PHC管桩挤土效应的理论分析与有限元模拟摘要：本文首先将不同的土体参数带入圆孔扩张理论推导出的解析解中，对圆孔扩张后桩周土体的应力进行分析；其次利用Abaqus有限元软件，土体采用摩尔-库仑模型，对沉桩后桩周土体的应力位移进行分析；最后将圆孔扩张理论计算的结果与有限元模拟的结果进行对比分析，对PHC管桩的挤土效应进行分析。关键词：挤土效应；圆孔扩张理论；应力位移；Abaqus中图分类号：TM401文献标识码：A0引言目前沉桩挤土效应的常用的理论研究方法主要有圆柱孔扩张法、应变路径法及有限元法。研究金属压痕的圆柱孔扩张理论于1945年首次由Bishop提出[1]。Gibson于1961利用该理论来解决岩土工程中遇到的问题，可以分析桩的承载力及静力触探等问题，并取得了较好的效果，现已发展成为分析沉桩对周围环境影响的最为广泛的一种方法。Butterfield等[2]人首次提出将平面应变问题病变下的柱形孔扩张问题来解决桩体贯入问题；Randolph等[3]分析了粘土中沉桩产生的应力及打桩结束后土体的固结等问题；李月健等[4]推导得了沉桩时土体内产生的应力场、孔隙水压力场和打桩前后土体强度变化的解析解；刘裕华等[5]对管桩进行弹塑性分析，得到塑性区半径和土体位移等解析表达式；李月健[6]研究了打桩对砂土地基挤密效应及液化状态的研究，推导出挤土桩打桩结束后土体内产生各点应力的理论计算公式；聂重军等[7]得到了管桩桩周土的应力场、位移场和最终扩张压力的解析解答；1圆孔扩张理论1.1理论简介研究金属压痕的圆柱孔扩张理论于1945年首次由Bishop提出[8]。Gibson于1961利用该理论来解决岩土工程中遇到的问题，可以分析桩的承载力及静力触探等问题，并取得了较好的效果，现已发展成为分析沉桩对周围环境影响的最为广泛的一种方法。圆柱孔扩张理论包括圆孔扩张理论与柱孔扩张理论。运用圆孔扩张理论时常假设土体为均匀、各向同性的理想的弹塑性材料，并服从莫尔—库仑屈服准则；土体屈服不受静水压力的影响；土体中存在一个半径为R0的圆孔，受到均一的应力状态。沉桩过程可以看做是一个初始半径为R0的桩，桩尖附近土体首先塑性应变，在桩不断沉入土体的过程中，土体塑性区的范围不断扩大，至沉桩结束时，扩孔半径等于桩的外径Ru，塑性区的半径为Rp，在Rp范围之外土体保持弹性状态。利用力学平衡方程和假定的土体本构关系，进行总应力分析，求出塑性区的增量，如下图1所示。图1圆孔扩张模型1.2推导结果汪鹏程等人[9]利用M-C准则，假设土体为理想弹塑性体并服从M-C准则，将沉桩过程看作是初始孔径等于管桩内径，扩张完成后孔径等于管桩外径的圆柱形扩张过程，将问题简化为轴对称问题，推导出了圆孔扩张后弹性区与塑性区土体的应力和位移。沉桩后弹性区应力：（1）沉桩后塑性区应力：（2）（3）塑性区半径：（4）其中：；G为土的剪切模量；E为土的弹性模量；为泊松比；为土的内摩擦角；C为土的粘聚力；Ru管桩外径；Rp为塑性区半径；为桩内外径比；V为塑性区平均体积应变。1.3结果分析根据试验数据统计：各层土的土体参数如表1所示，泊松比=0.3（粉土粘土取0.35），V=0.015；桩外直径为500mm。表1各层黄土土体参数土层名称粘聚力C/KPa内摩擦角/°弹性模量E/MPa剪切模量G/MPa黄土状粉土13.3822.238.473.26黄土状粉质粘土21.414.85.351.98桩内外径比分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8时，经计算圆孔扩张后土体径向附加应力与内外径比的关系曲线如图2和3所示。图2不同的内外径比值时径向图3不同的内外径比值时径向附加应力沿径向分布曲线（粉土）附加应力沿径向分布曲线（粉质粘土）从图2和图3中可以看出：在保持桩外直径不变的前提下:（1）对于粉土或粉质粘土，当内外径比取不同值时，随着与桩距离的增大，径向附加应力逐渐减小，在塑性区变化的幅度较大，在弹性区变化较为平缓。（2）桩的内外径比越大，曲线越接近于纵坐标轴，表明圆孔扩张后形成的塑性区半径越小；即外径比值越大，塑性区半径越小。（3）当桩内外径比取值相同时，粉质粘土中产生的径向附加应力要大于粉土。桩内外径比为，将各参数分别代入塑性区半径公式中，可得粉质粘土和粉土中中圆孔扩张后的塑性区半径RP分别为：2Abaqus...