摘要：针对静压桩施工对邻近地下结构侧墙土压力的影响问题，采用PFC2D颗粒流软件，建立了模拟静压桩压桩施工过程的离散元数值模型，研究分析了静压桩的挤土效应对地下结构侧墙土压力的影响规律，并对影响静压桩挤土效应的因素进行了参数分析。研究结果表明：静压桩施工会使邻近地下结构上的土压力显著增加，静压桩挤土效应的影响范围不只局限于桩体所在的深度范围，而是按沿一定角度扩散到地基深处。
关键词：颗粒流；静压桩；挤土效应；地下结构；土压力
Particle flow simulation of earth pressure on underground structure due to the compacting effect of jacked pile
LIU Xinglu
（Dezhou Shandong province Communications Engineering Supervision Corporation，Dezhou 253005，China）
Abstract：The earth pressure on sidewall of underground structure due to the construction of jacked pile was simulated by particle flow code（PFC2D），which is based on DEM.The compacting effect of jacked pile and its effects on the earth pressure on sidewall were analyzed and discussed in detail.Further，the effects of parameters of jacked pile on earth pressure，including the diameter and the distance between pile and underground structure，were also investigated.The results shows that the construction of jacked pile can effect the earth pressure on adjacent underground structure greatly，and the compacting effect of jacked pile has a larger range of influence，and spreads to deep ground according to a certain angle.
Keywords：particle flow code；jacked pile；compacting effect；underground structure；earth pressure
0 绪论
随着我国城镇化进程的加速，城市土地资源日趋紧张，高层、超高层建筑日益密集，地铁、地下商业街等地下综合体也日渐增多。城市土地的密集开发造成建筑周边环境条件越来越复杂，地基基础施工时往往会对邻近建筑物、地下结构等造成不良影响，特别是静压桩施工时产生的挤土效应[1-2]，对周边地下管线、基坑支护和地下结构产生较大的侧向挤压，从而引发一些列的工程问题。例如，文献[3]报道了一个静压桩施工造成邻近软土基坑局部坍塌的案例。
针对静压桩施工对周边环境影响的问题，国内外众多学者开展了一些研究工作，并取得了一定的研究成果。罗战友等[4]采用有限元法对静压桩挤土效应及其影响因素进行了分析。张建新等[5]通过室内模型试验分析了软土中群桩施工时引起的土体侧向位移和地表隆起状况。贾志刚等[6]对PHC管桩静压施工引起的土层深层位移和超孔隙水压力进行现场检测研究。张亚国等[7]对软黏土中静压沉桩引起的侧限挤土位移进行了研究。针对静压桩挤土效应对地下结构的影响问题，陈军等[8]研究了沉桩挤土对既有隧道位移和附加内力的影响规律。孙厚超等[9]采用模型试验研究了沉桩挤土对临近基坑的影响。
针对静压桩施工对邻近地下结构侧墙土压力的影响问题，本文采用颗粒流软件PFC2D建立了静压桩施工的离散元模型，研究分析了静压桩施工过程中地下结构侧墙土压力的变化规律，并对影响地下结构侧墙土压力的关键施工参数进行了研究。
1 PFC2D模型的建立
1.1 颗粒流的PFC2D简介[10]
二维颗粒流程序PFC2D是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用，是模拟固体力学和颗粒流复杂问题的一种有效工具。PFC2D既可解决静态问题也可解决动态问题，既可用于参数预测，也可用于在原始资料详细情况下的实际模拟。
PFC2D软件是以牛顿第二定律和接触模型（力—位移定律）为基础，对模型进行循环迭代计算，直至整个模型达到静力平衡（或稳定状态）。接触模型是颗粒流软件PFC2D的核心，常用的接触本构模型为Coulomb滑动的线性接触模型，通过该接触模型计算颗粒之间的接触应力和“重叠”。PFC2D中的接触形式有“球—球”接触和“球—墙”接触两种形式。
在每一个时间步，颗粒集合体（计算模型）中的每一个颗粒的运动都可按照牛顿第二定律进行计算，即颗粒的位移可由作用在颗粒上的合力和转动力矩根据牛顿第二定律、时间步 的大小，采用显式有限差分格式计算得到。当整个模型中的每一个颗粒的速度趋于零的时候，即整个系统达到静力平衡状态上，模型计算完成。此外，当整个系统的能量无法通过摩擦作用快速耗散时，为了更快的达到平衡状态已节约计算时间，通常在运动方程中加入阻尼效应。
1.2 静压桩施工颗粒流模型的建立
为简化分析，降低计算量，本文做了如下假定：
（1）地下结构侧墙采用颗粒流的墙体模拟，且假定墙体不产生任何位移和变形；侧墙共分为10段，土压力强度为每段墙上的不平衡力除以该段墙体面积；
（2）地基土体采用10~30mm的球体进行模拟；
（3）静压桩采用颗粒流中的Clump来模拟，且按一定速度匀速压入地基中；
（4）由于已施工静压桩的屏蔽作用，仅考虑1根静压桩的贯入影响。
本研究建立的PFC2D模型如图1所示，其中，地基深度为10m，地基计算宽度为5m，静压桩桩长为5m（含锥形桩尖）、桩径0.25m。地基土颗粒生成后，颗粒集合体在自重应力下平衡（重力加速度取10m/s2），平衡后的颗粒集合体高度为，作为基本计算模型。
图2 静压桩贯入过程的PFC2D模拟
由图2可知，静压桩尚未贯入时，地基处于自重应力状态，地基下部的接触应力较大，表明该处的应力水平较高；随着静压桩的贯入，由于压桩力的作用使得桩尖处接触应力很大，并通过地基土颗粒与颗粒之间的力链向四周扩散，从而产生挤土效应；当静压桩贯入结束后，由于静压桩的挤土效应使得桩底附近的土体应力水平显著提高，并且这种挤土效应不随着压桩施工的结束而消散。
在静压桩压入过程中，静压桩的挤土效应会对地下结构侧墙产生较大影响，作用在侧墙的土压力也随之增大。对比图2（a）和（c）可知，静压桩施工完成后，桩长范围内与地下结构侧墙上相接触的土颗粒的接触应力显著增大，表明作用在侧墙的土压力有明显的提高，从而对地下结构产生不利影响。
根据1.2节所述土压力的确定方法，计算得到静压桩压入过程中作用在地下结构侧墙上土压力，计算结果如图3所示。其中，作用在地下结构侧墙上的静止土压力理论值是根据 计算得到，一般情况下，砂土的静止土压力系数为0.3~0.5[11]，砾石土的 更低，本文取 。
图3 静压桩压入过程中地下结构侧墙土压力的变化
由图3可知，自重状态下，作用在地下结构侧墙上的土压力接近静止压力的理论值，但由于颗粒材料通过颗粒与颗粒之间的接触来传递荷载，这使得作用在侧墙上的土压力分布不再是单纯的线性增加。
随着静压桩的压入，由于静压桩的挤土效应，作用在侧墙上的土压力有显著的增加，在本算例中，大约增加了2~3倍。此外，静压桩挤土效应的影响范围不仅仅是桩体所在的深度范围，而是由颗粒材料间力链向下扩散到很深的范围。随着压入深度的增加，桩尖以下范围侧墙上的土压力增加显著，而桩身范围内土压力变化不大，例如，从静压桩从压入2m到压入4m时，2m以上侧墙土压力变化相对较小，而2m以下侧墙土压力增加显著。
根据上述分析，静压桩的压桩施工会对周边产生显著的挤土效应，使得邻近地下结构、支护结构等上的土压力显著增加，且静压桩挤土效应的影响范围很大，在静压桩施工时应充分考虑静压桩挤土效应，防止工程事故的发生。
3 静压桩参数对地下结构侧墙土压力的影响
静压桩施工产生的挤土效应主要受两个因素的影响较大，一个是静压桩距其他构筑物的距离，一个是静压桩的桩径。在分析静压桩参数对地下结构侧墙土压力的影响时，本文主要考虑桩径和距其他构筑物距离的影响。
3.1 静压桩与地下结构间距的影响
为分析静压桩与地下结构间距对地下结构侧墙土压力的影响，静压桩与地下结构间的距离分别取1.0m、2.0m、3.0m和4.0m，计算结果如图4所示。
图4 静压桩与地下结构的间距对侧墙土压力的影响
由图4可知，静压桩施工结束后，静压桩距地下结构的距离对桩底以上范围地下结构侧墙上的土压力影响不大，这可能因为本文地基土较为密实的原因。静压桩距地下结构较近时，其对桩底附近范围侧墙上的土压力影响较大；随着静压桩与地下结构间距的增加，地下结构侧墙土压力受影响的区域越来越深。例如，静压桩距地下结构1m时，桩底上下1m范围内土压力最大；而当静压桩距地下结构4m时，地下9m左右侧墙上的土压力最大。上述结果表明，静压桩的挤土效应与竖向荷载作用类似，存在一个应力扩散角度。
3.2 静压桩桩径的影响
为分析静压桩桩径对地下结构侧墙土压力的影响，静压桩桩径分别取0.2m、0.3m和0.4m，计算结果如图5所示。
图5 静压桩桩径对侧墙土压力的影响
由图5可知，在桩底以上范围，地下结构侧墙上的土压力受静压桩桩径影响相对较小；而在桩底以下范围，静压桩桩径对地下结构侧墙上的土压力影响相对较大，桩径越大，静压桩的挤土效应越显著，其对土压力的影响也就越大。
4 结论
本文采用PFC2D颗粒流软件，建立了静压桩施工对地下结构侧墙土压力影响的数值模型，研究分析了静压桩施工过程中地下结构侧墙土压力的变化规律，并对静压桩桩径、距地下结构距离对土压力的影响进行了计算，研究结果表明：
（1）静压桩压桩施工对邻近地下结构侧墙土压力影响很大，使地下结构侧墙上的土压力显著升高，且这种影响不随着静压桩施工的结束而消失；
（2）静压桩挤土效应的影响范围不仅仅是桩体所在的深度范围，而是按沿一定角度扩散到地基深处；
（3）静压桩桩径对桩底以上区域地下结构侧墙土压力的影响不大，而桩底以下区域地下结构侧墙土压力随着桩径的增大而有一定程度的增加。
参考文献
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论文作者:刘兴禄
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/6
标签：静压论文; 地下论文; 压力论文; 结构论文; 颗粒论文; 效应论文; 模型论文; 《建筑学研究前沿》2018年第11期论文;