邻近斜坡沉桩挤土三维数值模拟研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 4.12MB 77 页 15积分

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摘要

近年来，随着中国城市建设和港口码头等行业的迅速发展，静压桩已广泛应

用于工程实际，基于非轴对称施工条件静压沉桩挤土效应对工程影响甚为不利。

本文借助有限元软件ABAQUS，对三维邻近斜坡不同工况条件下沉桩挤土进行数

值模拟，探讨了三维邻近斜坡条件下沉桩机理和挤土效应，指出控制沉桩挤土效

应的措施，对于减少沉桩引起的斜坡滑坡等工程事故具有重要意义。主要研究成

果有：

(1) 采用有限元方法研究三维邻近斜坡单桩沉桩挤土效应，并与理论推导结

果进行相互验证，借助控制变量的方法，分析参数变化对斜坡及桩周土体位移的

影响规律。

(2) 由于成层斜坡土体符合工程实际，通过分层设置土体，对均质斜坡、双

层斜坡和夹层斜坡沉桩进行三维数值模拟，由于软硬土层土体特性不同，导致成

层土体不同于均质土体斜坡沉桩挤土位移变化规律，造成在不同土层交界处产生

较大的应力突变。

(3) 通过模拟三维邻近斜坡两根桩沉桩过程，探究不同沉桩顺序条件下产生

的挤土位移，结果表明先沉入桩体对后续沉入桩体具有遮帘效应，限制后续沉桩

挤土位移。

(4) 邻近斜坡静压沉桩对斜坡稳定性产生影响，通过模拟分析不同沉桩深度

对斜坡稳定性的影响，得出了安全系数随沉桩深度的变化规律，且对邻近斜坡沉

桩挤土位移控制措施进行了分析和总结，所得结论对工程设计和斜坡稳定具有一

定的参考意义。

关键词：邻近斜坡沉桩三维模拟位移贯入法

Abstract

ABSTRACT

With the wide use of jacked pile, adverse effects of pile driving pile on

thesurrounding environment is becoming more and more serious. However, the

previous researches of soil squeezing effect were almost proposed based on large

amount of assumptions and simplifies, which result in large gap with practical

engineering. In this paper, a three-dimensional numerical model is conducted to

simulate the pile driving process by software of ABAQUS, which consider the effect of

initial earth stress. And the research on the influence of the sinking pile depth, the

distance from the top of pile, cohesive strength, angle of internal friction, slope angle

and other parameters, is conducted by control variables method. The results show that:

the horizontal displacement of soil resulted from squeezing effect is varied (first

increases then decreases) with the length of pile; the distance from the top of pile and

slope angle have significant influence on the compacting displacement; cohesive

strength and angle of internal friction have a certain effect on the compacting

displacement in a certain range. The experimental results reveal the soil squeezing

performance caused by pile driving adjacent to slope and the mechanism for slope

deformation, and provide reference for designing practical engineering, setting

construction parameters

Key Words: Adjacent to slope, Pile driving, Three-dimensional

numerical simulation, The displacement penetration method,

Compacting displacement

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................................................................................... 1

1.1 选题背景及研究意义 ........................................................................................... 1

1.2 轴对称边界下沉桩挤土研究现状 ...................................................................... 2

1.2.1 理论分析研究 ............................................................................................... 2

1.2.2 数值模拟研究 ............................................................................................... 4

1.2.3 试验研究 ....................................................................................................... 6

1.3 邻近斜坡边界下沉桩挤土研究现状 .................................................................. 7

1.4 本文研究内容、创新点及技术路线 .................................................................. 8

1.4.1 研究思路及主要内容.................................................................................. 8

1.4.2 技术路线 ...................................................................................................... 9

第二章邻近斜坡单桩沉桩挤土效应数值模拟研究 .................................................... 10

2.1 引言 ...................................................................................................................... 10

2.2 基本理论 .............................................................................................................. 10

2.2.1 基本假定及模型的建立 ............................................................................ 10

2.2.2 M-C 本构模型............................................................................................. 12

2.3 邻近斜坡沉桩数值模拟软件的应用 ................................................................ 12

2.3.1 ABAQUS 软件简介.................................................................................... 12

2.3.2 平衡地应力方法的应用 ........................................................................... 13

2.3.3 ABAQUS 模拟邻近斜坡沉桩.................................................................. 14

2.3.4 位移数据后处理 ......................................................................................... 15

2.4 对本文解答的讨论及验证................................................................................. 15

2.5 参数影响分析 .................................................................................................... 16

2.5.1 斜坡角度影响分析 .................................................................................... 16

2.5.2 沉桩深度影响分析 .................................................................................... 18

2.5.3 桩距斜坡距离影响分析 ........................................................................... 20

2.5.4 内摩擦角影响分析 .................................................................................... 23

2.5.5 粘聚力影响分析 ........................................................................................ 25

2.5.6 弹性模量影响分析 .................................................................................... 28

2.5.7 泊松比影响分析 ........................................................................................ 30

上海理工大学硕士学位论文

2.6 本章小结 .............................................................................................................. 32

第三章邻近层状土斜坡沉桩挤土效应研究 ................................................................. 33

3.1 引言 ....................................................................................................................... 33

3.2 基本假定及模型的建立 ...................................................................................... 33

3.3 双层土体邻近斜坡沉桩挤土效应 ..................................................................... 34

3.3.1 上硬下软沉桩挤土分析............................................................................... 34

3.3.2 上软下硬沉桩挤土分析............................................................................... 35

3.4 夹层土体邻近斜坡沉桩挤土效应 ..................................................................... 36

3.4.1 夹硬土层沉桩挤土分析............................................................................... 36

3.4.2 夹软土层沉桩挤土分析............................................................................... 37

3.5 本章小结 ............................................................................................................... 39

第四章邻近斜坡群桩沉桩挤土效应研究 ..................................................................... 41

4.1 引言 ...................................................................................................................... 41

4.2 基本假定及模型的建立 ..................................................................................... 41

4.3 沉桩顺序对沉桩挤土位移的影响 ................................................................... 42

4.3.1 先A后B沉桩挤土分析 .......................................................................... 42

4.3.2 先B后A沉桩挤土分析 ........................................................................... 47

4.4 本章小结 .............................................................................................................. 51

第五章邻近斜坡静压沉桩稳定性研究 ......................................................................... 53

5.1 引言 ...................................................................................................................... 53

5.2 强度折减法.......................................................................................................... 53

5.2.1 强度折减法基本原理................................................................................ 53

5.2.2 屈服准则和本构模型的选择 ................................................................... 53

5.2.3 临界状态判断准则 .................................................................................... 54

5.2.4 有限元方法引入的误差分析 ................................................................... 55

5.3 基本假定及模型的建立 ..................................................................................... 56

5.4 稳定性分析......................................................................................................... 57

5.4.1 沉桩云图分析 ............................................................................................ 57

5.4.2 斜坡安全系数分析 .................................................................................... 59

5.5 本章小结 .............................................................................................................. 60

第六章减少邻近斜坡沉桩挤土效应的施工措施 ......................................................... 61

6.1 引言 ...................................................................................................................... 61

6.2 预钻孔措施下沉桩挤土效应分析 .................................................................... 61

6.2.1 土体计算参数 ............................................................................................ 61

6.2.2 预钻孔孔径对挤土效应的影响分析....................................................... 62

6.3 沉桩过程控制挤土效应的常见措施 ................................................................ 64

6.3.1 土体性质的影响分析................................................................................ 64

6.3.2 土体几何参数的的影响分析 ................................................................... 65

6.3.3 沉桩顺序的影响分析................................................................................ 65

6.4 控制挤土效应的其它常见措施 ........................................................................ 65

6.5 本章小结 .............................................................................................................. 66

第七章结论与展望 ........................................................................................................... 67

7.1 本文研究主要结论 ............................................................................................. 67

7.2 进一步的研究工作 ............................................................................................. 67

参考文献 ............................................................................................................................. 68

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................. 73

致谢 ...................................................................................................................................... 74

第一章绪论

1.1 选题背景及研究意义

静压桩具有噪音低、振动小、施工清洁等优点，在城市快速建设中应用较为

广泛。随着施工条件的制约，实际工程中较多施工场地所处的环境存在邻近斜坡

位移边界条件，例如码头等邻近斜坡沉桩问题。土体原始结构形态在静压沉桩施

工中受到破坏，产生的挤土效应容易造成斜坡及桩周土体水平位移和隆起变形等

不利现象，甚至发生工程事故。因而针对邻近斜坡静压沉桩产生的挤土位移及其

影响因素进行分析，进而为具体工程设计和施工提供指导意见具有一定的现实意

义和社会效益。

静压桩在饱和软土中沉入桩体将排出相同体积的土体，并产生巨大侧向挤压

力，土体发生过分扰动而强度明显降低，对周边环境造成一定不利影响，甚至引

发工程事故。工程施工过程中，邻近斜坡沉桩施工环境较为常见，沉桩产生的挤

土效应可能使土体在静压沉桩施工过程中发生变形或失稳，引起工程事故，给工

程建设方带来巨大的经济损失。例如荻港沉桩前因忽略沉桩对斜坡稳定的不利影

响，导致已沉入的桩和斜坡同时下滑，造成 500 万元的经济损失[1]；上海张华浜

码头沉桩之前没有考虑沉桩对斜坡稳定的不利影响，造成沉入桩体和斜坡发生滑

坡[2]；南京新生圩码头早期沉桩过程中出现了岸坡滑移，由于采取措施才避免造

成严重的后果[2]；浙江舟山港 20 万吨级码头的系缆墩区，在土体性质薄弱区沉桩

且打桩速度过快，每天不间隔沉入十三根桩，造成岸坡多达 1m 位移，由于码头

岸坡滑移变形过大造成一个系缆墩和沉入桩完全滑入海中，损失巨大[3]。袁和平

(2006)[4]认为这类工程事故在沿海地区经常发生，不仅经济损失惨重，甚至造成

人员伤亡，教训意义非常深刻。

由于静压沉桩特有的优点，使其广泛应用于在现代城市建设中，然而静压沉

桩土体变化机理十分复杂，虽然学者很早就展开了研究，但至今对沉桩挤土效应、

挤土位移变化规律的了解仍相对缺乏，造成的工程事故时有发生。因而，针对邻

近斜坡静压沉桩积极研究，弄清邻近斜坡静压沉桩挤土位移变化规律具有重要的

理论和实际应用价值。

邻近斜坡边界条件对沉桩挤土效应的影响不容忽视，尤其邻近斜坡、岸坡工

程边界下沉桩常对坡体造成挤压等负面影响，以往这种不利情况并引起足够的重

上海理工大学硕士学位论文

视，有时尝试设计利用已沉入桩体遮拦效应控制土体位移。当前邻近斜坡位移边

界条件沉桩挤土效应研究主要在二维空间进行分析，展开三维邻近斜坡沉桩挤土

效应的研究具有重要意义，且在实际工程设计时，考虑邻近斜坡边界条件下附加

土体侧移作用的影响，以确保工程设计安全和经济合理，为实际工程设计、施工

参数设置以及挤土位移控制提供参考。因此，本课题的研究不仅具有一定的学术

和工程实践价值，更具有广阔的应用前景。

现今国内外学者对斜坡沉桩挤土效应的研究尚未成熟，虽然形成一些理论框

架，由于理论资料匮乏、可行性较低较少应用于实践工程中。因此研究三维邻近

斜坡静压沉桩挤土效应机理是一个重要的课题。邻近斜坡边界条件下沉桩挤土机

理问题是轴对称边界条件下沉桩课题研究的进一步拓展，对沉桩挤土位移变化规

律进行分析探讨，对确保邻近斜坡边界下沉桩问题的工程安全及控制挤土位移具

有重要作用，研究和探讨邻近斜坡边界条件下沉桩挤土机理和分析计算方法，已

成为一项势在必行的工作。

1.2 轴对称边界下沉桩挤土研究现状

静压沉桩涉及影响因素较多，包括变形、模型假定、破坏准则等因素。桩与

土的相互作用机理更是一个复杂的问题，具有丰富的研究内容，其中的挤土效应

是对周围环境的的主要影响因素，近年来的主要围绕挤土效应进行研究。从上世

纪中期开始，静压桩问题已经作为较多研究者的对象，采用的方法有圆孔扩张法、

应变路径法、有限元法等方法。目前，国内外学者针对轴对称边界条件下沉桩产

生的挤土效应以及对土体强度的影响，已取得较好的研究成果。下面结合本文研

究目标，从以下三个方面对本文研究密切相关的内容进行简要回顾：(1) 理论分

析方法；(2) 数值分析方法；(3) 试验研究方法。

1.2.1 理论分析研究

(1) 圆孔扩张理论

Butterfield R et al.[5](1968)最早提出借助平面应变的柱形孔扩张来解答桩贯入

解，以若干假定为前提利用弹塑性理论为前提建立了解答的基本方程。

Vesic(1972)[6]假定土体为理想弹塑性，采用Mohr-Coulomb本构模型，计算出无边

界可压缩理想假定土体的基本解。Randolph(1979)[7~9]将圆孔扩张理论结合有限元

法应用在粘性土体中沉桩，在二维轴对称应变轴模型中产生的应力及随后的固结，

第一章绪论

沉桩刚结束时，桩周土体进入修正剑桥模型，超孔隙水压力沿水流的径向消散，

并利用Biot一维固结方程进行分析。Carter等(1986)[10]以土体服从M-C屈服准则和

非相关联流动法则条件下，解决了小应变条件下土体球形孔扩张问题，并给出了

位移解答。Yu和Houlsby(1991)[11]假定土体服从非相关流M-C准则，考虑土体的剪

胀性和塑性，研究土体大应变球孔和圆柱孔扩张问题的扩张压力的解析解。

Salgado等(1997)[12]借助K-G模型给出了砂性土体圆柱孔扩张问题的解答，并对模

型试验进行了验证。王启铜等(1993)[13]和龚晓南等(1994)[14]分别通过Tresca屈服准

则、M-C屈服准则分析了不同材料拉压模量的球孔扩张和圆柱孔扩张问题的表达

式。蒋明镜等(1995，1996，1997)[15~17]借助Tresca准则、M-C准则和双剪统一强度

理论研究了圆柱孔扩张问题，并引入了“损伤”概念推导了土体位移场及扩张压

力的计算公式。张季如(2002)[18]利用能量守恒和体变平衡原理，借助粒状土的应

力-应变-体变关系及非线性关系，利用球孔扩张理论分析出极限压力对于分析静

力触探及贯入阻力有重要作用。王幼青(2003)[19]假定土体服从邓肯屈服准则，分

析了弹性范围应力与位移的关系，得出了圆柱孔扩张问题的理论解答。汪鹏程等

(2004)[20]假定土体服从双剪统一强度理论，考虑土体主应力、剪胀性等特点，探

究了圆柱、球孔扩张的相关问题。李波和栾茂田(2006)[21]假定土体服从SMP准则

及相关联流动屈服准则，得出土体剪胀特性和应变软化条件下圆柱孔扩张的解答。

自从20世纪80年代起，静压沉桩对周围土体影响的主要分析方法圆孔扩张法，

且此方法不仅计算简单且参数容易在工程中获得，具有显著优点。然而该方法有

一重要局限性，即将一维解析式应用于实际工程中的三维问题，解答值显然仅考

虑径向坐标，没考虑坐标深度的影响，也没有考虑孔壁竖向摩擦力。

因此，很多国内学者针对球孔和圆孔扩张理论进行不断的修正和改进。金安

石(2001)[22]首先假定桩侧摩阻力的分布特征，计算出任意处土体位移值，再通过

与Vesic解答叠加，考虑了沉桩侧摩阻力的影响。黄院雄等(2000)[23]、朱宁等

(2006)[24]通过修正地表应力边界条件，将无限土体中球孔扩张与镜像球孔扩张解

答叠加(源-汇理论)，探究了半无限土体中球孔扩张问题。

(2) 应变路径法

圆孔扩张法存在一定缺点，因此Baligh(1985)[25]经过十多年研究出了应变路

径法，该方法假定土体匀质不排水且各向同性，土体变形受无粘性理想流体制约，

不考虑本构关系仍可准确确定土体位移场，换言之利用流体力学中源和均匀竖向

方向流场的概念，推导出速度积分进而得出土体变形，进而通过位移微分求出应

变，将沉桩模拟为光滑圆头以单个边界以匀速沿竖向沉桩过程，得出了土体位移

和应变的变化规律。Sagaseta(1987)[26]借助源与汇理论，计算出了整个沉桩后地表

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摘要：

摘要近年来，随着中国城市建设和港口码头等行业的迅速发展，静压桩已广泛应用于工程实际，基于非轴对称施工条件静压沉桩挤土效应对工程影响甚为不利。本文借助有限元软件ABAQUS，对三维邻近斜坡不同工况条件下沉桩挤土进行数值模拟，探讨了三维邻近斜坡条件下沉桩机理和挤土效应，指出控制沉桩挤土效应的措施，对于减少沉桩引起的斜坡滑坡等工程事故具有重要意义。主要研究成果有：(1)采用有限元方法研究三维邻近斜坡单桩沉桩挤土效应，并与理论推导结果进行相互验证，借助控制变量的方法，分析参数变化对斜坡及桩周土体位移的影响规律。(2)由于成层斜坡土体符合工程实际，通过分层设置土体，对均质斜坡、双层斜坡和夹层斜坡沉桩进行...

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