软土场地倾斜桩牵引纠偏内力弱化技术

杨晓红 朱进军 邵 勇

（连云港职业技术学院建筑工程系，连云港 22006）

软土场地倾斜桩牵引纠偏内力弱化技术

（连云港职业技术学院建筑工程系，连云港 22006）

摘 要介绍了倾斜管桩牵引纠偏的内力弱化技术，为了分析影响牵引纠偏技术的因素，首先拟合现场实测数据得到土层及桩体的合理参数，然后采用数值模拟手段分析了土体弱化深度、纠偏速率及土体性质对纠偏效果的影响。计算结果表明，随着弱化深度的增加桩身弯矩逐渐减小，且最大弯矩所在位置逐渐往桩底移动，当弱化深度为1～3 m，时桩身弯矩的降低最为明显。纠偏速率越大桩身产生的弯矩就越大，速率太小则影响工期，故推荐5 cm／h为佳。土体强度的提高则会增加桩身弯矩，但是随着土体弱化深度的增加，桩身弯矩的降低程度也较土体强度低的明显。

关键词桩基工程，倾斜桩，牵引纠偏，弱化技术，数值模拟

Internal Force Release Technology for Inclined Pile Correction on Soft Soil Sites

YANG Xiaohong ZHU Jinjun SHAO Yong
（Department of Architectural Engineering，Lianyungang Technical College，Lianyungang 22006，China）

Abstract A technology to release the internal force in order to correct the inclined pile was introduced in this paper．To analyze the impact factors of the correction technology，soil and pile were investigated based on the field testing．Numerical simulation was used to analyze the effects of the release depth，correction rate and soil characteristic．Results show that the moment of pile decreases with the increase of the release depth and the location for the maximum moment gradually moves toward the end of pile．As the releasing depth is set to 1 m to 3 m，the moment reduction is most obvious．A larger correction rate can generate a greater moment，5 cm／h is recommended as an optimal rate．Improving of soil strength can increase the pile moment but with the increase of the release depth，the moment reduction margin is more obvious than the low-strength soil．

Keywords pile foundation，inclined pile，traction correction，release technology，numerical simulation

1 引 言

预应力管桩在施工过程中发生倾斜屡见不鲜，这也给管桩的应用带来难题，因此管桩倾斜的处理技术在工程建设中也得到了广泛应用。目前关于管桩倾斜的处理技术有桩侧土体注浆加固、设置基础连梁、顶推纠偏等［1～5］。

国内外一些学者对此已有研究，并取得了一定的成果，胡文红等［6］结合现场试验和数值模拟研究桩侧土体加固对管桩承载力的影响，得到了加固范围对加固效果的影响。朱奎等［7］介绍了顶推结合注浆加固法处理倾斜桩，对此法的施工工艺及操作方法进行了详细说明，并在工程实践中对顶推法纠偏技术进行了检测。

本文以连云港地区海相软土条件下桩基工程为例，研究牵引法纠偏技术，主要分析了弱化深度、桩侧土体性质以及牵引速度对桩身内力的影响。

2 现场纠偏存在的问题及内力弱化原理

倾斜桩纠偏是在桩顶施加水平向力，使之产生位移而矫正桩体倾斜度，纠偏完成后一般采用低应变法监测桩身完整性，但是在现场纠偏时往往由于桩侧被动区土压力过大导致桩身内力过大，从而引起桩身裂缝。因此可以考虑弱化桩侧被动区土压力来降低桩身内力。

通过桩身内力分析可以将倾斜桩纠偏简化看作悬臂梁模型［8－9］，在自由端施加集中力的位移公式为PL3／3EI，式中，P为集中力，L为悬臂长度，而对被动区土压力的弱化可以理解为增大了悬臂长度，这样获得相同位移所需的集中力将减小。因此，对桩侧被动区土体的弱化将减小倾斜桩纠偏所需水平向力，从而降低了桩身内力。

在现场操作时首先在桩顶附近固定钢丝绳，再连接拉力传感器及施加牵引力装置，如图1所示。

图1　牵引纠偏示意图Fig．1 Schematic diagram of traction correction

图2　现场操作图片Fig．2 On-site operation

在桩体纠偏同时减小桩侧被动区土压力，一种方法为开挖土体卸荷，另一种方法为高压射水，即对桩侧土体进行弱化，在具体操作时可以根据现场情况选择。纠偏位移量一般在30 cm左右，弱化深度最大约4 m。纠偏完成后采用低应变法检测桩体完整性，检查牵引纠偏是否对桩体造成破坏。

连云港地区为海相软土场地，其中淤泥质软土从数米至数十米厚，其强度低，大多呈流塑状态，表1即为连云港地区典型土层，其中淤泥质土达10 m厚，其下部数米厚的粉质黏土强度也较低，给工程建设带来了极大的困难。在现场纠偏时进行了数据采集，主要记录了桩顶水平位移和纠偏荷载，实测结果见图3，场地土层分布正如表1所示。

表1　地基物理土力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

图3　实测数据与模拟数据的拟合Fig．3 Fitting of measured data and simulation data

为了得到数值模拟的合理参数，针对表1中土层建立了数值模型，拟合现场实测数据，结果见图3，可以看出实测数据与模拟数据比较接近，数值模拟所选参数比较合理。

3 数值模型及计算条件

数值模拟采用有限差分软件FLAC3D，模型尺寸根据文献［10］中建议取值，模型长宽均为30 m，高为40 m，承台采用实体单元模拟，管桩采用软件自带的结构单元pile模拟，计算时岩土体本构为摩尔—库伦模型，承台采用弹性模型物理力学参数采用表1中数据。承台弹性模量为33 GPa，管桩弹性模量为29 GPa，桩长为24 m，直径为500 mm，入土深度为23 m，桩身设计弯矩值为274 kN·m，数值模型如图4所示。

图4　数值模型网格Fig．4 Numerical model

数值模拟边界条件为在模型底部施加全约束，即约束其水平与竖直向变形，模型四周约束其水平向变形，模型顶部无约束。计算时在桩顶施加速度荷载，纠偏速率为5．5 cm／h，这样可以控制纠偏位移量。

分析时取5种工况，工况1—5分别为纠偏5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm，主要计算了弱化深度对纠偏效果的影响，其中考虑桩身是否破坏。

4 计算结果分析

4．1 弱化深度对纠偏的影响

弱化深度即为桩侧被动区土体的弱化处理深度，图5为5种工况纠偏后桩身最大弯矩与弱化深度的关系，可以看出在纠偏量为5 cm及10 cm时桩侧土体无须弱化，桩身强度能够满足纠偏需要。在纠偏量为20 cm时土体需弱化浓度约2．0 m，纠偏30 cm需弱化约3．2 m，纠偏40 cm需弱化约4．5 m。

从图5中曲线特征来看，当土体弱化深度在1～3 m区间段，桩身弯矩下降最为明显，弱化深度超过3 m之后，曲线趋于平缓，说明在牵引纠偏时土体弱化深度选择在1～3 m时效果最大。另外当纠偏量较小时桩身弯矩的降低值也较小。

图6为纠偏量与土体弱化深度的关系，用线性关系拟合相关性系数为0．985 1，精度较高，关系公式为y＝0．147x－1．25，其中，x为纠偏量，y为土体弱化深度，此公式可以为牵引纠偏工作提供参考。

图5　各工况荷载与水平位移的关系曲线Fig．5 Relation between load and displacement

图6　纠偏量与土体弱化深度的关系Fig．6 Relationship of the correction amount and the release depth

为了得到桩身弯矩分布随土体弱化深度的变化特征，现以纠偏量为20 cm为例，给出桩身弯矩分布，如图7所示。

图7　桩身弯矩分布图Fig．7 Moment distribution of the pile

从图7中可以看出，随着弱化深度的加大，桩身弯矩值减小，且最大弯矩所在位置往下移动，即向桩底移动。图中也可以看出弱化深度为1～3 m时弯矩降低最为明显，与上述曲线分析结论相同即弱化深度达一定值后桩上弯矩减小较缓慢。

图8为最大弯矩所在位置与弱化深度的关系，当桩侧土体未弱化时，最大弯矩位于桩顶以下约4 m处，随着土体弱化深度的增加，最大弯矩所在位置逐渐移至约14 m。

图8　最大弯矩位置与弱化深度的关系Fig．8 Relationship between the maximum moment location and the release depth

4．2 纠偏速率的影响

上述计算采用的纠偏速率为5．5 cm／h，为了给牵引纠偏工作提供更多的指导，本文继续分析纠偏速率对纠偏效果的影响。分为4种工况，纠偏速率分别为4．0 cm／h、5．5 cm／h、7．0 cm／h、8．5 cm／h，纠偏量均为20 cm，计算结果见图9。

图9　纠偏速率与弱化深度的关系Fig．9 Relationship between the correction rate and the release depth

从图9中可以看出，纠偏速率的增大将导致桩身弯矩的增加，与此对应的土体弱化深度也将增大，前三种工况的弱化深度分布为1．3 m、2．0 m、3．9 m，说明纠偏速率较小时可以减少土体的弱化深度，当纠偏速率达8．5 cm／h时土体弱化深度超过6 m，这在工程中也很难实现。因此，在牵引纠偏时还要注意纠偏速率的影响，速度太大势必会导致桩身破坏，虽然纠偏速率较小时桩身较安全，但是对工期存在影响，因此本文给出纠偏速率控制在5 cm／h较为合适。

4．3 土体性质的影响

在分析土体性质对牵引纠偏效果影响时，仍取纠偏量20 cm为例，主要是改变表1中10 m厚淤泥质土的强度，以体现软土场地软弱程度的不同，计算时分为3种工况，第1种工况为前述分析，第2种工况将淤泥质土弹性模量改为3．5 MPa，黏聚力改为11 kPa，摩擦角改为7°，其余参数不变，第3种工况将淤泥质土弹性模量改为5．6 MPa，黏聚力改为13 kPa，摩擦角改为9°，其余参数不变，总体上，淤泥质土的强度呈递增的趋势。计算结果见图9。

从图10中可以看出，桩侧土体强度的提高增大了桩身最大弯矩值，且达到纠偏量时的弱化深度也有所增加，说明土体性质对纠偏效果存在影响，只是影响程度较小。另外从最大弯矩值的下降速度来看，土体强度越大其弯矩下降越明显，这是由于土体强度越大其对桩体的约束就越大，在土体弱化后桩体的约束减少就越明显。

图10　土体性质对纠偏的影响Fig．10 Influence of soil properties on the correction

5 结 论

通过对倾斜管桩牵引纠偏的计算，分析了土体弱化深度、纠偏速率及土体强度的影响，现总结如下：

（1）在纠偏量较小时（如文中的5 cm及10 cm，）在牵引纠偏时无需弱化桩侧土体即可满足要求。弱化深度在1～3 m时桩身弯矩下降的最为明显。

（2）纠偏速率的提高会增加桩身弯矩，同时需要加大土体弱化深度，速率过大时土体弱化将无法满足牵引纠偏的要求，即弱化深度过大而无法达到。

（3）土体性质对牵引纠偏也存在一定影响，土体强度越大，需要的弱化深度越深，但是影响程度较小。

参考文献

［1］ 陈永刚，杨忠，陈鸿斌，等．18层住宅基础预制管桩偏位分析与处理［J］．建筑技术，2007，38 （9）：656-658．Chen Yonggang，Yang Zhong，Chen Hongbin，et al．Deviation analysis and processing of precast founda-tion pile on 18-storey residential［J］．Building Tech-nology，2007，38（9）：656-658．（in Chinese）

［2］ 周德泉，杨帆，谭焕杰，等．土体中倾斜桩工程性状研究［J］．中外公路，2012，3：14-18．Zhou Dequan，Yang Fan，Tan Huanjie，et al．Research of project traits of inclined pile in soil，［J］．Foreign Highway，2012，3：14-18．（in Chinese）

［3］ 朱进军，韩选江，朱连勇，等．软土场地预应力管桩倾斜事故分析与处理［J］．建筑技术，2007，09：658-660．Zhu Jinjun，Han Xuanjiang，Zhu Lianyong，et al．Anal-ysis and treatment of pipe pile inclined accident on soft soil site［J］．Building Technology，2007，09：658-660．（in Chinese）

［4］ 徐从荣，吕恒柱，孙亚萍，等．工程桩偏位倾斜的利用与处理［J］．工业建筑，2010，40（增）：1042-1044．Xu Congrong，Lv Hengzhu，Sun Yaping，et al．Utiliza-tion and processing of inclined pile［J］．Industrial Buildings，2010，40（S）：1042-1044．（in Chinese）

［5］ 蔡明兴．倾斜预制方桩的承载力分析及处理［J］．施工技术，2004，33（9）：35-37．Cai Mingxing．Bearing capacity analysis and treatment of inclined precast pile［J］．Construction Technology，2004，33（9）：35-37．（in Chinese）

［6］ 胡文红，郑刚．浅层土体加固对倾斜桩竖向承载力影响研究［J］．岩土工程学报，2013，35（4）：697-706．Hu Wenhong，Zheng Gang．Influence of shallow soil improvement on vertical bearing capacity of inclined piles［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineer-ing，2013，35（4）：697-706．（in Chinese）

［7］ 朱奎，徐日庆，周鹏飞，等．倾斜桩顶推和注浆组合纠偏施工工法［J］．工程勘察，2008，7：17-20．Zhu Kui，Xu Riqing，Zhou Pengfei，et al．Construction method of correction by pushing and grouting on in-clined pile［J］．Geotechnical Investigation＆Survey-ing，2008，7：17-20．（in Chinese）

［8］ 赵明华，李文，张锐，等．考虑桩－土相互作用的悬臂式排桩内力计算方法研究法［J］．湖南大学学报（自然科学版），2014，41（1）7：1-7．Zhao Minghua，Li Wen，Zhang Rui，et al．Research on the internal forces calculation of cantilever piles con-sidering pile-soil interaction［J］．Journal of Hunan U-niversity（Natural Science），2014，41（1）7：1-7．（in Chinese）

［9］ 张蓓，黄雪峰，覃小华，等．悬臂式围护桩受力性状与内力传递特征试验［J］．后勤工程学院院报，2014，30（1）：17-23．Zhang Bei，Huang Xuefeng，Qin Xiaohua，et al．Exper-iment of the force behavior and internal force transfer properties of cantilever fender［J］．Journal of Logisti-cal Engineering University，2014，30（1）：17-23．（in Chinese）

［10］ Gerolymos N，Giannakou A，Anastasopoulos I，et al．Evidence of beneficial role of inclined piles：observa-tions and summary of numerical analyses［J］．Bulletin of Earthquake Engineering，2008，6：705-722．

基金项目：住房和城乡建设部科技计划项目（2015－K3－023），江苏省“六大人才高峰”高层次人才资助项目（2014－JZ－0161），连云港职业技术学院院级科研项目（YKJ201303）

收稿日期：2014－06－19