張磊

【摘要】飽和軟土地基中樁基設(shè)計和施工的一個重要限制因素是其對周圍環(huán)境的影響。樁基施工時產(chǎn)生的巨大擠壓作用， 會使樁區(qū)及附近相當(dāng)范圍內(nèi)的土體發(fā)生向上隆起和水平位移， 樁體上抬、偏位、折斷時有發(fā)生。有時因危及周圍管線、地面道路和建筑物的安全還不得不改變原有設(shè)計，軟土地基中樁基施工的擠壓效應(yīng)及其預(yù)防措施是巖土工程界高度重視的問題。本文對樁基施工過程中對土的擠壓力進行了研究。

【關(guān)鍵詞】軟土地基；樁基施工；擠壓力；

通過對一樁基工程中實測資料的分析， 得到了關(guān)于軟土地基中樁基施工時產(chǎn)生的擠壓力的一些規(guī)律， 并與已有的理論解進行了對比. 這些結(jié)果可為進一步的理論研究和機理探討積累資料和經(jīng)驗， 也可為改進樁基施工工序、采用合理措施減少斷樁和對鄰近建筑物的危害提供依據(jù).

一、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

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。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；R p 為土體塑性區(qū)域的半徑大小；r 為土體離開樁基礎(chǔ)形心的距離；C u 為土體在不做排水處理下的抗剪強度。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，其核心理論就是將單個灌注樁周圍要研究的土體理想化為一個彈塑性模型，雖然式中的參數(shù)已很明確，但是確定參數(shù)值的過程仍然很復(fù)雜，由于土體受外界環(huán)境因素影響復(fù)雜，參數(shù)的值沒有普適性，因此，上述算式只有經(jīng)過具體的工程實際修正后，方可在工程計算中直接使用。

2.測量結(jié)果的分析與整合。圖1是設(shè)置在埋深7.6m 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0.72m，當(dāng)沉入樁進入土體深達3.4 m時，即距離被測點的高差4.4m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增加而降低。

二、 施工流程的影響

樁基施工時對土的擠壓力與沉樁的施工流程有關(guān)，圖2是與量測樁相距75 cm的一排樁（ #137～#153樁） 施工時測出的壓力變化。在不同的測點埋深處， 都顯示了這樣一個共同的規(guī)律： 當(dāng)量測樁進入沉樁的影響范圍并相距越來越近時（從左向右）， 擠壓力增長很快， 并當(dāng)沉樁樁位與量測樁最近時達到峰值。隨著沉樁樁位背向量測樁逐漸遠去， 對量測樁的擠壓力也漸漸降低， 并保持在某一基本穩(wěn)定的水平上。在深層土中， 峰值及穩(wěn)定值與沉樁前的側(cè)向土壓力之比， 分別為1. 7～ 2.0和1.3～ 1.6； 但在淺層土中， 峰值與沉樁前壓力值之比僅為1.2， 而沉樁后的穩(wěn)定值反而小于沉樁前的。這也就是說， 即使距離相同，向著被影響物漸近的樁產(chǎn)生的影響比背著被影響物遠去的樁所產(chǎn)生的要大得多。

三、關(guān)于群樁基礎(chǔ)形式布置中土體擠壓應(yīng)力分析

1.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。

2.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γh 值的大小，在γh 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。

3.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。

結(jié)合現(xiàn)場理論分析，我們不難得出以下結(jié)論：一是土體擠壓應(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。二是進行群樁基礎(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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