静压桩沉桩过程中的土体位移和遮帘效应

静压桩沉桩过程中的土体位移和遮帘效应

随着城市建设的快速发展，建筑用地的稀缺性。人们修建了大量的地下工程，然后扩建了更多的邻近地下桩基工程。与孔灌注桩相比，静压桩应在施工过程中更换相同体积的土壤。因此，近距离桩基的建设将会导致相邻结构的位移和增加浮力。静压桩具有品质可靠、价格相对简单、施工效率高、噪声小、荷载低等优点。在施工周期长要求较高的建设项目中，静压桩是最合理的桩型。为了减少桩基施工引起的土体位移，通常采用控制桩序的方法（例如，背保护性结构的桩），或在构造附近放置保护桩，以起到防止地板位移的屏障作用。减少沉降对环境的影响。因此，研究静压桩沉降对土壤侵蚀的阴影效应具有重要意义。基于理想弹塑性假定的圆形扩张理论是常用于分析沉桩挤土效应的方法,该方法在数值模拟中的应用也十分广泛.文献运用圆孔扩张理论模拟分析了静压桩沉桩过程中的挤土效应,但圆孔扩张理论并不能模拟静压桩沉桩时桩-土间的摩擦作用,这使得计算所得的土体垂直位移与实际情况差距较大.对于静压桩双桩沉桩过程,已打入桩对土体位移有遮拦效应.Poulos分析了侧向移动土中桩的性状;吴晓峰等借助Poulos对侧向移动土中桩的研究结果,并采用有限元数值模拟分析了已打入桩的遮帘效应;林永国等用剪切位移法研究了单桩沉降的遮拦效应;李月健等对群桩施工中的土体侧向位移进行了相关表述;鹿群研究了扩孔时对孔壁上节点施加节点力以模拟桩-土间的摩擦效应,并对单桩与双桩沉桩进行了相应的计算.然而,现有的对静压桩沉桩产生土体位移的研究大多基于圆孔扩张理论,且限于单桩,因此对于静压桩双桩沉桩,已有研究的成果未能就已打入桩体对土体位移的遮帘效应进行量化,其机理也尚不明确.本工作采用三维有限差分软件FLAC3D建立数值模型,并在圆孔扩张模拟沉桩挤土效应的基础上,基于位移贯入法模拟桩-土间的摩擦作用与文献中施加摩擦力数值模拟方法进行对比,结果吻合得较好.基于此法模拟静压桩单桩、双桩沉桩,并对沉桩引起的土体位移进行相应的分析.针对已打入桩体对待打入桩沉桩过程中土体位移的影响进行深入研究,并就遮拦效应的实质进行了相关探讨,对已打入桩体对土体位移的遮帘作用进行量化,得出了一些有益的结论.1通过模拟和产生的土壤位移，静压桩沉降值1.1模型参数选取(1)采用总应力法进行分析计算.(2)考虑初始地应力的影响.(3)对静压桩沉桩引起的土体位移进行分析,为了得出更一般的结论,即假定土体为连续匀质的理想弹塑性体,符合Mohr-Coulomb模型.土体参数选自《中航商用发动机有限责任公司研发中心项目101总部及研发大楼项目岩土勘察报告》中第④层淤泥质粘土(见表1).该工程位于上海市闵行区东至莲花南路、西至规划道路、南至剑川路、北至塘泗泾.(4)静压桩桩体为C80预应力混凝土管桩,材料属性为线弹性体(见表2),桩径φ=400mm,桩长L=20m.(5)鉴于问题的复杂性,本工作未考虑孔隙水压力的影响.(6)为简化计算,参考文献和,引入平均塑性体积应变Δ作为已知值(7)土体垂直位移向上为正,故正值表现为隆起,负值表现为沉降.1.2基于圆孔扩张理论的数值分析按照圆形孔扩张理论,沉桩过程中的挤土效应是小孔由孔径0扩张到r的过程,但在数值计算小孔扩张时,初始半径r=0将导致产生无穷大的环向应变.Carter等认为,可用初始半径为a0的小孔扩张到2a0的过程代替由0扩张到r0的沉桩过程,此时,即.因此,采用Carter的相关理论进行沉桩挤土效应的模拟,从0到r0的实际扩张用到的扩张代替.目前,许多学者已运用圆孔扩张理论计算分析静压桩沉桩的挤土效应,但圆孔扩张理论并不能模拟静压桩沉桩时桩-土间的摩擦作用,使得计算所得的土体垂直位移与实际情况差距较大.文献对圆孔扩张理论在数值模拟中的应用进行了改进,在扩孔时对孔壁上的节点施加节点力以模拟桩-土间摩擦效应,数值分析流程见图1.不同于施加节点力,本工作考虑构建桩体单元与接触单元是基于位移贯入法模拟沉桩过程中的摩擦效应,其计算流程为:①进行地应力平衡以获取沉桩前的初始地应力;②基于圆孔扩张理论以扩孔模拟挤土效应;③待扩孔至桩径大小,建立实体桩单元与接触单元,并基于位移贯入法使桩体以恒定速度下沉至沉桩深处,模拟得到沉桩过程中桩-土间相互作用.计算分析流程图如图2所示.1.3塑性区土体应变演化的应力和径向位移圆孔扩张理论以摩尔-库伦条件为依据,在具有粘聚力c和内摩擦角φ的半无限土体内,给出圆筒形孔扩张的一般解.塑性区半径:式中,Rp为塑性区半径,Ru为孔的最终半径,r为计算点距离桩中心的距离,G为剪切模量.设Δ为塑性区体积应变,刚度指标为式中,Ir为刚度指标,E为弹性模量,v为泊松比,c为粘聚力.修正刚度指标:式中,为修正刚度指标,Δ为塑性区平均体积应变,v为泊松比,φ为内摩擦角.最终扩张压力:式中,pu为最终扩张应力.塑性区挤土引起的径向应力与径向位移:式中,σr为径向应力.在弹性区,由弹性力学理论可求得径向应力与径向位移的拉梅解:式中,u为弹性区土体的径向位移.计算步骤:步骤1由式(1)求出最终塑性区半径Rp;步骤2由式(4)求出最终扩孔压力pu;步骤3由式(5),(7)求出塑性区、弹性区径向应力场;步骤4由式(6),(8)求出塑性区、弹性区径向位移.计算参数:c=14kPa,φ=12.5°,Δ=0.015,v=0.35.土体压缩模量与弹性模量的换算关系式为由表1可知,Es=2.52MPa,计算可得E=1.59MPa.桩基础为C80预应力混凝土管桩,桩径φ=400mm,即半径R=200mm.基于Carter理论,从0到r0的实际扩张用到的扩张代替,即R0=116mm,Ru=232mm.而圆孔扩张解析解与数值解的计算结果如图3所示.从图3中可以看出,静压桩沉桩引起的土体水平位移随着径向距离的增大近似呈指数衰减,数值计算结果与解析解计算结果基本吻合.径向距离D>2.5m(距离沉桩中心处)时,土体水平位移在5mm范围内.1.4桩周土作用下桩体沉降分析如果仅基于圆形孔扩张理论的数值计算,而没有考虑沉桩过程中桩-土间的摩擦作用,则与沉桩引起土体总位移的实际情况不符.本工作在圆孔扩张的基础上,采用位移贯入法模拟桩体贯入时桩-土界面的摩擦效应.位移贯入法的实质是使桩以一定速度向下运动,该运动对桩周土的作用与桩顶施加外力时一致,能够较好地模拟沉桩的实际情况.具体操作为等扩孔至桩径大小,建立桩体实体模型,通过对在桩顶施加位移边界条件使桩体以恒定速度贯入以模拟桩-土间的摩擦效应.选取距桩中心D=0.5m处为位移监测点,对考虑和不考虑摩擦的位移场进行对比.沉桩计算结果如图4和5所示.从图4和5中可以看出,相较于考虑摩擦作用,未考虑摩擦作用的垂直位移在地表附近表现为较小的沉降,且进入一定深度后土体表现为隆起,这与实际情况不符;考虑摩擦作用的土体表现为更大的沉降,且计算所得土体垂直位移随深度变化的趋势与文献中的表述基本吻合;另外,未考虑摩擦作用计算所得土体水平位移与考虑摩擦时基本相同,表明考虑桩-土间的相互作用对计算结果中土体垂直位移有较大的影响,可使结果更趋近于实际情况.1.5土体位移与深度的关系文献为模拟桩-土间的摩擦效应,采用在扩孔同时对孔壁上的节点施加节点力的方法.为评估位移贯入法对摩擦效应的模拟效果并分析上述两种数值模拟方法的优缺点,分别运用两种数值模拟方法计算分析静压桩沉桩产生的土体位移.其中基于节点施加摩擦力的数值方法中,考虑了文献的桩-土间摩擦取值为15kPa,因此施加的节点力依次为3000,5000,7000N,对应的桩-土摩擦为10.98,18.30,25.62kPa.选取距桩中心D=0.5m处为位移监测点,计算结果如图6和7所示.从图6中土体水平位移随深度的变化趋势可以看出,两种数值模拟方法的计算结果较一致.但在地表处,位移贯入法的计算的土体水平位移较大.这是由于沉桩是一个动态过程,摩擦效应对土体的拖拽作用对土体的水平位移有一定的影响.而基于位移贯入法模拟摩擦效应在桩体以固定速度向下运动时,为阻止圆孔缩径而约束了径向位移,这就消除了摩擦效应对土体水平作用的影响.这也是图5中的考虑摩擦效应对土体水平位移基本无影响的原因.图7所示为两种数值方法下土体垂直位移与深度的关系,两种数值模拟方法的计算数值与变化趋势均较为接近,其中节点力为3000N的曲线与位移贯入法曲线最为接近.在深度6～16m的土体范围内,两种方法的计算所得数值差距较大,其中位移贯入法的计算值较大.这是因为随着深度的增大导致地应力增大,沉桩产生的摩擦也随之增大,而施加节点力法忽略了桩-土间摩擦随土体深度的变化.2移贯入法相结合静压桩双桩沉桩过程中,已打入桩能够在一定程度上遮拦打入桩产生的土体位移.采用前文所述的圆孔扩张理论与位移贯入法相结合的数值模拟方法计算并分析已打入桩对土体位移的遮拦作用.已打入桩与待打入桩的几何关系如图8所示.两桩相距2m,桩径φ=400mm,即半径R=200mm.R0=116mm,Ru=232mm,桩长L=20m.本工作将A(距离沉桩中心处1.5m),B(距离沉桩中心处2.5m)两点作为位移监测点.2.1遮拦效应对桩体水平位移的影响图9和10依次为D=1.5m(A点)和D=2.5m(B点)处有无遮拦效应土体水平位移的对比.由图可见,无遮拦效应的土体水平位移变化趋势为:小于6m深度范围内的土体水平位移基本按照同一斜率增大;在大于6m的深度范围内,土体水平位移较一致,并随深度增加而缓慢增大,是主要的变形区域,峰值出现在深度18m处而后逐渐归零.遮拦效应下土体水平位移的变化趋势为:土体水平位移沿着深度方向几乎按照同一斜率增大,且土体水平位移较无遮拦效应小.这是因为已打入桩的存在改变了土体的水平位移趋势:已打入桩的刚度远大于土体,故不规则的土体水平位移被其约束并趋于随深度线性变化.遮拦效应对土体水平位移的影响明显,无遮拦效应的土体水平位移均比存在遮拦效应的大.A点处土体水平位移差值为2.32～6.07mm,占无遮拦效应下土体位移的12.62%～44.76%.B点处土体水平位移差值为1.68～5.90mm,占无遮拦效应下土体位移的15.63%～81.52%.A,B两点土体水平位移差值百分比如图11所示.可以看出,桩后(B点)对土体水平位移的遮拦效应更为明显,且随着深度的增大,遮拦效应逐渐减弱.图12为已打入桩的水平位移,可以得出如下结论:桩体的水平位移与深度的关系接近线性关系.桩顶水平位移为1.71mm,桩底水平位移为11.50mm.桩身产生了一定的倾斜,倾角为1′41″,这与图9和10中遮拦效应下土体水平位移曲线的倾角基本一致.2.2遮拦效应与桩前和后的土体位移已打入桩不仅对土体的水平位移起到一定的遮拦作用,对土体的垂直位移亦有影响.因此对土体垂直位移的遮拦作用的研究也有利于解释土体水平位移的变化趋势.A,B两位移观测点在有无遮拦效应的情况下,土体垂直位移与深度的关系对比见图13和14.由上述两图可以看出,沉桩上部土体垂直位移较大,沉桩下部土体垂直位移较小,距地表下1/8～1/4桩长处土体垂直位移最大,这与文献的表述基本一致.遮拦效应对桩前(A点)和桩后(B点)的土体垂直位移均有影响:对于桩前位移观测点A,由于已打入桩体的刚度远大于土体刚度,因此沉桩扩孔而受到水平挤压的桩前土体在已打入桩的阻隔下沿着桩身向上隆起.对于桩后位移观测点B,由于已打入桩化解了一定的土体水平位移且受桩前土体摩擦产生一定上浮,故其土体水平位移与垂直位移变小.这也是遮拦效应的实质,即已打入桩的存在改变了土体位移的分布模式,最终达到减小水平位移的目的.图15为A,B两点土体垂直位移差值百分比.可以看出,与土体水平位移的遮拦效应相似,土体上部的遮拦效应较为明显；随着深度的增大,遮拦效应逐渐减弱.A点处土体垂直位移差值为0.06～4.54mm,占无遮拦效应下土体位移的8.69%～51.88%;B点处土体水平位移差值为0.09～4.12mm,占无遮拦效应下土体位移的32.14%～60.45%.3不同桩型桩体水平位移变化本工作采用三维有限差分软件FLAC3D建立数值模型,对比圆孔扩张理论的解析解与数值解,并在此基础上建立桩实体单元基于位移贯入法模拟桩-土间摩擦作用.为评估位移贯入法模拟摩擦作用的效果,采用中施加节点力模拟摩擦效应的方法进行了相应的模拟计算,二者的计算结果较吻合,验证了圆孔扩张理论结合位移贯入法模拟沉桩的合理性.基于此方法针对静压桩单桩、双桩的沉桩过程进行计算分析,并对已打入桩体在沉桩过程中对土体位移的影响进行深入研究,得到如下结论:(1)模拟桩-土间摩擦效的两种方法中,位移贯入法计算所得的土体水平位移在地表处较大.这是由于沉桩是一个动态过程,摩擦效应对土体的拖拽作用对土体的水平位移有一定的影响.而基于位移贯入法模拟摩擦效应在桩体以固定速度向下运动时,为阻止圆孔缩径而约束了径向位移,这就消除了摩擦效应对土体水平作用的影响.(2)单桩沉桩土体的水平位移变化趋势为:小于6m深度范围内的土体水平位移基本按照同一斜率增大.在大于6m的深度范围内,土体水平位移较一致,且较小于6m深度范围内的大,是主要的变形区域.土体的垂直位移变化趋势为:上部土体沉降较大,下部土体沉降较小,距地表下1/8～1/4桩长处沉降最大.(3)在双桩沉桩过程中,已打入桩顶水平位移为1.71mm,桩底水平位移为11.50mm.桩身产生了一定的倾斜,倾角为1′41″.桩体的水