土體最大向下豎向位移為例，當彈性模量由10 MPa增加至20 MPa和30 MPa時，樁周土體豎向位移由0.039 1 m增加為0.047 6 m和0.050 5 m，分別增加21.7%和29.2%。

圖5 彈性模量對樁周土體位移的影響曲線

3.2 泊松比對樁周土體位移的影響

為研究泊松比對樁周土體位移的影響，分別對土體泊松比為0.32、0.4、0.48時的土體進行研究。圖6為沉樁完成后泊松比對距樁中心3R、6R處土體水平位移和豎向位移的影響曲線。由圖6（a）可以看出，隨著泊松比的增加，土體水平位移逐漸增加，以距樁中心3R處土體最大向下豎向位移為例，當泊松比由0.32增加至0.4和0.48時，樁周土體徑向位移由0.034 2 m增加為0.041 7 m和0.042 1 m，分別增加21.9%和23.1%，隨著距樁中心距離的增加，這種變化趨勢仍然明顯。由圖6（b）可以看出，距樁中心3R處，隨著泊松比的增加，土體豎向位移逐漸增加，當泊松比由0.32增加至0.4和0.48時，樁周土體豎向位移由0.039 m增加為0.040 1 m和0.051 7 m，分別增加2.8%和32.6%。距樁中心6R處土體豎向位移受泊松比影響較小。

圖6 泊松比對樁周土體位移的影響曲線

4 結論

采用CEL方法對軟土地基預制樁沉樁的擾動規律進行了研究，分析了沉樁過程中和沉樁后樁周土體位移的變化規律，并對影響土體位移的相關參數進行分析。主要結論如下：

（1）沉樁過程中，當沉樁到達相應深度時，靠近樁身的土體受到樁體拖曳，徑向位移先增加后減小，隨著距樁中心距離的增加影響程度逐漸減弱。

（2）沉樁后，樁周土體徑向位移分布沿徑向呈對數形式衰減，近樁處土體豎向位移大于徑向位移，當距樁中心距離大于1.5 m時，土體位移主要表現為徑向位移。

（3）土體彈性模量和泊松比的大小影響樁周土體的位移，隨著彈性模量的增加，樁周土體豎向位移逐漸增加，隨著泊松比的增加，土體徑向位移和豎向位移均增加。