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user: 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 Table 1 Physical and mechanical parameters of formatio 材料 泊松比 密度 弹性模量 粘聚力 摩擦角 渗透系数 kg/m3 /MPa /KPa /度 cm/s 粘性素填土 0.34 1670 12.8 15 12 7.5E−4 淤泥质土 0.30 1710 9.8 6 1.8 1.6E−8 粘土质粗砂 0.32 1820 20.8 22 20 8.5E−4 砂质粘性土 0.30 1830 18.4 21 20 4.34E−5 全风化混合花岗岩 0.30 1900 28 24 22 3.56E−5 砂土状强风化花岗岩 0.26 1930 40 30 32 1.20E−4 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%。