开口钢管桩在贯入过程中,桩端部分土体挤入桩内而逐渐形成“土塞”。土塞不仅影响沉桩阻力,同时与挤土效应密切相关。本文重点研究黏土中的土塞效应,主要研究如下:1.针对黏土中钢管桩的土塞形成机理,采用耦合欧拉拉格朗日(CEL)法模拟钢管桩的大变形沉桩过程。结合钢管桩内外土体速度场、应力场、土塞高度和增量充填比的变化分析了土塞演变和土塞形成机理,讨论了摩擦系数、桩径、软硬土夹层以及桩靴形状对土塞形成的影响,并与离心机试验和理论计算数据验证。研究结果表明,钢管桩贯入过程中土塞的演变可分为上涌期、过渡期和下滑期三个阶段。随着桩的贯入桩端下轴线处形成连续的下凹塑性拱,当此处竖向应力增量达到7~8倍不排水抗剪强度时土塞初步形成。同时土塞效应随着桩土间摩擦系数增大,桩径减小(壁厚相同)而增强;上硬下软的土层易形成完全土塞,而上软下硬的土层,硬土挤入管桩不会形成土塞。2.针对不同直径管桩沉桩过程中的挤土效应,采用CEL法,对挤土应力、土体屈服和贯入阻力进行了研究,并将圆孔扩张理论与土塞效应相结合,得出了基于土塞效应的柱形孔扩张的解析解。结果表明,挤土应力的径向影响范围约为10D(直径),竖向影响范围约为7D。桩端径向约6~7R_o(外半径)范围内的土体发生屈服。桩端阻力所占比重最小(<10%),随着桩径增加,内侧摩阻力所占比重增加,外侧摩阻力所占比重减小。管桩接近软硬土夹层时,在硬土层形成较大的径向挤土应力。3.针对非均质黏土中的土塞效应。通过对ABAQUS二次开发实现了黏土强度随深度变化和应变软化,同时结合Python程序,利用重划分网格技术解决了沉桩过程中的网格畸变问题。对土塞高度、土塞位移、贯入阻力和土体应力场进行了研究。结果表明,当沉桩深度超过3m(3.3D)时,软化对土塞的影响才逐渐显现出来。在土塞整体下移过程中,桩端开口处存在位移偏小的倒U型区域。应变软化对内侧摩阻力的影响大于外侧摩阻力,软化降低内侧摩阻力的现象主要发生在土塞下部(距桩端3.8D内)。应变软化会减弱挤土效应和桩端土拱效应。