在白垩土中，采用冲击锤击法对开口型驱动桩进行的水力-力学耦合建模

《Soil & Environmental Health》：Coupled hydro-mechanical modelling of open-ended driven piles in chalk under impact hammering

石灰岩区开口端桩动态响应分析：采用耦合水力-力学的轴对称有限元模型，对比信号匹配法评估单次冲击载荷下的桩身轴位移、阻力分布及孔隙水压力演化规律。研究发现，有限元模型在桩身中上部位移预测上优于传统一维信号匹配法，但桩端残余阻力估计存在偏差，且模型未充分考虑多锤击累积损伤效应。提出需优化初始应力场、改进材料参数校准及引入考虑累积损伤的多锤击分析流程。

　　在工程领域，尤其是涉及桩基结构的设计与施工过程中，准确预测轴向承载能力是一个关键的挑战。这尤其体现在采用冲击锤进行施工的桩基上，尤其是在软质、多裂隙、易碎的碳酸盐岩如白垩土的环境中。这类岩石的特性决定了其在桩基施工过程中对结构行为的复杂影响，使得传统的动态荷载测试（HSDLT）和信号匹配方法存在一定的局限性。本文旨在探讨通过有限元分析（FE）来改进对白垩土中桩基动态响应的预测方法，从而提高工程实践中的可靠性。

在实际工程中，HSDLT被广泛用于监测桩基在打入过程中的阻力以及在沉降后的承载能力。然而，传统的信号匹配方法存在非唯一性问题，即从测试数据中难以准确得出唯一的解决方案。此外，这类方法通常无法有效模拟土体中复杂的波传播过程和土壤-结构相互作用。因此，引入更先进的动态连续体方法，例如采用耦合水力-机械模型的有限元分析，可以更全面地捕捉这些复杂现象。通过这种方式，研究者能够更准确地模拟桩基在不同深度的承载行为，以及施工过程中引起的孔隙水压力变化和时间依赖性轴向阻力的演化。

在实际施工过程中，桩基的安装会对周围白垩土的结构产生显著影响。例如，桩体周围的土体可能会因冲击作用而发生局部破坏，形成一个类似软膏的区域，这种区域通常被称为“Zone A”。此外，随着施工的深入，桩体下方的土体可能会进一步产生裂隙，形成“Zone B”，这些区域的土体特性与未受扰动的“Zone C”存在显著差异。这些结构变化会显著影响桩基的承载性能，使其在施工过程中的阻力低于长期服役时的承载能力。因此，在模拟桩基动态响应时，必须考虑这些安装效应，以更准确地反映实际工程条件。

为了更好地模拟这些现象，本文采用了轴对称的有限元模型，并将桩基周围的白垩土划分为多个区域，分别赋予不同的材料参数。这些参数基于实验室和现场的高精度测试结果进行校准，包括剪切模量、渗透率、凝聚力和内摩擦角等。通过这种方式，有限元模型能够更真实地反映桩基在不同区域的应力-应变行为，以及孔隙水压力的变化。同时，模型还考虑了辐射阻尼和塑性阻尼的作用，以更精确地模拟土体的动态响应。

在实际测试中，桩基的动态响应通常受到多种因素的影响，包括冲击力的大小、桩体的几何特性、土体的初始应力状态以及渗透性等。通过将现场测量数据与有限元模拟结果进行对比，研究者发现有限元模型在预测桩基顶部位移和轴向阻力方面表现出更高的准确性。尽管信号匹配方法在某些情况下能够提供合理的预测结果，但其在模拟复杂土体行为和时间依赖性响应方面仍存在不足。

此外，研究还发现，有限元模型在模拟桩基安装效应时，能够更准确地捕捉到土体的非线性行为和能量耗散过程。通过分析桩基在不同深度的应力-应变曲线，研究者发现桩基在安装过程中产生的塑性变形对土体的承载能力有重要影响。特别是在“Zone A”中，由于土体的结构破坏，其承载能力显著降低，而“Zone B”中的裂隙则进一步影响了土体的力学特性。

在实际工程中，孔隙水压力的变化对桩基的动态响应有重要影响。例如，在桩基受到冲击力作用时，孔隙水压力会迅速上升，随后在一定时间内逐渐消散。然而，传统的信号匹配方法往往无法准确模拟这一过程，因为其通常忽略了土体中复杂的水力行为。而有限元模型则能够更详细地模拟孔隙水压力的生成和消散，从而为工程实践提供更可靠的数据支持。

为了进一步提高有限元模型的准确性，研究者提出了若干改进措施。这些措施包括：在模型中采用更真实的初始应力条件，以反映现场施工前的土体状态；对桩基周围的土体特性进行更精细的划分，以捕捉不同区域的力学差异；优化渗透率模型，使其更符合现场测试结果；以及对多击测试进行模拟，以更全面地反映桩基在长期服役过程中的承载能力变化。

总的来说，本文通过有限元分析的方法，深入探讨了桩基在白垩土中的动态响应机制，为工程实践提供了新的见解。通过对比信号匹配方法和有限元模拟结果，研究者发现有限元方法在预测桩基承载能力方面具有更高的准确性，尤其是在模拟土体的非线性行为和孔隙水压力变化方面。这些发现不仅有助于改进现有的预测方法，也为未来的工程实践提供了新的思路和技术支持。