论文引读与观点概要
管桩因其承载力高、施工便捷、运输方便等优势被广泛应用于各类构筑物基础的建设中[1]。开口管桩在沉桩过程中，桩端部分土体会被挤入桩内形成土塞。由于桩体尺寸、沉桩方式、土体性质等因素的影响，开口管桩会呈现完全闭塞，部分闭塞和完全非闭塞的状态[2]。土塞状态的改变会对管桩沉桩阻力和承载特性产生极大影响[3-4]。
目前，对开口管桩中土塞效应的研究主要包括理论、试验和数值模拟3个方面。在理论研究方面，Randolph等[5]基于土塞单元的静力平衡方程，求解了土塞中有效应力分布特征，建立了考虑土塞参数和加载速率的土塞承载力计算方程。郑俊杰等[6]基于圆孔扩张理论分析了管桩沉桩过程中土塞效应和挤土效应的相互作用特性。刘润等[7]考虑动力打桩过程中土塞所受的惯性力作用，提出了考虑惯性力影响的土塞拟静力平衡分析法。上述模型为土塞与管桩的相互作用分析提供了重要理论参考，但本质上仍是基于静力平衡方程，无法真实反映土塞与管桩的真实作用特征。试验是揭示桩土相互作用机理最可靠的手段[8-9]。然而由于管桩特殊的结构形式与施工扰动，无法通过应变片等手段对桩身各部分阻力进行区分，因此，多是在闭口管桩阻力计算公式的基础上引入经验系数来反映开口管桩的承载特性[9-10]。随着内外双壁管桩[9, 11]的出现，对土塞阻力的测量成为可能，这也进一步加深了土塞效应对管桩沉桩阻力与承载特性影响的认识；此外，粒子图像测速技术（particle image velocimetry）[12]、CT扫描技术[13]等新技术也被成功应用于土塞形成与演化机理的研究中。然而，上述技术手段成本高、尺寸受限，且难以模拟不同工况下，因此需要更为高效合理的手段对试验结果进行补充。近年来，考虑颗粒散体特性的离散元数值模拟方法被广泛应用于土塞效应的研究中[14-15]。周健等[14]基于半桩模型试验和离散元模拟，对砂土地基中静压管桩的沉桩过程进行了模拟，将土塞形成过程分为：初始阶段，主动拱形成阶段，被动拱形成阶段。Li等[15]基于离散元方法，分析了不同沉桩方式下土塞的演化过程，建立了桩侧土-管桩-土塞相互作用模型。上述数值模拟工作极大丰富了对管桩成塞机制的认识，但主要关注于土塞本身的形成与演化机理，土塞效应如何影响管桩的沉桩过程以及承载力发挥仍需深入研究。
本文拟采用离散元方法对砂土地基中静压开口管桩的沉桩与承载全过程进行研究。从宏细观角度出发，基于土体变形特性、土塞参数发展规律、贯入阻力等内容的分析，明确土塞对管桩沉桩阻力和承载特性发挥的影响，建立考虑土塞效应的管桩承载特性计算方法。
本文基于离散元方法，对开口管桩沉桩与承载全过程进行了模拟，从宏细观角度分析了土塞效应的发挥机制及其对管桩承载特性的影响，得到以下4点结论。
（1）相较于土塞率（PLR），土塞增长率（IFR）对土塞状态的变化更为敏感。在现场难以测得IFR的情况下，可以通过PLR基于线形拟合关系对IFR值进行预测。
（2）土塞阻力的发挥趋势与IFR值变化趋势有较高的相似性，其大小同时受土塞效应和土塞尺寸的影响。
（3）开口管桩在静载作用下，内部土塞可以看作是“柔性桩”从桩端往上加载，土塞的荷载-位移响应呈近似弹塑性特征。
（4）基于离散元数值模拟结果，提出了考虑CPT锥尖阻力、土塞效应、管桩尺寸效应的静压开口管桩桩端阻力经验计算公式。
本文将开口管桩的三维贯入过程简化为平面应变问题。尽管本次二维离散元模型很好地揭示了土塞的形成过程与开口管桩的承载机制，仍需开展基于现场沉桩试验数据的三维离散元模拟分析，从而实现对开口管桩土塞效应的量化分析与承载力的准确设计。
