基于CEL数值模拟的Franki桩沉桩波动传播动态分析及其对邻近早龄期混凝土桩的影响研究

　　本文针对Franki桩沉桩过程中产生的波动传播及其对邻近早龄期混凝土桩的潜在损伤问题，采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）数值模拟方法，开展了桩基施工动态响应的精细化研究。通过构建包含Hypoplastic本构模型的土体-结构相互作用体系，成功模拟了离散锤击作用下的波动传播规律，揭示了波动在含邻近桩条件下的衰减特性与反射机制，为桩群施工振动控制提供了重要理论依据。

　　

在基础工程建设领域，Franki桩作为一种高效承载力桩型，其独特的沉桩工艺——通过重型圆柱锤反复冲击将钢套管打入土层——在带来显著工程优势的同时，也埋藏着潜在风险。当进行群桩施工时，先期安装的桩体混凝土尚处于强度发展的关键阶段，后续相邻桩体沉桩产生的应力波在土体中传播，可能对早龄期混凝土造成不可见的内部损伤。这种损伤具有隐蔽性强、检测难度大的特点，一旦形成将直接威胁整体结构的安全性与耐久性。传统的现场试验方法虽然直观，但受限于成本高昂、周期漫长且难以复现复杂工况，使得精细量化波动传播规律与影响程度成为行业难题。

为攻克这一难题，研究人员转向了先进的数值模拟技术。本研究发表于《Spanish Journal of Legal Medicine》，创新性地运用了耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）这一适用于大变形问题的高阶算法，对Franki桩沉桩过程进行了动态仿真。该研究并非模拟全过程，而是聚焦于会产生最强振动的后期 gravel 混合物夯击阶段，通过再现离散的锤击作用，深入探究波动能量的产生、传播与衰减机制。

研究团队在技术方法上主要依托于有限元软件ABAQUS（2021版）的显式分析模块。其核心是构建了一个三维的CEL模型，其中土体（砂土）与桩端的砾石塞被定义为欧拉域（Eulerian Domain），用以模拟材料的大变形和流动；而钢套管和锤头则作为拉格朗日域（Lagrangian Domain），视为刚性体。土体的力学行为采用能精确描述颗粒材料非线性、压硬性等特性的Hypoplastic本构模型（引入Karlsruhe砂和Hochstetten砾石的参数）进行刻画。模型建立了20米深的均质砂土地基，并采用1/4对称模型以提升计算效率。边界条件设置方面，模型底部固定，侧向约束位移，并设置了非反射边界以消除虚假波反射。加载过程通过一系列分析步精确控制：首先建立地应力平衡，随后赋予锤体初始速度（模拟从2米高自由落体等效获得的速度）使其冲击砾石塞，从而激发应力波。研究通过布设一系列监测点，记录了不同距离和深度处的土体粒子加速度时程，以此分析波动在三个方向（水平X向、环向YZ平面、竖向Z向）的传播与衰减特性。

研究结果部分通过多个维度揭示了波动传播的规律。

波动传播模式：模拟成功捕捉到锤击瞬间产生的应力波以冲击点为中心，呈放射状向外扩散的过程。波动能量随着传播距离的增加而逐渐耗散，表现为加速度幅值的显著衰减。竖向加速度的幅值远高于其他方向，表明沉桩产生的振动以竖向传播为主导。

波动衰减规律：通过对不同距离监测点的数据分析，得到了波动加速度随距离增加的衰减曲线。衰减是由几何扩散（能量分布面积增大）和材料阻尼（土体自身耗能）共同作用的结果。在均匀土体假设下，该衰减模式符合预期。

邻近桩效应：在引入预先设置的邻近混凝土桩（相距3米）后，波动场发生显著变化。在朝向邻近桩的方向（X方向），波动传播至桩体时，一部分能量穿透混凝土桩继续传播，另一部分能量则被反射回土体中。这导致该方向上的波动衰减规律相较于无桩方向（Y方向）更为复杂，且在5米距离处出现加速度值的异常降低，这是波反射与透射叠加效应的体现。

深度效应：对比浅层（0.5米）和较深（2.5米）处相同径向距离的监测点，发现深层土体的加速度响应更大。这主要归因于Hypoplastic模型所描述的土体刚度随深度增加而增大的特性（压硬性），使得波动能量更倾向于向刚度更高的深层区域传播，形成了一种“郁金香”形的非球形波前。

归纳研究结论与讨论，本研究证实了采用CEL方法辅以Hypoplastic本构模型，能够有效且真实地模拟Franki桩沉桩这一涉及大变形和复杂土-结构相互作用的动态过程。数值模拟结果显示，沉桩振动以竖向为主，其强度随距离增加而衰减，而既有的邻近桩体会改变波动场的分布，引起波的反射和透射，从而改变其衰减模式。这些发现对于评估沉桩振动对周边环境（包括邻近构筑物和早龄期混凝土桩）的影响具有重要的工程指导意义。该模型作为一个强大的研究工具，为后续深入探究多种影响因素（如锤击能量、土体性质、桩间距、混凝土龄期与流变特性）打下了坚实基础。通过与未来现场试验数据（Tilat and Henke, 2024a）的验证，此模型有望成为优化桩基工程设计、预测施工振动风险、保障工程安全与可靠性的关键性数值平台。