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，對在軟土地基中進行樁基施工土壤體產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力進行了計算分析。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，并同理論計算進行比對。針對樁基礎(chǔ)的施工過程進行了合理控制；考慮使用群樁基礎(chǔ)施工方法對土壤體擠壓應(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)力計算方法。

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

0 引言

對于在具有軟土地質(zhì)特性的區(qū)域進行樁基礎(chǔ)施工，其最大的困難在于軟土地質(zhì)的影響傳遞性很強，一個項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)過對某一軟土地質(zhì)條件下的樁基礎(chǔ)施工項目進行資料采集，論證了軟土地基中對于周圍土體的擠壓應(yīng)力分配規(guī)律，這些分析結(jié)論對于進一步研究軟土應(yīng)力積累了理論資料，同時對于優(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)某項目部，該項目地處沿海軟土區(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 某項目部工程實地地質(zhì)情況

在該區(qū)域，計劃建設(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365 m2，總計沉入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，分別布置于不同的深度，間隔取3段為宜，確保每一個測量隔斷均配置至少3臺壓力計和壓力盒，分別測量不同深度3個方向的側(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，用于識別微小變形，在與之對應(yīng)的土體中埋設(shè)14臺壓力計，其中7臺置于矩形中心位置，3臺置于距離測量樁不同距離半徑內(nèi)，剩余的4臺分別置于矩形的4個角用于控制測量，相比之前的傳統(tǒng)埋置方式，在矩形角安置壓力計，增設(shè)了控制測量，利于檢測整個群樁基礎(chǔ)的情況。具體的側(cè)位、埋深見圖1，該流程總計花費3.5個月的時間。

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 理論計算分析

由于土體屬于各項異性物體，在理論上很難進行全面的模擬，在實驗室進行沉管灌入樁實驗?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)進行求解，考慮到該問題轉(zhuǎn)化為對稱性問題，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

談到在施工中進行管樁沉入操作時，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，可以利用計算機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時已經(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距離的減小而變化。第182號樁位與觀測點的水平距離為0.72 m，當(dāng)沉入樁進入土體深達3.4 m時，即距離被測點的高差4.4 m時，壓力計讀數(shù)開始驟然增加；樁端距離觀測點高差接近1 m時，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)樁端超出被測點的標(biāo)高時，擠壓應(yīng)力將減小，并且維持在一個范圍內(nèi)波動，峰值同波動值的比大約為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，摩擦力的大小相對恒定，相比徑向擠壓應(yīng)力小很多，但是峰值同波動值的比值伴隨樁位同觀測點的水平間距的增加而降低，比如：相距5.8 m位置的第263號基礎(chǔ)，峰值與波動值的比值接近1，詳見圖2。

迫于現(xiàn)場實測條件的約束，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)點處樁端距離測點的高差V，可以計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，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，對于E的取值還有待商榷。利用實驗室鑒定結(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)，在不做排水處理條件下取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。參照試驗場另外3個不同埋深的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土體產(chǎn)生的剪切破壞和振動效應(yīng)不能忽略，Rp的實際值較理論值應(yīng)變大。將理論值與實際值進行比對，發(fā)現(xiàn)樁端的膨脹壓力實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)域的理論計算值大約為其4.5～6.7倍。

3 軟土地質(zhì)對于樁基礎(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，并且距離較近時，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擠壓應(yīng)力達到峰值，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。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，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值理論分析

貫入樁進入土體以后，使軟土地基逐漸密實，導(dǎo)致擠壓應(yīng)力驟增；但是，隨著施工的開展會使得已經(jīng)安定的土體重新松散，尤其是土體淺表會出現(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—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)力達到峰值時，即應(yīng)力圓同土體強度包絡(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，由于形變增加，側(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，此時側(cè)向壓應(yīng)力保持在一個范圍內(nèi)做微小波動。

根據(jù)應(yīng)力圓同強度包絡(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。

具體表達式如下：

經(jīng)過計算，土體的側(cè)向壓應(yīng)力穩(wěn)定值σs與觀測點的埋深有密切的關(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430 kPa，此時大約為豎向壓應(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)測點靠近施工區(qū)域時，會暫時出現(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，因為最值可能超出原有峰值的15%以上，這個參數(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，疏松周圍土層進行釋壓，并進行相應(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)場實測進行的理論分析，我們不難得出以下結(jié)論：

1)樁基礎(chǔ)端部的擠壓應(yīng)力是影響施工進度的重要因素，其影響程度遠大于土體摩阻力。進行貫入操作時，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。

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