软土地基中桩基施工时的挤压力影响

刘泽建， 赵省民

(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 100085；2.中国地质科学院，北京 100037)

软土地基中桩基施工时的挤压力影响

刘泽建1， 赵省民2

(1.神华地质勘查有限责任公司，北京 100085；2.中国地质科学院，北京 100037)

基于现场原始数据的分析，对在软土地基中进行桩基施工土壤体产生的挤压应力进行了计算分析。阐明了随着灌入桩深度的增加其端部挤压力的变化规律以及影响范围，并同理论计算进行比对。针对桩基础的施工过程进行了合理控制；考虑使用群桩基础施工方法对土壤体挤压应力的最值和趋稳值的影响程度，并给出了合理解释，将分析成果应用于桩基础施工将优化原有的挤压应力计算方法。

桩基础施工；土体挤压应力；测量数值；理论计算；影响范围

0 引言

对于在具有软土地质特性的区域进行桩基础施工，其最大的困难在于软土地质的影响传递性很强，一个项目的基坑开挖很容易影响到附近区域的地质稳定，导致影响半径内出现滑移、隆起、断裂等地质现象，严重威胁到附近建筑物基础以及地下一定埋深的管线安全，因此，关注软土地质的桩基础施工对于土质的挤压应力作用是目前业内非常重视的工程课题。经过对某一软土地质条件下的桩基础施工项目进行资料采集，论证了软土地基中对于周围土体的挤压应力分配规律，这些分析结论对于进一步研究软土应力积累了理论资料，同时对于优化桩基施工、减少桩裂几率，以及控制灾害影响范围提供了一些方法和思路。

1 现场施测方式

采集场地位于国内沿海地区某项目部，该项目地处沿海软土区。具体采集参数见表1，采集场地的高程控制在4.15～4.79 m之间，地下水埋深平均0.38 m。

表1 某项目部工程实地地质情况

在该区域，计划建设5层框剪结构住宅，建筑物基础采用沉管灌注式桩基础，管外径375 mm，长度12.9 m，将31土层作为基础承压层，桩基础依照矩形分布，桩距介于1～2.5 m之间。施工区域面积总计365 m2，总计沉入302段桩基础。在群桩基础的中心位置预先埋设钢管测试桩，测量桩的外径为101 mm，长度13.8 m，一般略高于已经沉入的桩基础，测量桩外壁安装压力盒和压力计，分别布置于不同的深度，间隔取3段为宜，确保每一个测量隔断均配置至少3台压力计和压力盒，分别测量不同深度3个方向的侧向土体压力和水压力。在测量桩中贴合18组应变片，分别埋设在不同的位置和朝向上，用于识别微小变形，在与之对应的土体中埋设14台压力计，其中7台置于矩形中心位置，3台置于距离测量桩不同距离半径内，剩余的4台分别置于矩形的4个角用于控制测量，相比之前的传统埋置方式，在矩形角安置压力计，增设了控制测量，利于检测整个群桩基础的情况。具体的侧位、埋深见图1，该流程总计花费3.5个月的时间。

图1 土层中侧位及埋深剖面图

2 桩基础端部土体的挤压应力变化规律以及影响半径

2.1 理论计算分析

由于土体属于各项异性物体，在理论上很难进行全面的模拟，在实验室进行沉管灌入桩实验模拟依旧是很复杂的工作。以前国外科学家Vesic利用饱和黏性土在没有进行排水处理下得出以下分析结果。具体模拟的理论依据是：将桩基础贯入式模型理想化为土体中空隙的膨胀，建立力学模型以后，利用弹塑性力学进行求解，考虑到该问题转化为对称性问题，利用力学方法方便求解，得到球形空隙膨胀以后在四周的土体上形成一个弹塑性界面，其应力、变形、位移分布均符合Mohr-Coulomb屈服准则的饱和弹性完全塑性材料，根据公式可以求解出，球形空隙膨胀以后应力的增量具体如下：

在塑性区域应力分析：

在弹性区域应力分析：

式中：Δσr为径向应力增量值；

由于在土体的塑性区域仍然保留有边界位移量，为了忽略次要因素，假设塑性区域内的土体不可压缩，可得塑性范围内的p为：

μ为所研究土体的泊松比。

2.2 测量结果的分析与整合

谈到在施工中进行管桩沉入操作时，伴随桩基础的整体贯入，桩基础的底部受来自土体的挤压应力，观察检测管桩在管端接触土体传来的挤压应力变化，可以利用计算机中模拟出伴随贯入深度的增加，应力值的大小变化。图2是设置在埋深7.6 m处的压力盒传来的结果，从图像中可以看出：贯入桩的端部在没有接触到土体观测点时已经产生应力影响，两者之间的位移差伴随沉桩与被测点距离的减小而变化。第182号桩位与观测点的水平距离为0.72 m，当沉入桩进入土体深达3.4 m时，即距离被测点的高差4.4 m时，压力计读数开始骤然增加；桩端距离观测点高差接近1 m时，土体的挤压应力显著增加，当沉入桩一接触到土体瞬间，挤压应力达到峰值，随后，伴随贯入桩的继续深入，当桩端超出被测点的标高时，挤压应力将减小，并且维持在一个范围内波动，峰值同波动值的比大约为1.41。这充分表明：桩基础端部的径向挤压应力是在沉桩阶段受到的最大挤压应力，产生部位在端部同一水平面上，位于这一基准面上的桩基础主要承受沉入阶段的摩擦力，摩擦力的大小相对恒定，相比径向挤压应力小很多，但是峰值同波动值的比值伴随桩位同观测点的水平间距的增加而降低，比如：相距5.8 m位置的第263号基础，峰值与波动值的比值接近1，详见图2。

迫于现场实测条件的约束，不能准确测得紧邻桩基础贯入部分的挤压应力最值。根据图表可看出距离0.75 m处的挤压应力峰值为140 kPa，但是，紧邻部分的挤压应力必然大于140 kPa这一值。利用距离桩位水平距离H及挤压应力变化节点处桩端距离测点的高差V，可以计算得到桩端以下部分的挤压应力影响范围T。将数据以图形的形式记录于图3。

图2 挤压应力随沉桩贯入深度的变化规律

图3 桩端以下部分土体中挤压应力的影响范围

2.3 实测结果与理论估算值的比较

基于理论求解的算式可知，利用理论算法讨论塑性区域膨胀压应力时，首先要确定土体的刚度比例E/Cu。Cu的取值一般利用三轴抗剪试验确定，但弹性模量的取值还很复杂，由于土体为非弹性体，各向异性，对于E的取值还有待商榷。利用实验室鉴定结果得到：淤泥质黏土的刚度比率介于152～385之间。利用表1的原始数据，在不做排水处理条件下取μ=0.5，带入理论算式中，可得桩端的膨胀压力：Pu=(6.22～7.46)Cu。参照试验场另外3个不同埋深的Cu值，可得其余Pu值的范围介于：77～143 kPa之间；但是，贯入桩在贯入阶段对土体产生的剪切破坏和振动效应不能忽略，Rp的实际值较理论值应变大。将理论值与实际值进行比对，发现桩端的膨胀压力实际值同理论值可以很好拟合；但挤压应力的影响半径相比塑性区域的理论计算值大约为其4.5～6.7倍。

3 软土地质对于桩基础贯入施工工艺的影响

桩基础贯入施工同土体的挤压应力和沉管施工工艺之间有密切的关系。图4中表明了：同测量柱水平距离为75 cm的列向分布的桩位(135～151)压力变化值，即使在不同的埋深深度均显示了相同的变化规律：当测量管桩深入到桩基础的影响半径时，并且距离较近时，土体的挤压应力骤增，在桩基础和观测管桩距离最近时挤压应力达到峰值，伴随检测桩向相反的方向继续深入的过程中，土体的挤压应力随之减小，最后持续在一定的数值范围内做微小波动。在高程较大的土体中，峰值和稳定值同桩基础贯入前的侧向土体压应力的比值分别介于：1.8～2.1和1.2～1.7之间；但是，在土层高程较低的位置该压应力的比值接近1.0，但是其稳定值较之前的小。即距离相同的位置，由于相对贯入的方向不同其挤压应力有很大的区别，向着桩基础的应力要远大于背着桩基础的土体挤压应力。前者导致软土密实，增加了土体的容重，加大了挤压应力；后者伴随贯入深度的不断增加，扰动了某些已经安定的土体，尤其在土体高程较小的位置，地面可以看到明显的“鼓包”现象，挤压应力顺着缝隙逐渐释放，上述的规律对于配置桩基础沉入的施工流程有重要指导意义。

图4 软土地质对于桩基础贯入施工工艺的影响

4 关于群桩基础形式布置中土体挤压应力的峰值及微小波动值理论分析

贯入桩进入土体以后，使软土地基逐渐密实，导致挤压应力骤增；但是，随着施工的开展会使得已经安定的土体重新松散，尤其是土体浅表会出现明显的隆起，最终使得应力分散。所以，在施工中土体经历了“松散—密实—松散”的循环过程，就理论分析，施工前土体中任意微元体均经受来自竖向压应力和侧向压应力的共同作用，并且保持自平衡，根据材料力学理论，竖向挤压应力是所确定应力圆的最大应力方向和最小应力方向，因此，可以确定土体微元体的应力圆，见图5。

图5 土体微元体的应力分布图

由于桩基础的挤压作用，导致土体的侧向应力增加，而竖向应力不变，应力圆在横向缩小。如果侧向挤压应力超过竖向应力，最大主应力的方向将逆转，应力圆反而变大，直到侧向挤压应力达到峰值时，即应力圆同土体强度包络图相切，这一瞬间前，土体仍然属于弹性变形阶段。所以，在进行施工前，土体的侧向压应力伴随桩基础的贯入数量增加而持续增加，一旦贯入桩的数量超过土体微元体维持线弹性的极限应力条件，对于服从Mohr-Coulomb屈服准则的土体将产生不可逆转的塑性变形，即出现整体位移和局部隆起，由于形变增加，侧向压力由于土体松散而急剧降低，继续贯入将造成土体更大的塑性破坏，此时侧向压应力保持在一个范围内做微小波动。

根据应力圆同强度包络图之间的关系，可推导出土体发生塑性变形后的侧向压应力与竖向压应力之间的函数关系。

具体表达式如下：

经过计算，土体的侧向压应力稳定值σs与观测点的埋深有密切的关系：在埋深为1.2 m的表层部分，土体的稳定值介于55～60 kPa之间，大约是竖向压应力的2.8倍左右；在埋深为12.8 m的土体深处，稳定值可以高达430 kPa，此时大约为竖向压应力的1.76倍；而位于二者之间的中层7.6 m处，稳定值为165 kPa，此时为竖向压应力的1.1倍。稳定值之所以同埋深有密切关系，在于埋深的不同直接决定竖向压应力γ值的大小，在γ的作用下，土体微元体到达塑性破坏的极限，主应力值σp不同。

考虑到土体中黏结力和应变延后等因素的干扰，在监测点靠近施工区域时，会暂时出现稳定值大于之前理论峰值的情况，虽然持续的时间很短，但是，这一阶段的应变影响累积效应是不能忽略的，因为最值可能超出原有峰值的15%以上，这个参数伴随贯入深度的增加而降低。因此，在施工中，尤其是桩基础贯入前期，必须严格监控测点压应力的大小，如果压应力超限，可以考虑，疏松周围土层进行释压，并进行相应的土体结构加固，等到压力值返回极限应力以下再继续施工。

5 结语

根据之前结合现场实测进行的理论分析，我们不难得出以下结论：

1)桩基础端部的挤压应力是影响施工进度的重要因素，其影响程度远大于土体摩阻力。进行贯入操作时，桩端的水平土体挤压应力最大，在端部以下部分存在一片球体影响区域，一般为20倍左右的桩基础半径大小。影响区域的半径与塑性变形区域相比大很多，但最大挤压应力同理论值趋于一致。

2)土体挤压应力的大小与施工布置有密切关系。即便距离等同，如果在贯入阶段，伴随贯入深度的增加，取向改变以后，二者的影响程度相差甚远。

3)进行群桩基础施工时，土体的挤压应力会在一定范围内增加，最终达到峰值并在小范围内波动，此时的微小波动值与相同深度的土体微元体发生剧烈塑性变形时需要的最大主应力可以认为相同，但是，也不排除在具体施工中明显高于微小波动值的情况发生，这一点应该密切留意。

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TU447

A

1673-1093(2014)01-0092-05

刘泽建，现就职于神华地质勘查有限责任公司。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.01.021

2013-11-19；

2013-12-11