考虑软弱夹土层的预应力管桩施工影响因素分析

1?研究背景

本研究关注河南某产业园实际工程的预应力管桩施工过程，基于有限元软件ABAQUS构建土体（欧拉体）–桩基（实体）三维数值模型（CEL方法），通过对比桩基附近软弱土层在插桩过程中的应力时间曲线以及每根桩插入前后软弱土体夹层的应力变化，分析研究了软弱夹土层的应力在预应力管桩施工过程中不同桩距及桩数下的响应规律。本研究可为软弱夹土层场地下预应力管桩施工关键技术提供重要的理论依据。

2?工程概况

某工程所在地属暖温带半湿润大陆性季风气候，本区多年平均降水量700.6?mm，降水量在季节分配上受夏季季风的进退控制。场地地处黄河冲积平原区，地层为第四系全新统河流相及上更新统河湖相沉积层，其岩性主要为粉质粘土、粉土、粉砂等。

该产业园位于河南省夏邑县跨越大道，项目总占地面积130.67万㎡ 。场地土层具体参数见表1，其中第3层为软弱土层。办公楼为地上8层、高31.3?m，基础埋深为1.5?m，桩基础采用先张法预应力混凝土管桩。

表1?场地土层相应参数

   

以河南某产业园实际工程为研究对象，根据实际施工过程，改变预应力管桩的桩距及数量，对比分析软弱夹土层场地中不同桩距及桩数对周围土层的影响规律，不同工况设置见表2。

表2?不同管桩工况对比

   

3?数值模型介绍

本研究采用大型有限元通用软件ABAQUS构建土体（欧拉体）–桩基（实体）三维数值模型。其中，场地长宽为50?m、深度为32?m（包括2?m空气区域）。桩长15?m，桩外径0.4?m、桩内径0.2?m。采用三维可变形实体创建预应力管桩；主要材料参数：密度为2?400?kg/m3，弹性模量 E =32.5?GPa，泊松比为0.2。由“Interaction”功能定义土体与预应力管桩不同介质间的主从表面接触特性：法向采用“硬”接触、切向采用“罚”接触且摩擦系数设置为0.5，该接触方式可以较好地模拟土体与管桩的相互作用关系。为简化管桩施工过程，设置管桩沉降速度为1.5?m/s。

本研究采用的CEL法作为一种常见的流固耦合算法，其根本目的是将固体问题、流体问题一起解决带来的流固耦合面不固定、迭代增量计算周期大等问题，其天然的计算资源耗费巨大，因此对于长周期的模拟完全不占优势，但是其计算精度高、收敛性较好、处理瞬态问题具有一定的优势。

因此，对土体采用三维欧拉体离散，网格最大尺寸为1?m；对预应力管桩进行三维实体单元网格细化，网格尺寸为0.25?m。基于ABAQUS建立场地土层的土体（欧拉体）–桩基（实体）三维有限元模型如图1 所示。

   

图1?基于土体（欧拉体）–桩基（实体）的三维有限元模型

4?软弱土夹层管桩施工过程及影响因素分析

在模拟管桩施工过程之前，管桩桩底均与第1层土层上表面（即空气区域下表面）相接触，其中一个在土层表面居中设置，其余沿 x 双向等间距布置。施工时最中间桩先施工沉桩，其余周围桩交替沉桩。

以预应力管桩附近的土体单元为研究对象，提取不同桩插入前后土体单元的应力，不同沉桩工况下土体应力见表3~表9。

表3?桩插入前后软弱土层土体单元应力（工况1）

   

表4?桩插入前后软弱土层土体单元应力（工况2）

   

表5?桩插入前后软弱土层土体单元应力（工况3）

   

表6?桩插入前后软弱土层土体单元应力（工况4）

   

表7?桩插入前后软弱土层土体单元应力（工况5）

   

表8?桩插入前后软弱土层土体单元应力（工况6）

   

表9?桩插入前后软弱土层土体单元应力（工况7）

   

由表3~表9可知，桩1插入后及桩2插入前各土体单元在不同工况下提取的应力误差均小于10?%，符合工程要求。桩沉入后，桩间土体受到桩的作用力产生挤压变形，使土体单元的应力增大。由工况2~工况5，仅土体单元1在桩3插入后出现工况2时应力最小，工况5时应力最大的情况；其余土体单元的应力变化为工况2~工况5依次增大。土体单元的应力随着桩距的增加而减小，这是因为桩距越大，桩对桩间土体的作用力越弱，土体的挤压变形越小，应力也会随之减小。工况6、工况7中桩4、桩5插入后，土体单元的应力均大于工况2、工况4的应力。这是由于插入桩后，桩间的土体会被挤压，随着桩数的增加，桩间土体的作用力增大，应力也会增大。

在不同沉桩工况下，土体单元1应力时间曲线如图2所示。在桩1插入过程中（0~10?s）所有工况的曲线差距不大，说明本方法具有一定的可靠性。不同沉桩工况下土体单元2应力时间曲线（工况2~工况5）如图3所示，土体单元在桩2、桩3插入过程中（10~20?s、20~30?s）工况2的应力基本大于其余工 况，工况5的应力基本较小。不同桩数下土体单元应力时间曲线如图4所示。在工况6桩沉入时土体单元应力的最大值远大于工况2桩沉入时的应力。不同工况下，应力的变化规律均与上表一致。

   

图2?不同沉桩工况下土体单元1应力时间曲线

   

图3?不同沉桩工况下土体单元2应力时间曲线 （工况2~工况5）

   

图4?不同桩数下土体单元应力时间曲线

5?结论

以河南某产业园实际工程为例，基于大型通用软件ABAQUS建立了土体（欧拉）–桩基（实体）三维CEL数值模型，考虑实际工程沉桩过程中预应力管桩不同的桩距及数量，设置了7个不同的工况，通过对比桩基附近软弱夹土层的应力随桩沉入时间的关系曲线，以及每根桩插入前后软弱土体夹层的应力变化，分析研究了软弱夹土层的应力在预应力管桩施工过程中不同桩距及桩数下的响应规律，得出以下结论。

（1）所有土体单元在桩1插入时的应力–时间曲线几乎重合，且各工况之间桩1插入后及桩2插入前的应力最大误差不超过10?%，说明该方法具有一定的可靠性；在桩插入后，桩间软弱土体受到桩的作用力而产生挤压变形，使其应力增大。

（2）软弱夹土层的土体单元应力在预应力管桩沉桩过程中呈现出随着桩距的增加而减小的趋势，这是因为桩距增大桩对桩间土体的作用力减弱，应力减小；每次桩沉桩都会对桩间的土体产生相互作用，随着桩数的增加对土体作用力增大，且应力增大。