高素芹，原建博，余 沛

(1.信陽學院 土木工程學院，河南 信陽464000；2.武漢光谷建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢430205)

靜壓預制樁具有施工工期短，質(zhì)量易控制，以及施工過程震動小、低噪聲、無泥漿污染等優(yōu)點，在軟土地區(qū)城市工程建設(shè)中應用已相當廣泛[1-8]。靜壓樁施工由于存在擠土效應，造成既有城市道路、建筑物、地下管線不同程度破壞的事故時有發(fā)生，當臨近既有物周邊進行靜壓樁施工不可避免時，采取合理的措施來減小擠土效應對既有建筑物或構(gòu)筑物的危害是十分必要的[9-13]。

本文將采用大型通用有限元軟件ABAQUS，以靜壓排樁貫入對地下管線的影響為例，研究防擠槽及應力釋放孔在減小排樁貫入對既有管線產(chǎn)生擠土效應方面的作用，在研究應力釋放孔減小擠土效應時，采取不同孔徑、不同孔間距、不同孔深，來研究孔徑、孔間距、孔深等因素對減小擠土效應效果的影響，為靜壓排樁貫入施工提供理論參考與借鑒。

1 三維有限元建模參數(shù)選取

1.1 基本原理假定及參數(shù)選取

(1)土體采用莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，樁和管道的材質(zhì)為鋼筋混凝土，采用彈性模型，總應力法，接觸方式選用的是面與面接觸。

(2)考慮地應力平衡、樁與土的摩擦、管道與土的摩擦、大變形、樁的連續(xù)貫入過程等使三維數(shù)值模擬效果更符合工程實際壓樁過程。

(3)實際靜壓排樁的貫入, 擴張半徑從0開始, 但如果在數(shù)值計算中采用零半徑, 將產(chǎn)生無窮大的環(huán)向應變, 所以應假定沉樁前土體存在初始半徑，在樁貫入處預留一個直徑為0.1 m的小孔，考慮三維有限元軟件的運行內(nèi)存，在三維建模中不再繪制周邊構(gòu)筑物或管線，應力釋放孔模型如圖1所示。

圖1 應力釋放孔的模型圖

(4)在地應力平衡處和樁體貫入處，土體底面固定x、y和z三個方向的位移，土體側(cè)面和管道只限制其相應垂直面的位移。地應力平衡時，三根樁全部固定，第一根樁貫入時，給第一樁一個豎向位移量使其貫入，第二樁和第三樁仍然固定；第二個貫入時，給第二樁一個豎向位移使其貫入，同時釋放第一樁的邊界條件，使其可被第二樁貫入而被向上抬升及排開，第三樁仍然固定；第三根樁貫入時，給第三樁一個豎向位移使其貫入，在第一樁邊界條件放開的情況下，放開第二樁的邊界條件[14-15]。

1.2 參數(shù)選取

模型的土體視為單層均質(zhì)土體，土體長度為60 m，樁徑0.6 m，相鄰樁的距離為3 m，管道埋深3 m，管道與樁體距離4 m，樁尖與水平面夾角為75°，鑒于樁身光滑的原因，管道外直徑0.8 m，內(nèi)直徑0.7 m，樁與土、管與土視為摩擦接觸，模型中采用摩擦系數(shù)0.05，劃分網(wǎng)格時土體、樁體和管道都采用了C3D8R單元。土體、管道、樁體的參數(shù)如表1。

表1 模型的材料參數(shù)

2 防擠槽在減小擠土效應方面的研究

在樁體貫入?yún)^(qū)域和被保護管道及管線之間開挖一定數(shù)量的防擠槽，其與樁長的關(guān)系如圖2所示。

圖2 樁體、防擠槽、被保護物的關(guān)系

模型槽寬為1 m，槽中心距樁體軸線2.5 m，距管道軸線1.5 m，各樁之間距離及樁體與管道距離、管道埋深等與無防擠措施時的條件相同。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過規(guī)范計算模型槽深H≥3.97 m才能起到保護管道的作用，模型取槽深為4.5 m。

實際工程中可以在槽內(nèi)回填一定數(shù)量的松砂或其他松散材料，可以避免槽壁坍塌及地基淺層的位移，有利于保護淺埋的地下管線，數(shù)值模擬中，由于受有限元軟件的限制很難考慮實際工程中發(fā)生的方方面面，在三維數(shù)值模擬中把防擠槽位置處的土體進行挖除[16]。

2.1 應力分析

通過圖3可看出，靜壓排樁貫入無防擠槽時，三根樁全部貫入對臨近既有地下管線產(chǎn)生的大主應力累計值的最大值為4 255 kPa，而在排樁與地下管線之間挖防擠槽后，三根樁全部貫入對臨近既有地下管線產(chǎn)生的大主應力累計值的最大值僅為1 453 kPa，大主應力減小幅度約為65.85%?？梢姡谂艠都氨槐Ｗo既有管道之間開挖深度滿足要求的防擠槽，

圖3 有無防擠措施下管道大主應力對比

能較大程度上減小靜壓樁貫入時對臨近管道或管線產(chǎn)生應力，起到保護既有管道的作用。

2.2 位移分析

通過圖4、圖5可以看出，靜壓排樁與既有管道之間無防擠槽時，三根樁全部貫入對臨近既有地下管線產(chǎn)生的水平位移U1的累計值的最大值約為12.31 mm，而挖防擠槽后，三根樁全部貫入對臨近既有地下管線產(chǎn)生的水平位移U1的累計值的最大值僅約為4.54 mm，水平位移U1減小幅度約為63.12%；無防擠槽時，三根樁全部貫入對臨近既有地下管線產(chǎn)生的豎向位移U2的累計值的最大值約為3.83 mm，而挖防擠槽后，三根樁全部貫入對臨近既有地下管線產(chǎn)生的豎向位移U2的累計值的最大值僅約為1.73 mm，豎向位移U1減小幅度約為54.83%。可見，在排樁及被保護既有管道之間開挖深度滿足要求的防擠槽，能很大程度上減小靜壓樁貫入時造成的臨近既有管道的位移，起到保護既有管道的作用。

圖4 有無防擠措施下管道水平位移U1對比

圖5 有無防擠措施下管道豎向位移U2對比

3 應力釋放孔在減小擠土效應方面的研究及三維數(shù)值分析

在打樁影響的核心區(qū)域預設(shè)了十三個應力釋放孔，從理論上講應力釋放孔的深度要超過既有管道的埋深，為了研究應力釋放孔的孔徑、孔深、相鄰兩孔的距離等因素在減小樁體貫入產(chǎn)生的擠土效應對臨近管道的影響，以靜壓排樁貫入對臨近地下管線為例，建立五個相關(guān)的模型，模型一的參數(shù)為孔徑0.5 m、深10 m、鄰孔距離1.5 m；模型二的參數(shù)為孔徑0.6 m、深10 m、鄰孔距離1.5 m；模型三的參數(shù)為孔徑0.5 m、深5 m、鄰孔距離1.5 m；模型四的參數(shù)為孔徑0.6 m、深10 m、鄰孔距離2 m；模型五無應力釋放孔。各種模型信息下臨近的地下管線的大主應力和位移如表2所示。

表2 模型信息及應力、位移

3.1 孔徑的影響

以表2中模型一、二、五中地下管線的大主應力及位移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析應力釋放孔與孔徑之間的關(guān)系，進一步分析孔徑大小對既有管道之間的擠土效應。

(a)大主應力對比

(b)水平位移U1

(c)豎向位移U2

通過表2、圖6(a)可以看出：模型五的大主應力的最大值為4 255.00 kPa，采用模型一的布孔方式，大主應力的最大值為3 834.82 kPa，與模型五相比，大主應力降低420.18 kPa，大主應力降低9.87%；采用模型二的布孔方式時，大主應力的最大值為3 196.37 kPa，與模型五相比較，大主應力降低1 058.63 kPa，大主應力降低24.88%。通過模型一與模型二對比發(fā)現(xiàn)，同等條件下 ，模型二比模型一的應力釋放孔孔徑增加了0.1 m，相應的大主應力降低638.45 kPa，降低幅度為16.65%。

通過表2、圖6(b)可以看出：模型五的水平位移U1的最大值為12.31 mm，采用模型一的布孔方式，水平位移U1的最大值為9.97 mm，與模型五比，水平位移U1降低2.34 mm,水平位移U1降低19.01%；采用模型二的布孔方式時，水平位移U1的最大值為8.41 mm，與模型五比，水平位移U1降低3.9 mm,水平位移U1降低31.68%。通過模型一與模型二對比發(fā)現(xiàn)，同等條件下，模型二比模型一的應力釋放孔孔徑增加了0.1 m，相應的水平位移U1降低了1.56 mm，降低幅度為15.65%。

通過表2、圖6(c)可看出：模型五的豎向位移U2的最大值為3.83 mm；采用模型一的布孔方式時，豎向位移U2的最大值為2.59 mm，與模型五相比，豎向位移U2降低1.24 mm，豎向位移U2降低32.38%；采用模型二的布孔方式時，豎向位移U2最大值為1.48 mm，與模型五相比，豎向位移U2降低2.35mm，豎向位移U2降低61.36%。通過模型一與模型二對比發(fā)現(xiàn)，同等條件下 ，模型二比模型一的應力釋放孔孔徑增加了0.1 m，相應的豎向位移U2降低1.11 mm，兩者相比，降低幅度為42.86%。

3.2 孔深的影響

以模型一、三、五中地下管線的大主應力及位移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析應力釋放孔與孔深之間的關(guān)系，進一步分析孔深大小對既有管道之間的擠土效應。

通過表2、圖7(a)可以看出：采用模型三的布孔方式時，臨近地下管線的大主應力的最大值為4 074.47 kPa，與模型五相比較，大主應力降低180.53 kPa，大主應力降低4.24%。模型三與模型一對比，孔深淺了5 m，模型三比模型一的大主應力大239.65 kPa，與模型一相比，大主應力增大6.25%。

(a)大主應力對比

(b)水平位移U1

(c)豎向位移U2

通過表2、圖7(b)可以看出：采用模型三的布孔方式時，臨近地下管線的水平位移U1的最大值為10.34 mm，與模型五比，水平位移U1降低1.97 mm,水平位移U1降低16.00%。模型三與模型一對比，孔深淺了5 m，模型三比模型一的水平位移U1大0.37 mm，與模型一相比，水平位移U1增大3.71%。

通過表2、圖7(c)可以看出：采用模型三的布孔方式時，臨近地下管線的豎向位移U2的最大值為3.60 mm，與模型五相比較，豎向位移U2降低0.23 mm，豎向位移U2降低6.0%。模型三與模型一對比，孔深淺了5 m，模型三比模型一的豎向位移U2大1.02 mm，與模型一相比，豎向位移U2增大39.53%。

3.3 孔間距的影響

以模型二、四、五中地下管線的大主應力及位移數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析應力釋放孔與孔間距之間的關(guān)系，進一步分析孔間距大小對既有管道之間的擠土效應。

(a)大主應力對比

(b)水平位移U1

(c)豎向位移U2

通過表2、圖8(a)看出：采用模型四的布孔方式時，臨近地下管線的大主應力的最大值為4 714.84 kPa，比無應力釋放孔的模型五大了459.84 kPa，大主應力增加10.81%。模型四與模型二相比，孔間距大0.5m，大主應力增加1 518.47 kPa，與模型二相比，大主應力增加47.51%。

模型四與模型二相比區(qū)別僅在于孔間距不同，至于為何相對無應力釋放孔的模型五，大主應力出現(xiàn)一個增加，另外一個減小的情況，研究結(jié)果表明，設(shè)置應力釋放孔能否達到減小樁體貫入對臨近地下管道產(chǎn)生應力的目的與相鄰應力釋放孔的距離密切相關(guān)。應力釋放孔的相鄰孔距離近時，能減小管道產(chǎn)生的應力，應力釋放孔的相鄰孔距離較遠時，設(shè)置應力釋放孔可能反而使管道產(chǎn)生的應力增加。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于設(shè)置應力釋放孔會產(chǎn)生兩種作用：一是設(shè)置應力釋放孔，使靜壓樁擠土產(chǎn)生的應力在應力釋放孔處釋放，減小傳達到管道的應力；二是設(shè)置應力釋放孔，使靜壓樁擠土產(chǎn)生的應力在相鄰兩個應力釋放孔之間的土體處產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，應力集中會增大傳達到管道的應力。設(shè)置應力釋放孔后實際上是兩種作用綜合后的結(jié)果，相鄰應力釋放孔距離比較近時，第一種情況的作用大于第二種情況，表現(xiàn)為最終減小了傳達到管道應力。而應力釋放孔距離較遠時，第二種情況的作用大于第一種情況的作用，表現(xiàn)為最終增大了傳達到管道應力。

通過表2、圖8(b)看出：采用模型四的布孔方式時，臨近地下管線的水平位移U1的最大值為11.27 mm，與模型五相比較，水平位移U1降低1.04 mm，水平位移U1降低8.45%；模型四與模型二相比，孔間距大0.5 m，水平位移U1大2.86 mm，與模型二相比，水平位移U1增大34%。

通過表2、圖8(c)看出：采用模型四的布孔方式時，臨近地下管線的豎向位移U2的最大值為2.99 mm，與模型五相比較，豎向位移U2降低0.84 mm，豎向位移U2降低21.93%。模型四與模型二相比，孔間距大0.5 m，豎向位移U2大1.51 mm，與模型二相比，豎向位移U2增大102.03%。

4 結(jié)論

文章采用大型通用有限元軟件ABAQUS，研究了靜壓排樁貫入對臨近既有埋地管線的影響，從孔徑、孔深及孔間距三個方面分析靜壓排樁貫入的擠土效應，得出如下結(jié)論：

(1)在樁體和臨近被保護物之間開挖防擠槽，可以有效降低靜壓排樁的擠土效應，進一步降低既有管線的應力和位移。

(2)根據(jù)ABAQUS有限元軟件分析，應力釋放孔采用“密孔”，當應力釋放孔間距小于3d(d為應力釋放孔直徑)，擠土效應產(chǎn)生的水平位移和豎向位移最小。

(3)應力釋放孔的孔深超過既有管線的埋深后，擠土效應產(chǎn)生的大主應力及水平位移U1隨孔深的加大而減小，豎向位移U2隨孔深的加大減小幅度很大。大主應力及水平位移U1的最大值的取值位置不受應力釋放孔的孔徑、孔深、孔間距影響，而豎向位移U2的最大值的取值位置隨應力釋放孔的孔徑、孔深、孔間距的變化而變化。