劉澤建， 趙省民

(1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100085；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037)

軟土地基中樁基施工時(shí)的擠壓力影響

劉澤建1， 趙省民2

(1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100085；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037)

基于現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)的分析，對(duì)在軟土地基中進(jìn)行樁基施工土壤體產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析。闡明了隨著灌入樁深度的增加其端部擠壓力的變化規(guī)律以及影響范圍，并同理論計(jì)算進(jìn)行比對(duì)。針對(duì)樁基礎(chǔ)的施工過程進(jìn)行了合理控制；考慮使用群樁基礎(chǔ)施工方法對(duì)土壤體擠壓應(yīng)力的最值和趨穩(wěn)值的影響程度，并給出了合理解釋，將分析成果應(yīng)用于樁基礎(chǔ)施工將優(yōu)化原有的擠壓應(yīng)力計(jì)算方法。

樁基礎(chǔ)施工；土體擠壓應(yīng)力；測量數(shù)值；理論計(jì)算；影響范圍

0 引言

對(duì)于在具有軟土地質(zhì)特性的區(qū)域進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工，其最大的困難在于軟土地質(zhì)的影響傳遞性很強(qiáng)，一個(gè)項(xiàng)目的基坑開挖很容易影響到附近區(qū)域的地質(zhì)穩(wěn)定，導(dǎo)致影響半徑內(nèi)出現(xiàn)滑移、隆起、斷裂等地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到附近建筑物基礎(chǔ)以及地下一定埋深的管線安全，因此，關(guān)注軟土地質(zhì)的樁基礎(chǔ)施工對(duì)于土質(zhì)的擠壓應(yīng)力作用是目前業(yè)內(nèi)非常重視的工程課題。經(jīng)過對(duì)某一軟土地質(zhì)條件下的樁基礎(chǔ)施工項(xiàng)目進(jìn)行資料采集，論證了軟土地基中對(duì)于周圍土體的擠壓應(yīng)力分配規(guī)律，這些分析結(jié)論對(duì)于進(jìn)一步研究軟土應(yīng)力積累了理論資料，同時(shí)對(duì)于優(yōu)化樁基施工、減少樁裂幾率，以及控制災(zāi)害影響范圍提供了一些方法和思路。

1 現(xiàn)場施測方式

采集場地位于國內(nèi)沿海地區(qū)某項(xiàng)目部，該項(xiàng)目地處沿海軟土區(qū)。具體采集參數(shù)見表1，采集場地的高程控制在4.15～4.79 m之間，地下水埋深平均0.38 m。

表1 某項(xiàng)目部工程實(shí)地地質(zhì)情況

在該區(qū)域，計(jì)劃建設(shè)5層框剪結(jié)構(gòu)住宅，建筑物基礎(chǔ)采用沉管灌注式樁基礎(chǔ)，管外徑375 mm，長度12.9 m，將31土層作為基礎(chǔ)承壓層，樁基礎(chǔ)依照矩形分布，樁距介于1～2.5 m之間。施工區(qū)域面積總計(jì)365 m2，總計(jì)沉入302段樁基礎(chǔ)。在群樁基礎(chǔ)的中心位置預(yù)先埋設(shè)鋼管測試樁，測量樁的外徑為101 mm，長度13.8 m，一般略高于已經(jīng)沉入的樁基礎(chǔ)，測量樁外壁安裝壓力盒和壓力計(jì)，分別布置于不同的深度，間隔取3段為宜，確保每一個(gè)測量隔斷均配置至少3臺(tái)壓力計(jì)和壓力盒，分別測量不同深度3個(gè)方向的側(cè)向土體壓力和水壓力。在測量樁中貼合18組應(yīng)變片，分別埋設(shè)在不同的位置和朝向上，用于識(shí)別微小變形，在與之對(duì)應(yīng)的土體中埋設(shè)14臺(tái)壓力計(jì)，其中7臺(tái)置于矩形中心位置，3臺(tái)置于距離測量樁不同距離半徑內(nèi)，剩余的4臺(tái)分別置于矩形的4個(gè)角用于控制測量，相比之前的傳統(tǒng)埋置方式，在矩形角安置壓力計(jì)，增設(shè)了控制測量，利于檢測整個(gè)群樁基礎(chǔ)的情況。具體的側(cè)位、埋深見圖1，該流程總計(jì)花費(fèi)3.5個(gè)月的時(shí)間。

圖1 土層中側(cè)位及埋深剖面圖

2 樁基礎(chǔ)端部土體的擠壓應(yīng)力變化規(guī)律以及影響半徑

2.1 理論計(jì)算分析

由于土體屬于各項(xiàng)異性物體，在理論上很難進(jìn)行全面的模擬，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行沉管灌入樁實(shí)驗(yàn)?zāi)M依舊是很復(fù)雜的工作。以前國外科學(xué)家Vesic利用飽和黏性土在沒有進(jìn)行排水處理下得出以下分析結(jié)果。具體模擬的理論依據(jù)是：將樁基礎(chǔ)貫入式模型理想化為土體中空隙的膨脹，建立力學(xué)模型以后，利用彈塑性力學(xué)進(jìn)行求解，考慮到該問題轉(zhuǎn)化為對(duì)稱性問題，利用力學(xué)方法方便求解，得到球形空隙膨脹以后在四周的土體上形成一個(gè)彈塑性界面，其應(yīng)力、變形、位移分布均符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的飽和彈性完全塑性材料，根據(jù)公式可以求解出，球形空隙膨脹以后應(yīng)力的增量具體如下：

在塑性區(qū)域應(yīng)力分析：

在彈性區(qū)域應(yīng)力分析：

式中：Δσr為徑向應(yīng)力增量值；

由于在土體的塑性區(qū)域仍然保留有邊界位移量，為了忽略次要因素，假設(shè)塑性區(qū)域內(nèi)的土體不可壓縮，可得塑性范圍內(nèi)的p為：

μ為所研究土體的泊松比。

2.2 測量結(jié)果的分析與整合

談到在施工中進(jìn)行管樁沉入操作時(shí)，伴隨樁基礎(chǔ)的整體貫入，樁基礎(chǔ)的底部受來自土體的擠壓應(yīng)力，觀察檢測管樁在管端接觸土體傳來的擠壓應(yīng)力變化，可以利用計(jì)算機(jī)中模擬出伴隨貫入深度的增加，應(yīng)力值的大小變化。圖2是設(shè)置在埋深7.6 m處的壓力盒傳來的結(jié)果，從圖像中可以看出：貫入樁的端部在沒有接觸到土體觀測點(diǎn)時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生應(yīng)力影響，兩者之間的位移差伴隨沉樁與被測點(diǎn)距離的減小而變化。第182號(hào)樁位與觀測點(diǎn)的水平距離為0.72 m，當(dāng)沉入樁進(jìn)入土體深達(dá)3.4 m時(shí)，即距離被測點(diǎn)的高差4.4 m時(shí)，壓力計(jì)讀數(shù)開始驟然增加；樁端距離觀測點(diǎn)高差接近1 m時(shí)，土體的擠壓應(yīng)力顯著增加，當(dāng)沉入樁一接觸到土體瞬間，擠壓應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后，伴隨貫入樁的繼續(xù)深入，當(dāng)樁端超出被測點(diǎn)的標(biāo)高時(shí)，擠壓應(yīng)力將減小，并且維持在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，峰值同波動(dòng)值的比大約為1.41。這充分表明：樁基礎(chǔ)端部的徑向擠壓應(yīng)力是在沉樁階段受到的最大擠壓應(yīng)力，產(chǎn)生部位在端部同一水平面上，位于這一基準(zhǔn)面上的樁基礎(chǔ)主要承受沉入階段的摩擦力，摩擦力的大小相對(duì)恒定，相比徑向擠壓應(yīng)力小很多，但是峰值同波動(dòng)值的比值伴隨樁位同觀測點(diǎn)的水平間距的增加而降低，比如：相距5.8 m位置的第263號(hào)基礎(chǔ)，峰值與波動(dòng)值的比值接近1，詳見圖2。

迫于現(xiàn)場實(shí)測條件的約束，不能準(zhǔn)確測得緊鄰樁基礎(chǔ)貫入部分的擠壓應(yīng)力最值。根據(jù)圖表可看出距離0.75 m處的擠壓應(yīng)力峰值為140 kPa，但是，緊鄰部分的擠壓應(yīng)力必然大于140 kPa這一值。利用距離樁位水平距離H及擠壓應(yīng)力變化節(jié)點(diǎn)處樁端距離測點(diǎn)的高差V，可以計(jì)算得到樁端以下部分的擠壓應(yīng)力影響范圍T。將數(shù)據(jù)以圖形的形式記錄于圖3。

圖2 擠壓應(yīng)力隨沉樁貫入深度的變化規(guī)律

圖3 樁端以下部分土體中擠壓應(yīng)力的影響范圍

2.3 實(shí)測結(jié)果與理論估算值的比較

基于理論求解的算式可知，利用理論算法討論塑性區(qū)域膨脹壓應(yīng)力時(shí)，首先要確定土體的剛度比例E/Cu。Cu的取值一般利用三軸抗剪試驗(yàn)確定，但彈性模量的取值還很復(fù)雜，由于土體為非彈性體，各向異性，對(duì)于E的取值還有待商榷。利用實(shí)驗(yàn)室鑒定結(jié)果得到：淤泥質(zhì)黏土的剛度比率介于152～385之間。利用表1的原始數(shù)據(jù)，在不做排水處理?xiàng)l件下取μ=0.5，帶入理論算式中，可得樁端的膨脹壓力：Pu=(6.22～7.46)Cu。參照試驗(yàn)場另外3個(gè)不同埋深的Cu值，可得其余Pu值的范圍介于：77～143 kPa之間；但是，貫入樁在貫入階段對(duì)土體產(chǎn)生的剪切破壞和振動(dòng)效應(yīng)不能忽略，Rp的實(shí)際值較理論值應(yīng)變大。將理論值與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)樁端的膨脹壓力實(shí)際值同理論值可以很好擬合；但擠壓應(yīng)力的影響半徑相比塑性區(qū)域的理論計(jì)算值大約為其4.5～6.7倍。

3 軟土地質(zhì)對(duì)于樁基礎(chǔ)貫入施工工藝的影響

樁基礎(chǔ)貫入施工同土體的擠壓應(yīng)力和沉管施工工藝之間有密切的關(guān)系。圖4中表明了：同測量柱水平距離為75 cm的列向分布的樁位(135～151)壓力變化值，即使在不同的埋深深度均顯示了相同的變化規(guī)律：當(dāng)測量管樁深入到樁基礎(chǔ)的影響半徑時(shí)，并且距離較近時(shí)，土體的擠壓應(yīng)力驟增，在樁基礎(chǔ)和觀測管樁距離最近時(shí)擠壓應(yīng)力達(dá)到峰值，伴隨檢測樁向相反的方向繼續(xù)深入的過程中，土體的擠壓應(yīng)力隨之減小，最后持續(xù)在一定的數(shù)值范圍內(nèi)做微小波動(dòng)。在高程較大的土體中，峰值和穩(wěn)定值同樁基礎(chǔ)貫入前的側(cè)向土體壓應(yīng)力的比值分別介于：1.8～2.1和1.2～1.7之間；但是，在土層高程較低的位置該壓應(yīng)力的比值接近1.0，但是其穩(wěn)定值較之前的小。即距離相同的位置，由于相對(duì)貫入的方向不同其擠壓應(yīng)力有很大的區(qū)別，向著樁基礎(chǔ)的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于背著樁基礎(chǔ)的土體擠壓應(yīng)力。前者導(dǎo)致軟土密實(shí)，增加了土體的容重，加大了擠壓應(yīng)力；后者伴隨貫入深度的不斷增加，擾動(dòng)了某些已經(jīng)安定的土體，尤其在土體高程較小的位置，地面可以看到明顯的“鼓包”現(xiàn)象，擠壓應(yīng)力順著縫隙逐漸釋放，上述的規(guī)律對(duì)于配置樁基礎(chǔ)沉入的施工流程有重要指導(dǎo)意義。

圖4 軟土地質(zhì)對(duì)于樁基礎(chǔ)貫入施工工藝的影響

4 關(guān)于群樁基礎(chǔ)形式布置中土體擠壓應(yīng)力的峰值及微小波動(dòng)值理論分析

貫入樁進(jìn)入土體以后，使軟土地基逐漸密實(shí)，導(dǎo)致擠壓應(yīng)力驟增；但是，隨著施工的開展會(huì)使得已經(jīng)安定的土體重新松散，尤其是土體淺表會(huì)出現(xiàn)明顯的隆起，最終使得應(yīng)力分散。所以，在施工中土體經(jīng)歷了“松散—密實(shí)—松散”的循環(huán)過程，就理論分析，施工前土體中任意微元體均經(jīng)受來自豎向壓應(yīng)力和側(cè)向壓應(yīng)力的共同作用，并且保持自平衡，根據(jù)材料力學(xué)理論，豎向擠壓應(yīng)力是所確定應(yīng)力圓的最大應(yīng)力方向和最小應(yīng)力方向，因此，可以確定土體微元體的應(yīng)力圓，見圖5。

圖5 土體微元體的應(yīng)力分布圖

由于樁基礎(chǔ)的擠壓作用，導(dǎo)致土體的側(cè)向應(yīng)力增加，而豎向應(yīng)力不變，應(yīng)力圓在橫向縮小。如果側(cè)向擠壓應(yīng)力超過豎向應(yīng)力，最大主應(yīng)力的方向?qū)⒛孓D(zhuǎn)，應(yīng)力圓反而變大，直到側(cè)向擠壓應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，即應(yīng)力圓同土體強(qiáng)度包絡(luò)圖相切，這一瞬間前，土體仍然屬于彈性變形階段。所以，在進(jìn)行施工前，土體的側(cè)向壓應(yīng)力伴隨樁基礎(chǔ)的貫入數(shù)量增加而持續(xù)增加，一旦貫入樁的數(shù)量超過土體微元體維持線彈性的極限應(yīng)力條件，對(duì)于服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的土體將產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，即出現(xiàn)整體位移和局部隆起，由于形變?cè)黾?，?cè)向壓力由于土體松散而急劇降低，繼續(xù)貫入將造成土體更大的塑性破壞，此時(shí)側(cè)向壓應(yīng)力保持在一個(gè)范圍內(nèi)做微小波動(dòng)。

根據(jù)應(yīng)力圓同強(qiáng)度包絡(luò)圖之間的關(guān)系，可推導(dǎo)出土體發(fā)生塑性變形后的側(cè)向壓應(yīng)力與豎向壓應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系。

具體表達(dá)式如下：

經(jīng)過計(jì)算，土體的側(cè)向壓應(yīng)力穩(wěn)定值σs與觀測點(diǎn)的埋深有密切的關(guān)系：在埋深為1.2 m的表層部分，土體的穩(wěn)定值介于55～60 kPa之間，大約是豎向壓應(yīng)力的2.8倍左右；在埋深為12.8 m的土體深處，穩(wěn)定值可以高達(dá)430 kPa，此時(shí)大約為豎向壓應(yīng)力的1.76倍；而位于二者之間的中層7.6 m處，穩(wěn)定值為165 kPa，此時(shí)為豎向壓應(yīng)力的1.1倍。穩(wěn)定值之所以同埋深有密切關(guān)系，在于埋深的不同直接決定豎向壓應(yīng)力γ值的大小，在γ的作用下，土體微元體到達(dá)塑性破壞的極限，主應(yīng)力值σp不同。

考慮到土體中黏結(jié)力和應(yīng)變延后等因素的干擾，在監(jiān)測點(diǎn)靠近施工區(qū)域時(shí)，會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定值大于之前理論峰值的情況，雖然持續(xù)的時(shí)間很短，但是，這一階段的應(yīng)變影響累積效應(yīng)是不能忽略的，因?yàn)樽钪悼赡艹鲈蟹逯档?5%以上，這個(gè)參數(shù)伴隨貫入深度的增加而降低。因此，在施工中，尤其是樁基礎(chǔ)貫入前期，必須嚴(yán)格監(jiān)控測點(diǎn)壓應(yīng)力的大小，如果壓應(yīng)力超限，可以考慮，疏松周圍土層進(jìn)行釋壓，并進(jìn)行相應(yīng)的土體結(jié)構(gòu)加固，等到壓力值返回極限應(yīng)力以下再繼續(xù)施工。

5 結(jié)語

根據(jù)之前結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行的理論分析，我們不難得出以下結(jié)論：

1)樁基礎(chǔ)端部的擠壓應(yīng)力是影響施工進(jìn)度的重要因素，其影響程度遠(yuǎn)大于土體摩阻力。進(jìn)行貫入操作時(shí)，樁端的水平土體擠壓應(yīng)力最大，在端部以下部分存在一片球體影響區(qū)域，一般為20倍左右的樁基礎(chǔ)半徑大小。影響區(qū)域的半徑與塑性變形區(qū)域相比大很多，但最大擠壓應(yīng)力同理論值趨于一致。

2)土體擠壓應(yīng)力的大小與施工布置有密切關(guān)系。即便距離等同，如果在貫入階段，伴隨貫入深度的增加，取向改變以后，二者的影響程度相差甚遠(yuǎn)。

3)進(jìn)行群樁基礎(chǔ)施工時(shí)，土體的擠壓應(yīng)力會(huì)在一定范圍內(nèi)增加，最終達(dá)到峰值并在小范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)的微小波動(dòng)值與相同深度的土體微元體發(fā)生劇烈塑性變形時(shí)需要的最大主應(yīng)力可以認(rèn)為相同，但是，也不排除在具體施工中明顯高于微小波動(dòng)值的情況發(fā)生，這一點(diǎn)應(yīng)該密切留意。

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TU447

A

1673-1093(2014)01-0092-05

劉澤建，現(xiàn)就職于神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.01.021

2013-11-19；

2013-12-11