软土地基预制桩沉桩对桩周土体扰动研究

张军菲，郑昆鹏，边晓亚

（1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430070；2.武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074）

随着“21世纪海上丝绸之路”战略推进，我国东部沿海城市和港口迎来新的发展。然而，东部沿海地区地层主要为软土，土体工程性质较差，高层建筑一般采用桩基础等深基础作为建筑物的下部结构［1］。预制桩作为挤土桩或部分挤土桩，在沉桩过程中会挤压周围土体，扰动土体结构，改变土体的应力状态，使周围土体工程性质降低，影响桩基承载力［2］。软土土体工程性质特殊，软土含水量较高，颗粒之间接合力较弱，因此其抗剪强度和承载能力相对较低，同时软土还具有较大的压缩变形和沉降特性，所以预制桩沉桩过程产生的挤土效应相较于其他土层更加严重。

目前，对挤土效应的研究主要有理论分析、试验研究、数值模拟3种方法。20世纪70年代，Butterfield团队首次在平面问题的条件下引入沉桩问题，并用小孔扩张理论解决此问题［3］。此后，国内外学者在理论分析方面取得丰富的研究成果［4－6］。但预制桩沉桩是一个动态贯入的过程，理论分析不能综合考虑桩体贯入时桩土之间的相互作用。为了还原真实的沉桩过程，学者们展开了相关试验及数值模拟。万星等［7］开展了大面积预制方桩锤击贯入的现场试验研究；Li等［8］通过现场试验测量了沉桩对已有公路路堤的影响；陆烨等［9］基于DIC技术开展了砂土地基中静压桩沉桩的室内半桩模型试验；马晓冬等［10］采用ABAQUS更新拉格朗日法，对打入桩沉桩过程中桩周土体的位移和孔隙水压力的变化规律进行了研究；肖勇杰等［11］采用ALE有限元方法，对开口管桩高频振动贯入过程中挤土效应、桩侧阻力和土塞效应的变化规律进行研究；魏丽敏等［12］采用CEL有限元分析方法，研究了静压单桩桩周位移场变化规律。

综上所述，已有研究主要针对沉桩完成后桩周土体位移和应力的分布规律，而对沉桩过程中桩周土体响应变化的讨论较少。因桩体拖曳，桩周土体的位移和应力达到最大值后会有所减小［13］。因此，为探究预制桩沉桩对桩周土体的扰动规律，本文采用有限元分析软件ABAQUS自带的耦合欧拉－拉格朗日方法（CEL方法）对预制桩沉桩过程进行模拟，得到沉桩过程中桩周土体位移和应力响应规律，以及沉桩完成后桩周土体位移和应力的分布规律，所得结论可为工程实践和类似研究提供参考。

1 模型建立

桩体采用拉格朗日体建模，单元类型为C3D8R（8节点线性六面体单元，减缩积分，沙漏控制），将其绑定为刚体，采用弹性本构模型，桩体尺寸为12 m×0.4 m（桩长×桩径）。

沉桩问题是空间轴对称问题，因此建立1／4模型，为了尽量减少边界效应的影响，设置土体尺寸长×宽×高为8 m×8 m×25 m，土体采用欧拉体进行描述，在顶部1 m范围内设置为欧拉空域，用于容纳地表隆起的土体，采用Mohr－Coulomb弹塑性本构模型。单元类型为EC3D8R（8节点线性欧拉六面体单元，减缩积分，沙漏控制），为了保证计算效率及确保计算结果精确，对靠近桩体部分的网格进行细化，靠近桩体的网格尺寸采用D／W＝4（D为桩径，W为网格尺寸）。有限元计算模型如图1所示。

图1 有限元计算模型

在模型四周及底部施加数值为0的法向速度，限制欧拉体流出模型边界。接触条件参考文献［12］进行设置，桩土之间的接触采用通用接触，分别用法向接触和切向接触描述桩土之间的法向和切向行为，法向接触采用“硬接触”进行描述，切向接触采用“罚函数”进行描述，其中桩土界面摩擦系数根据经验系数取0.1。

设置两个分析步，第一个分析步是地应力平衡分析步，分析步长设置为0.1 s，在预定义场施加地应力及对应坐标，同时给定相应的侧向土压力系数。在竖直方向施加－9.8 m／s2的重力加速度进行地应力平衡。第二个分析步是沉桩分析步，采用位移贯入法，在桩顶Z方向施加－12 m的位移来模拟桩体贯入土体的过程，分析步长设为60 s，即沉桩速度为0.2 m／s，文献［14］对沉桩速度为0.2 m／s的收敛性进行了分析。设置示踪粒子对监测点土体进行追踪，通过示踪粒子记录的位移变量输出土体位移。

本文土体采用Mohr－Coulomb弹塑性本构模型，桩－土摩擦系数f＝0.1，其他计算参数如表1所示。

表1 土体和桩体参数

2 桩周土体位移规律

2.1 沉桩过程中土体位移变化规律

为了研究沉桩过程中桩周土体的位移规律，以6 m深度处土体为例，对沉桩过程中距桩芯不同距离土体的响应规律进行分析。

图2为沉桩过程中6 m深度处土体水平位移和竖向位移的响应规律。由图2（a）可以看出，当沉桩深度到达4 m时，土体开始移动，并且在沉桩深度为5～6 m时，土体位移迅速增加并达到最大值，之后再减小，最后趋于稳定。这主要因为桩侧土体受桩体拖曳的影响，桩尖上方桩身附近土体向桩身方向移动，随着距桩中心距离的增加，拖曳力影响逐渐减弱。由图2（b）可以看出，沉桩过程中桩周土体的竖向位移的响应规律与水平位移的响应规律相似，位移最大值均出现在6 m深度左右。区别在于，近桩处土体的竖向位移大于水平位移，且距桩中心为1R时，前者约为后者的两倍，但竖向位移受拖曳力影响小于水平位移，如距桩中心1R处土体水平位移达最大值0.096 m后减小为0.087 m，约减小0.01 m，但竖向位移由0.217 m减小为0.212 m，仅减小约0.005 m，且随着沉桩深度的增加，土体竖向位移又基本恢复到最大值。距桩中心2R处土体水平位移到达最大值后明显减小，但竖向位移基本趋于稳定。随着距桩中心距离的增加，拖曳力对水平位移和竖向位移的影响均逐渐减弱。

图2 沉桩过程中土体位移变化规律（6 m深度处）

2.2 沉桩完成后土体位移分布规律

为了研究沉桩完成后桩周土体位移的分布规律，提取桩周土体的位移，图3为沉桩完成后土体位移径向分布规律（图中H为土体深度），图4为沉桩完成后土体位移竖向分布规律（以距桩中心3R、6R、9R处土体为例）。

图3 沉桩完成后土体位移径向分布

图4 沉桩完成后土体位移竖向分布

由图3可以看出，桩周土体的水平位移随着距桩中心距离的增加呈对数形式减小，地表处水平位移小于桩身范围内土体的水平位移。桩周土体的竖向位移在地表1.5 m范围内主要表现为向上隆起，贴近桩体区域部分因桩体拖曳力的作用下沉，除地表外桩周土体的竖向位移呈对数形式减小，地表处土体表现为向上隆起，约在1.5R处隆起值达到最大值，之后随着距桩中心距离增加，隆起值逐渐减小。

由图4可以看出，桩周3R处土体地表水平位移迅速减小，之后随土体深度增加，呈现先增加后趋于稳定、在桩尖附近达到最大值、在桩尖下部迅速减小的趋势。桩周3R处土体的竖向位移在1.5 m深度以上表现为向上隆起，在1.5 m以下表现为下沉，并在4 m左右达到最大值，之后缓慢减小，在桩尖下部迅速减小。距桩中心6R和9R处土体的位移趋势与距桩中心3R处土体的位移趋势相似，不再赘述。

分析图3和图4可知，沉桩过程中近桩处土体会产生较大的竖向位移和水平位移，但远桩处土体主要表现为水平位移，当距桩中心1.5 m时，土体竖向位移远小于其水平位移。

3 参数分析

相关研究表明，改变土体参数会对挤土位移产生较大影响，特别是土体弹性模量和泊松比，因为弹性模量和泊松比直接关系到土壤的变形特性和刚度，而挤土位移正是由于土体受到外力作用而发生变形导致的［11，15－16］。因此本文主要对弹性模量、泊松比对挤土效应进行了分析。

3.1 弹性模量对桩周土体位移的影响

为研究土体弹性模量对桩周土体位移的影响，对弹性模量为10 MPa、20 MPa、30 MPa的土体进行研究。图5为弹性模量对距桩中心3R、6R处土体水平位移和竖向位移的影响曲线。由图5（a）可知，弹性模量不同时，桩周土体水平位移分布规律相似，且桩周土体的水平位移值相差较小，说明弹性模量对桩周土体水平位移较小。由图5（b）可以看出，随着弹性模量的增加，桩周土体竖向位移逐渐增加，以距桩中心3R处土体最大向下竖向位移为例，当弹性模量由10 MPa增加至20 MPa和30 MPa时，桩周土体竖向位移由0.039 1 m增加为0.047 6 m和0.050 5 m，分别增加21.7%和29.2%。

图5 弹性模量对桩周土体位移的影响曲线

3.2 泊松比对桩周土体位移的影响

为研究泊松比对桩周土体位移的影响，分别对土体泊松比为0.32、0.4、0.48时的土体进行研究。图6为沉桩完成后泊松比对距桩中心3R、6R处土体水平位移和竖向位移的影响曲线。由图6（a）可以看出，随着泊松比的增加，土体水平位移逐渐增加，以距桩中心3R处土体最大向下竖向位移为例，当泊松比由0.32增加至0.4和0.48时，桩周土体径向位移由0.034 2 m增加为0.041 7 m和0.042 1 m，分别增加21.9%和23.1%，随着距桩中心距离的增加，这种变化趋势仍然明显。由图6（b）可以看出，距桩中心3R处，随着泊松比的增加，土体竖向位移逐渐增加，当泊松比由0.32增加至0.4和0.48时，桩周土体竖向位移由0.039 m增加为0.040 1 m和0.051 7 m，分别增加2.8%和32.6%。距桩中心6R处土体竖向位移受泊松比影响较小。

图6 泊松比对桩周土体位移的影响曲线

4 结论

采用CEL方法对软土地基预制桩沉桩的扰动规律进行了研究，分析了沉桩过程中和沉桩后桩周土体位移的变化规律，并对影响土体位移的相关参数进行分析。主要结论如下：

（1）沉桩过程中，当沉桩到达相应深度时，靠近桩身的土体受到桩体拖曳，径向位移先增加后减小，随着距桩中心距离的增加影响程度逐渐减弱。

（2）沉桩后，桩周土体径向位移分布沿径向呈对数形式衰减，近桩处土体竖向位移大于径向位移，当距桩中心距离大于1.5 m时，土体位移主要表现为径向位移。

（3）土体弹性模量和泊松比的大小影响桩周土体的位移，随着弹性模量的增加，桩周土体竖向位移逐渐增加，随着泊松比的增加，土体径向位移和竖向位移均增加。