巴蛟龍，汪志翔，吳永強，王其祥，戎 葛

（中鐵七局集團（惠州）工程建設有限公司 廣東惠州 516000）

0 引言

巖土工程的日益發(fā)展，工程規(guī)模越來越大并且需求多、工期短。開口大直徑管樁被越來越多的采用在港口、大跨度橋梁等大型工程中。管樁在連續(xù)貫入的過程中，伴隨著樁周土顆粒的破碎，引起周圍土體的應力場重分布并發(fā)生變形。相較于小直徑管樁貫入，大直徑管樁極限承載力在土體中的擴散范圍更廣。且由于大直徑管樁貫入深度更深，會遇到黏土層下臥砂土層的工況，管樁極限承載力響應更為復雜。相比于現場測試和室內試驗，數值模擬的研究方法更為經濟高效。

針對連續(xù)貫入引起土體大變形，數值模擬中通常采用任意拉格朗日-歐拉（ALE）方法［1-2］、基于小應變的網格重劃分和插值技術（RITSS）［3-4］、物質點法（MPM）［5-6］和耦合歐拉-拉格朗日（CEL）法［7-8］來進行三維模擬。其優(yōu)缺點如表1所示。

表1 大變形模擬方法優(yōu)缺點Tab.1 Advantages and Disadvantages of Large Deformation Finite Element Calculation Technology

CEL法原理如下：對剛度較大的材料采用拉格朗日體模擬，將剛度較小容易變形的材料模擬為歐拉體。CEL法在網格變形之后，網格不需要進行重新劃分，而是將變量映射到原有的網格上，歐拉網格保持不變，材料可以在網格單元中“自由流動”，避免了因出現網格畸變而造成的數值不穩(wěn)定。CEL法中將黏土層模擬為歐拉體，在網格中“自由流動”的效果契合貫入過程中的大變形情況。

1 管樁承載力計算

我國現行規(guī)范中關于樁基承載力的計算方法大致可分為四類：

⑴理論公式法。計算深基礎承載力的經典理論有：太沙基承載力理論、別列柴策夫公式等。梁超等人［9-10］研究發(fā)現太沙基公式充分考慮了邊載對樁基承載力的貢獻，計算結果明顯高于CAWAP動測結果，相對誤差達到了1 794.2%其中邊載貢獻超過90%以上；當樁端進入砂性土層時，別列柴策夫法計算的結果以17.4%的誤差最接近動測結果。

⑵對樁端土體抗剪強度加以修正。VESIC［11］提出了一種基于小孔擴張理論的承載力計算方法，其公式為q=NcSu，其中Nc為樁基阻力系數，美國石油協(xié)會（API）取Nc=9.0，以樁端土體的不排水抗剪強度為基礎確定單位樁基承載力［12］，目前廣泛應用于海上樁基工程中。

⑶基于原位靜力觸探試驗（CPT/CPTU）的結果，結合樁端以下一定范圍的平均錐尖阻力以及該范圍土體力學參數加以修正得出。LEHANE［13］根據室內試驗結果，提出考慮范圍采用樁端以下20倍樁壁厚的區(qū)域。

⑷結合樁端以上和以下一定范圍的平均錐尖阻力以及該范圍土體力學參數加以修正得出。由于確定樁端阻力擴散范圍的研究不明悉，不同學者計算樁基阻力時對錐體貫入阻力影響范圍取值不同，導致計算結果存在差異。SCHMERTMANN［14］提出平均錐尖阻力影響范圍為樁端以上8D至樁端以下0.7D～4D；ICP［15］和LCPC［16］采用樁端上下1.5D的深度范圍。

不同方法計算的樁基承載力存在差異，具體計算結果取決于所選方法以及所選的土層范圍。承載力又分為側摩阻力和樁端阻力，由于管樁內外壁均與土體摩擦接觸，故管樁中的側摩阻力更為復雜［17-20］，本文采用數值模擬進行研究。

2 工程概況

本文以廣東惠州某鋼箱坦拱橋工程為例，全橋呈西-東走向，橋梁段總長273 m。橋型為單跨上承式鋼箱坦拱橋，主拱用鋼箱拱肋，橋面采用正交異性鋼橋面鋪裝。

依據勘查成果，現場樁埋入深度所涉及的土種類主要為：①粉質黏土，灰黃色，軟可塑，切面較光滑，干強度及韌性中等；局部分布，多呈透鏡體；層厚2.80～15.60 m；②粗砂、礫砂，灰黃色，飽和，稍密，含少量黏粒，級配良好；局部分布，層厚0.40～20.10 m。

施工時需先在預計鋪設橋梁兩側搭設臨時鋼棧橋，并做好土袋圍堰。在兩岸組裝門式起重機。通過鋼棧橋打入支撐鋼箱梁用鋼管樁。而后搭設鋼管樁平臺、焊接風撐、預壓。在成橋之后拆除鋼管樁支架以及臨時棧橋?，F場平面布置如圖1所示。

圖1 管樁現場布置Fig.1 Site Layout of Pipe Piles

3 數值模擬

本文采用Abaqus 軟件采用CEL 法模擬用于搭載鋼箱梁的管樁貫入軟土的過程。考慮對稱性，建立1/4圓柱模型?，F場采用直徑D=1.25 m，壁厚?=0.045 m，高h=20 m 的大直徑管樁；考慮到減小邊界效應的影響，遵循土體分析半徑不小于管樁半徑的20 倍，深度方向取貫入深度2倍的原則，分析土體半徑為20 m，高度為30 m。土體均采用歐拉體，管樁采用拉格朗日體進行模擬。黏土和砂土均采用莫爾-庫倫本構模型。模擬中涉及的材料物理力學參數如表2所示。

表2 材料物理力學參數Tab.2 Mechanical Parameters for Materials

由于鋼管樁的強度遠大于土體，模擬時須對管樁施加剛體約束。樁與土體之間的接觸設置為通用接觸算法，利用罰函數定義樁土接觸，摩擦系數為0.32。在粘土上方設置2 m的空層，不對其賦予材料屬性，以達到貫入時受擠壓的下層材料流動到上層的效果。對樁周土體適當加密網格。三維模型及網格劃分如圖2 所示。在對稱面施加對稱邊界中的法向約束，對模型底部限制所有方向位移，約束弧面徑向位移?？紤]到模擬時土體對不同貫入速度存在誤差，為確保模擬精度，同時降低計算成本，經研究貫入速度取0.4 m/s 時的計算精度契合施工時樁體靜壓貫入過程［21］。限制管樁節(jié)點的所有自由度，在下沉分析步激活豎向0.4 m/s 的下沉速度，從而實現模擬貫入11.6 m的全過程。

圖2 CEL模型及網格劃分Fig.2 CEL Model and Grid Partitioning

3.1 樁身阻力分析

樁身阻力主要由3個部分提供，分別為樁端阻力、外側摩阻力以及內側摩阻力。貫入過程中3種力的變化過程［22］如圖3所示。

圖3 不同時刻樁身阻力變化規(guī)律Fig.3 Law of Pile Resistance With Time

由圖3 可知，在同一土層中，隨著貫入深度的增加，樁端阻力和內外側摩阻力均在增大。在貫入前5 s（0～2 m 深度）樁身阻力均發(fā)生顯著的線性增加，其中樁端阻力的增加最為顯著。這是因為貫入土體時，樁體的承載力主要由樁端阻力提供，土體剪切破壞主要發(fā)生在樁端。側摩阻力增長較緩慢，且外側摩阻力增長速率大于內側。

隨著樁身的連續(xù)貫入，樁身阻力的增長趨勢減緩，樁內側摩阻力逐漸趨于穩(wěn)定在305 kN 上下波動；外側摩阻力隨貫入過程仍保持線性增大但增長速率較低；承載力主要由樁端阻力提供，在貫入5～21 s（2～8.4 m）樁端阻力增幅較平緩，此時距離下臥砂層3D；21 s 后急劇增大，最終達到2 034.28 kN。貫入全程，樁端阻力始終負責主要提供樁身承載力的作用，最終樁端阻力與總側摩阻力的占比分別為65.8% 和34.2%。在總側摩阻力中，內側摩阻力的土塞效應仍在累積［23-24］，樁內土塞未與內側管壁完全接觸，外側摩阻力與內側摩阻力的占比分別為71.1%和28.9%。

3.2 樁周土力學響應

不同貫入時刻（5 s、10 s、15 s、20 s）時黏土層的Mises 應力的分布云圖如圖4 所示。最大應力集中在樁端附近，并由內而外擴散。因為在貫入過程中，主要由樁端阻力發(fā)揮作用，而樁內外側摩阻力隨貫入穩(wěn)定后才會顯現。由圖4?、圖4?所示，當貫入進行到7.2 m 時，Mises 應力分布范圍從黏土層擴散到下臥砂層，擴散范圍為樁端下方3D。

圖4 不同時刻Mises應力分布Fig.4 Mises Stress Distribution during Steel Pipe Penetration

不同貫入時刻（5 s、10 s、15 s、20 s、25 s）的黏土層塑性應變區(qū)分布圖［25-26］如圖5 所示。由圖5?～圖5?可以看出，當樁端與黏土層下邊界的距離達到4 m時，樁端塑性區(qū)未到達土底邊界。隨著距離的增加，塑性區(qū)的發(fā)展深度穩(wěn)定在1.8 m（1.5D）。樁端阻力的影響范圍為樁端以下1.5D。由圖5?可以看出，當樁端與黏土層下邊界距離達到2 m 時，塑性區(qū)發(fā)展范圍接近土層邊界，繼續(xù)下沉塑性區(qū)將擴散至下臥砂層并引起塑性區(qū)重分布，自樁端由內向外擴散，不再是僅分布于樁端與樁身。由圖5 的結果可以認為，均質黏土中樁端阻力的影響范圍為樁端以下1.5D。

圖5 不同時刻土體塑性應變云圖Fig.5 Soil Plastic Strain Cloud during Steel Pipe Penetration

4 總結

本文以廣東惠州某鋼箱坦拱橋工程為例，論述基于Abaqus 的大直徑管樁連續(xù)貫入層狀地基的數值分析方法，并與其他承載力計算方法對比分析，研究樁貫入引起周邊土體的應力響應范圍。主要結論如下：

⑴相較于混凝土樁貫入，靜壓管樁的連續(xù)貫入過程對周圍土體的擾動不大，不僅會引起土體的局部大變形，還會改變樁周土體的有效應力狀態(tài)，從而影響自身的貫入阻力以及樁基承載力，且側摩阻力發(fā)揮得更加充分。

⑵貫入過程中主要由樁端阻力承擔樁身阻力，占比達65.8%，樁端阻力對臨近下臥砂層更敏感，距離3D時便會再度快速增長；側摩阻力中以外側摩阻力為主，且隨貫入深度增大逐漸增加，內側摩阻力在貫入穩(wěn)定后趨于穩(wěn)定。

⑶針對黏土層下臥砂層工況，土體中Mises 應力擴散區(qū)域達樁端已下3D；管樁阻力影響范圍為樁端以下1.5D區(qū)域。