劉 賽

（沈陽(yáng)帝鉑建筑工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引言

淤泥質(zhì)土廣泛分布于江河湖泊及沿海地區(qū)，該類型土質(zhì)具有含水量高、極易壓縮、低抗剪強(qiáng)度和低荷載承載能力等特點(diǎn)[1-2]。承受壓力時(shí)，淤泥質(zhì)土結(jié)構(gòu)會(huì)被損壞，機(jī)械性能會(huì)顯著降低。淤泥質(zhì)土用作建筑地基，非常脆弱和不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，淤泥質(zhì)土地基很難滿足設(shè)計(jì)要求。因此需要在淤泥地基中設(shè)置樁基礎(chǔ)，以增加淤泥質(zhì)土場(chǎng)地的強(qiáng)度。樁基結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮地下土質(zhì)與樁體之間的摩擦阻力，同時(shí)樁體可采用預(yù)制的方式，不用現(xiàn)場(chǎng)施工，具有造價(jià)合理、施工影響范圍小、施工方便等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。樁基礎(chǔ)在樁長(zhǎng)、樁徑和預(yù)留層的選擇上有很大的自由度，施工噪音低，振動(dòng)小，可采用非破裂密集樁。但樁基成孔技術(shù)難度高，具有環(huán)境污染大、底板承載力差、基礎(chǔ)施工成本高、樁基質(zhì)量難以保證、孔工作面沉降難以控制、施工時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，這些因素對(duì)單樁承載力影響較大，必須采取有效措施保證樁身質(zhì)量，并控制樁體對(duì)土體的擠土效應(yīng)影響[5]。

管樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑、港口和碼頭，近年來(lái)在軟土地基中得到了廣泛應(yīng)用。沿海地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地基位于深厚的淤泥層中[6-7]，常常需要分析樁基施工對(duì)土體和周圍建筑物的影響，分析中不可忽視樁基作用下的擠土效應(yīng)和土體結(jié)構(gòu)位移狀況。本文以淤泥質(zhì)土場(chǎng)地的樁基工程為例，通過現(xiàn)場(chǎng)資料分析，結(jié)合數(shù)值模擬研究深厚淤泥質(zhì)土場(chǎng)地樁基施工中土體位移及其擠土效應(yīng)，為管樁在淤泥質(zhì)土地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

某建筑工程地下淤泥較深，需要進(jìn)行大面積樁基施工。為了減少施工過程擠土效應(yīng)對(duì)工程及周邊建筑物的影響，該項(xiàng)目利用數(shù)值仿真方法簡(jiǎn)要分析淤泥質(zhì)土場(chǎng)地樁基礎(chǔ)施工的擠土效應(yīng)。

擬建設(shè)施總面積約37萬(wàn)m2。場(chǎng)地上下兩側(cè)土體由人工填土、沉積物、軟土、黏性土等土質(zhì)組成。地下土層可劃分為8 個(gè)土層。勘探隊(duì)測(cè)得的地下水深度為1.29～3.21m，含水層高度為3.01～3.50m，初始水位通常略低于穩(wěn)定水位。場(chǎng)地頂部有一層很厚的濱海軟黏土，具有含水量高、極易壓縮變形、抗壓承載力低和高靈敏度的特點(diǎn)。這是一種特殊屬性的淤泥質(zhì)土層，且厚度接近30m，需要進(jìn)行沉樁處理。

2 樁基礎(chǔ)擠土效應(yīng)數(shù)值模型

由于室內(nèi)試驗(yàn)中難以準(zhǔn)確測(cè)量樁入土引起的土體位移，為研究不同方向土體擠壓變形的機(jī)理，采用淤泥質(zhì)土的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行定量模擬分析。在此基礎(chǔ)上，得出樁基施工過程中周圍土體位移的規(guī)律，以及樁徑對(duì)土體位移的影響[8]。

模型中的土壤模型采用修正后的劍橋模型，土體計(jì)算參數(shù)如表1 所示[9-10]。用ABAQUS 模擬樁的沉降過程時(shí)，可采用位移法和荷載法，其中位移法可通過樁頂荷載更容易實(shí)現(xiàn)樁的荷載加卸過程。因此本次模擬過程中，采用位移法來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬樁浸入淤泥土質(zhì)的過程。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

由于樁的變形和應(yīng)力是相關(guān)的，因此建立了以對(duì)稱軸為中心的二維軸對(duì)稱模型來(lái)模擬樁體內(nèi)部。樁徑0.025m，樁長(zhǎng)0.5m，水平長(zhǎng)度0.5m，垂直長(zhǎng)度0.8m。為了便于樁頭沉入地下，應(yīng)對(duì)樁頭形狀進(jìn)行適當(dāng)處理，樁頭應(yīng)呈三角形。由于樁的剛度明顯高于軟土，其自身變形可忽略不計(jì)，因此將樁體視為剛性體。

劃分網(wǎng)格模型時(shí)，采用方形網(wǎng)格，使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。為了考慮孔隙水壓力的輸出，模型中采用了土的cax4p模型和樁的rax2模型，網(wǎng)格尺寸橫向?yàn)?.040 m，縱向高度為0.050 m。沉樁過程中，在恒定樁壓下，模擬分析樁周變形以及樁與地面之間的摩擦和滑動(dòng)。計(jì)算方法是在接觸點(diǎn)的對(duì)側(cè)劃分樁土，此外，接觸問題由彈簧單元控制。為了考慮樁基施工引起的擠壓過程，必須確定土體位移的兩個(gè)階段。模型中分析土體類型的第一步是樁基礎(chǔ)沉入過程，持續(xù)200s。第一步增量為1s，最大為5s，最小為10-5s。土體位移分析的第二階段是樁施工期間孔隙水壓力的消散研究。分析周期為一個(gè)月，第一步增量為40s，最大增量為40000s，最小增量為40s。

由于樁管基礎(chǔ)的存在，樁基礎(chǔ)右側(cè)水平方向位移固定，即保證樁基垂直下降。左側(cè)無(wú)需確定邊界條件。樁頂荷載疊加0.5m位移，模擬樁頂沉降過程。圖1顯示了計(jì)算最終狀態(tài)后的孔隙水壓力圖。

圖1 淤泥質(zhì)土場(chǎng)地孔隙水壓力圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 土體位移隨時(shí)間變化

沉樁過程中，當(dāng)樁體移動(dòng)到相應(yīng)的土體位置時(shí)，土體中會(huì)形成超孔隙水壓力。圖2顯示了距離樁中心r=0.10m處，沉管樁接觸土體的位移曲線。根據(jù)圖中固結(jié)前后的數(shù)值繪制水平和垂直位移曲線，可以看出樁端附近土壤的水平位移小于固化土壤的水平位移，且大于遠(yuǎn)距離土體的水平位移，固結(jié)前的垂直移動(dòng)超過固結(jié)后的垂直變化位移。

圖2 不同位置擠土位移變化

沉樁完成后，利用起點(diǎn)和四個(gè)垂直節(jié)點(diǎn)對(duì)孔內(nèi)水壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?？梢钥闯?，30000s后，超孔隙水壓力幾乎全部消失，模型中的最大超孔隙水壓力為1.9kPa。

3.2 土體位移隨沉樁深度變化

為了分析不同深埋樁對(duì)樁徑向一定距離處土壓力位移的影響，分析了H=0.1m、0.2m、0.3m、0.4m和0.5m深度處的土壓力位移，研究結(jié)果表明：（1）水平位移隨樁深的增加而增大。將樁深以下的水平位移設(shè)置為0；由于淤泥質(zhì)土質(zhì)量輕且變形能力強(qiáng)，淤泥質(zhì)土體的黏結(jié)抵消了部分土體變形的影響，而地表土質(zhì)的水平位移呈現(xiàn)一種“受拉”的現(xiàn)象。

（2）隨著樁端深度的減小，淤泥土體最大水平位移出現(xiàn)在樁端以及樁端附近，使樁端壓力深度略有減緩。例如在y=-0.44m處，土體水平位移為0.08m，而y=0.5m，水平位移達(dá)到3.2 mm。

（3）豎向位移也隨樁基豎向深度的增加而增大，外表面土質(zhì)的位移為0。

（4）淤泥質(zhì)土的垂直方向不受限制，樁附近土體受擠壓時(shí)的垂直向上位移代表“升力”。隨著垂直距離的增加，由于上部土體沉降量大和下部樁的“阻力”，土體的垂直位移從“上升”逐漸變?yōu)椤跋陆怠薄?/p>

3.3 不同距離土體位移變化

為了研究一定深度樁基礎(chǔ)的淤泥土體水平位移和垂直位移分布，分析了樁后徑向間距r=0、0.04、0.08、0.12、0.16和0.20m的土體水平位移和垂直位移。可以看出，受影響土體的水平和垂直位移隨徑向距離的增加而減少。r=0.2m處土體水平位移影響不大，最大約1mm；最大垂直位移約為2.0mm，相對(duì)樁徑2.5cm可忽略不計(jì)。沉管樁的影響范圍約為樁徑的8倍。

3.4 樁基深度對(duì)土體位移的影響

為了分析樁基礎(chǔ)不同深度處土體表面的水平位移和垂直位移的變化，選擇樁深h=0.05、0.075、0.1、0.2、0.375和0.5m來(lái)分析淤泥土體的水平位移和垂直位移。研究結(jié)果表明：不同樁深對(duì)淤泥土體水平位移和垂直位移的影響大致相同。土體位移隨徑向距離的增大而減小。當(dāng)距離樁中心較遠(yuǎn)時(shí)，r=0.1m處沉樁的水平位移約為樁深的2倍，垂直位移為樁深度的4倍；沉樁0.2m深度的垂直位移約為樁基深度的2倍，垂直位移約為樁深度的3倍。如果樁深超過0.2m，受影響土體的水平和垂直位移將增加緩慢，直到保持不變。

3.5 樁徑對(duì)土體位移的影響

圖3為不同樁徑對(duì)淤泥土質(zhì)位移的影響曲線。分析直徑分別為0.03m、0.04m、0.05m和0.06m的樁作用下的土體位移，研究了不同樁徑對(duì)r=0.8m位置處土體位移的影響。結(jié)果表明：樁徑越大，水平位移和垂直位移越大。當(dāng)樁徑為0.03m、0.04m、0.05m和0.06m時(shí)，最大水平位移分別為1.4mm、2.5mm、3.5mm和4.8mm；最大土體表面水平位移分別為0.2mm、0.8mm、1.7mm和2.8 mm；最大垂直位移為-0.1mm、-0.42mm、-1.02mm、-2.5 mm。樁徑為0.05m的土體最大水平位移僅為樁徑為0.06m的土體水平位移的1/2左右。

圖3 樁徑對(duì)土體水平位移影響

3.6 不同摩擦系數(shù)對(duì)土體位移的影響

考慮樁與淤泥土體的相互作用，可以更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際樁壓力。淤泥土質(zhì)的不同導(dǎo)致土體與樁體的摩擦系數(shù)不同，進(jìn)而影響土體的位移。分別采用摩擦系數(shù)f=0、0.05、0.1 和0.15，用以分析摩擦系數(shù)對(duì)土體位移的影響。

研究結(jié)果表明：摩擦系數(shù)越大，地表水平位移和垂直位移越小，不同深度土體水平位移和垂直位移越大。這是因?yàn)闃?土相互作用界面的摩擦力對(duì)地面產(chǎn)生影響，從而減少地面的水平和垂直位移，增加深層土層的水平和垂直位移。例如：如果f=0，則土體表面的水平位移為5.5mm，不同深度土體最大水平位移為6.4mm，土體表面的垂直位移為3.5mm，不同深度土體最大垂直位移為4.0mm；如果f=0.15，則地表水平位移為3.4mm，地表以下土體最大水平位移為7.8mm，地表最大垂直位移為2.0mm，不同深度土體最大垂直位移為2.5mm。

4 沉樁擠土問題與控制措施

4.1 沉樁過程擠土效應(yīng)的不利影響

樁基施工中，土體開挖效應(yīng)和群樁累積施工效應(yīng)會(huì)增大土體擠壓效應(yīng)，威脅到工程質(zhì)量和相鄰建筑物。沉樁過程的不利影響主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）樁的傾斜或懸浮。樁基施工過程中，打樁機(jī)很難將樁準(zhǔn)確垂直打入地面。由于樁荷載不均勻，容易傾斜甚至折斷。如果樁施工期間樁間距很小，則后續(xù)預(yù)埋樁將在樁完工前被擠壓收縮。在這種情況下，后續(xù)樁基礎(chǔ)垂直移動(dòng)到上一列將導(dǎo)致樁懸浮。

（2）土體嚴(yán)重變形。如果在大型實(shí)心樁施工過程中出現(xiàn)施工誤差，樁會(huì)移動(dòng)擠壓相應(yīng)的土體，多樁疊加會(huì)導(dǎo)致土體嚴(yán)重變形。在這種情況下，土體的位移和應(yīng)力將影響樁頂?shù)姆€(wěn)定性和工程質(zhì)量。

（3）影響周圍設(shè)施。沉樁過程會(huì)引起土壓力和土體位移，尤其是在軟土地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模樁基礎(chǔ)工程施工時(shí)。同時(shí)，如果在基坑開挖過程中樁被抬高或沉降，將不可避免地影響周圍設(shè)施。

4.2 控制措施

4.2.1 設(shè)計(jì)控制

（1）增加群樁之間的距離。立樁時(shí)，第一批樁不得在打入后形成塑性區(qū)。因此，建議在保證建筑物穩(wěn)定性的前提下，盡量選擇合適的樁間距，樁間距建議為樁直徑的8倍。

（2）安裝導(dǎo)向孔。樁基施工中的土體破壞效應(yīng)是由相應(yīng)土體的位移引起的。因此，減少樁擠壓土體的體積可以減少沉管樁的影響。建議在打樁前，在打樁現(xiàn)場(chǎng)挖一個(gè)合適的打樁孔。然而，在開挖過程中，必須確保打樁兩側(cè)有足夠的摩擦阻力，以確保工程質(zhì)量。

（3）設(shè)置抗沖擊溝槽。打樁前，可在現(xiàn)場(chǎng)周圍挖一條抗沖擊溝槽，主要功能為：排水、抗擠壓和減震，以減少打樁引起的表面位移。

（4）設(shè)置應(yīng)力釋放孔。在開挖抗沖擊溝槽并將樁浸入淤泥土體之前，必須設(shè)置應(yīng)力釋放孔，以改善土體塑性區(qū)體積，減少和加速多余孔隙壓力的釋放，減少土體位移。為防止鉆孔坍塌，樁基施工前可將竹籠放入鉆孔內(nèi)。

4.2.2 施工控制

（1）合理安排打樁順序。合理的打樁順序可以減少打樁造成的擠土效應(yīng)。擠土效應(yīng)的影響與樁的沉降方向基本一致。位于建筑物附近的樁基可以使用位于建筑物另一側(cè)的樁基作為屏障。當(dāng)進(jìn)入空白區(qū)域時(shí)，“長(zhǎng)線”樁可有效減少地表位移。

（2）檢查每日打樁數(shù)量。相鄰建筑物位置，應(yīng)盡快檢查每天的最大樁數(shù)，然后在合適階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（3）設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)。開展動(dòng)態(tài)信息化施工，設(shè)置沉降位移點(diǎn)，加強(qiáng)觀測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確提供觀測(cè)信息，指導(dǎo)施工。

5 結(jié)束語(yǔ)

淤泥場(chǎng)地是我國(guó)常見的一種特殊地基。淤泥場(chǎng)地承載力差、易變形，非常不利于上部結(jié)構(gòu)施工，需要對(duì)淤泥場(chǎng)地進(jìn)行處理，增加其自身承載能力。在淤泥場(chǎng)地設(shè)置樁基礎(chǔ)是一種非常有效的處理措施。為了評(píng)估樁基礎(chǔ)對(duì)淤泥承載力的影響，需要明確樁基施工對(duì)淤泥質(zhì)土的擠土效應(yīng)。本文結(jié)合工程實(shí)例，利用ABAQUS軟件建立了樁基礎(chǔ)擠土效應(yīng)的數(shù)值模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沉管樁施工過程中的擠土效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，從土體位移隨時(shí)間變化、土體位移隨沉樁深度變化、不同距離土體位移變化、樁基深度對(duì)土體位移的影響、樁徑對(duì)土體位移的影響和不同摩擦系數(shù)對(duì)土體位移的影響六個(gè)方面對(duì)模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后闡述了沉樁擠土過程中產(chǎn)生的常見問題，并提出了減小擠土效應(yīng)的控制措施。