消减沉桩挤土效应对大口径出水管影响的数值模拟与现场实测研究

马兵兵 范雷振 曹 彬

上海南汇水利市政工程有限公司 上海 201399

近年来，静压式PHC管桩在沿海城市软土地基中被广泛采用，该桩型具有成桩速度快、施工噪声小、无泥浆产生、对环境友好等特点。但在压桩过程中，特别是在群桩施工中，挤土效应明显，对周边建（构）筑物会产生较大影响。挤土效应及其影响机理十分复杂且对沿海城市工程建设影响巨大，这也引起了国内外学者的关注与研究。

Cummings等和Housel等[1-2]是最早一批研究压桩作业对黏土性能改变的学者。他们在试验中对桩体持续施加荷载到桩破坏，根据试验结果推断出土体的不排水强度在沉桩的最初阶段降幅最大，但随后却快速恢复。在对混凝土桩对桩周围土体强度的影响时长研究中，Orrje等[3]发现土体的不排水强度在压桩9个月后基本恢复原始数值。Adams等[4]、Hagerty等[5]对压桩对桩周土体隆起的影响进行一系列调查，以桩周土体的隆起值（单位：mm）与桩在土体内的总长度（单位：m）的比值为度量，比值为0.3～1.0。

从20世纪70年代起，各国学者开始通过数值模拟与理论分析的方式研究软土中预制桩沉桩问题。通过采用圆孔扩张法模拟预制桩压桩过程，Randolph等[6]计算出压桩后桩周围土体中的孔隙水压力与有效应力，Sagaseta等[7]推算出了压桩后地面隆起量的数学表达式。文献[8]把饱和黏土中压桩的挤土效应问题虚拟为半无限土体中圆柱形小孔的扩张问题，并结合弹塑性理论推导出压桩瞬时的变形与应力。Mabsout等[9]将一个头部形状为圆弧面的混凝土预制桩（桩头与桩身连接处设置光滑过渡）作为研究对象，应用有限单元法模拟沉桩过程，考虑了不排水黏土的非线性特性，很好地反映了桩体入土过程中桩土界面的应力和变形实际情形。

龚晓南等[10]在回顾、分析以往学者研究方法和成果之后，提出建立在有限变形理论基础上的大变形固结理论是求解非线性土体固结、土体骨架压缩的重要方法，通过采用大变形理论基础的Biot固结方程是求解挤土效应中土体位移与孔隙水压力变化的正确途径。刘裕华等[11]应用圆孔扩张理论对预制管桩沉桩施工引起的桩周土体变形、位移进行了理论计算，并通过现场监测验证了理论解析解，预测挤土效应的合理性。詹乐等[12]通过模型试验调查研究了在地基边坡坡顶施工预制桩对边坡土体位移、变形的影响规律。杨旭等[13]在桩基土体大变形、接触非线性的基础上，建立了能模拟管桩基础动态、连续压桩下沉过程的有限元模型，得出了挤土效应对管桩内外侧影响、管桩内外侧土体位移及应力分布情况，并提出了管桩内外侧挤土效应差异的机理。李振亚等[14]建立三维轴对称模型，把桩周土及桩芯土沿径向设置为同心圆圈层，建立纵向振动控制方程，在低频范围内对预制管桩桩身物理参数、挤土效应对桩顶复阻抗影响进行了调查研究。杨思谋等[15]基于数值法和圆孔扩张理论，建立预制桩沉桩过程模型，对预制桩沉桩挤土效应进行了分析研究，并测算评价沉桩施工对邻近地铁结构的力学影响。

目前，国内外学者对挤土效已经有了多方面的研究。但这些研究多集中在以圆孔扩张理论为依据的桩周土体位移变形、孔隙水压力变化的推导计算或以室内模型试验、有限元数值方法模拟分析，而针对施工场地既有周围环境进行实测分析及结合有限差分仿真软件预测结果的保护方案还不多见，特别是在既有运营水厂改造项目中，预制桩群桩施工对大口径出水管、清水池等敏感建（构）筑物影响的保护与防治措施研究，国内尚无文献报道。

本文以上海市浦东新区某自来水厂深度处理改造工程中活性炭滤池预制管桩群桩沉桩施工为例，测试沉桩施工对周边环境的影响，根据有限差分仿真软件模拟单一消减措施工况（防振隔离沟、钢板桩隔断、应力释放孔等）下和综合消减措施工况下场地环境的变化，特别是大口径出水管位移值是否在安全范围内，并与现场实测数据做对比，以指导沉桩施工与增加消减挤土效应的保护措施。

1 工程概况

上海市浦东新区某自来水厂深度处理改造工程，是在原净水工艺的基础上增加预臭氧和后臭氧工艺，使出厂水水质更加优质、满足上海市最新的净化水水质标准。需新建的建（构）筑物有活性炭滤池、中间提升泵房、反冲洗泵房、回收水池等，其中活性炭滤池占地面积约5 300 m2（南北长99.8 m，东西宽53.1 m），基础采用PHC-400预制混凝土管桩（1 014套、入土深度35 m、桩间距1.5 m）。活性炭滤池东、南、北三个方向皆有需要特别关注的建（构）筑物，其中东侧、北侧为DN1 800自来水出水管，南侧为出水泵房和清水池（图1）。

图1 拟施工预制桩桩位与周围环境、监测点布置示意

桩基础施工之初，在出水管、出水泵房等构筑物布置监测点，但并未采取消减管桩施工挤土效应的措施。自4月底开始正式施工，采用2台ZYJ-860型静压桩机，每天每台施工约20套，5 d后DN1 800出水管竖向位移累计变化为26.22 mm，其中每日最大位移值为7.46 mm，超过警戒值，施工暂停。

2 消减措施

参建各方对施工预制管桩产生挤土效应及对周边环境的影响进行了重新评估：活性炭滤池东侧和北侧的DN1 800出水管为浦东地区上百万居民及大量企事业单位主要供水管线，该管管顶覆土深度1.3～1.5 m、距离拟建活性炭滤池6.0～8.8 m；活性炭滤池和中间提升泵房南侧、西侧的既有出水泵房、综合管线沟槽、反冲洗泵房、DN1 200钢管虽暂时未受挤土效应影响，但也是易受沉桩影响的建（构）筑物；为消减预制管桩施工产生的挤土效应，应尽快采取技术可行、经济合理的保护措施，并务必保证DN1 800出水管运行安全。

2.1 工程及水文地质条件

1）桩基入土深度范围内工程地质条件根据该工程《岩土工程勘察（详勘）》可知，预制管桩入土范围内土质多为粉质黏土、淤泥质黏土、粉土、砂质粉土等。

2）地下水情况：拟建场地土层中的地下水属于潜水类型，其水位动态变化主要受大气降水和地面蒸发等影响。地下水主要赋存于第四系全新系统以上及更新系统中的浅层潜水层与微承压水层中，潜水位一般离地表面0.3～1.5 m，受降雨、潮汛、地表水及地面蒸发的影响而有所变化，年平均水位埋深0.5～0.7 m。承压水主要分布在第⑥t土层中，第⑥t层为粉质黏土与黏质粉土互层，承压含水层承压水位一般在地面以下3～12 m；另外，（微）承压水水头随季节有所变化，在5—9月承压水水头高为9～12 m，其余月份水头高为3～8 m。

2.2 消减措施设计

为确保DN1 800出水管、出水管泵房、综合管线沟槽等建（构）筑物安全，减少PHC管桩群桩施工产生的挤土效应，采取上部防振隔离沟＋U形钢板桩阻断＋应力释放孔相结合的综合保护措施（图2）。

图2 挤土效应消减综合措施示意

1）防振隔离沟：在拟建场地北侧、东侧、南侧、西侧等设置防振隔离沟，隔离沟一般根据经验取宽2～5 m、深1～3 m，本案例取上宽2.5 m、下宽1.5 m、深1.5 m。

2）U形钢板桩：沿防振隔离沟外边线（距离出水管2 m）施打桩长9 m的U形钢板桩。

3）应力释放孔：在防振隔离沟沟底布置2～3排应力释放孔，应力释放孔内径300 mm、中心间距1.0 m，孔内填中粗砂。

挤土效应综合保护措施预计共需挖除土方902.5 m3、施打钢板桩309.2 t、应力释放孔填筑中粗砂977.3 m3。在预制管桩沉桩施工完毕后，还需在综合保护措施范围内进行压密注浆（1∶2水泥浆液）。

3 建模计算

根据本工程岩土工程勘察资料，利用有限差分软件建立三维实体模型，并根据施工实际情况进行部分简化，主要针对活性炭滤池预制管桩施工对东侧DN1 800出水管进行模拟。模型大小为100 m×60 m×37 m（长×宽×深），模型上表面为自由面，其余面均设有法向约束。DN1 800出水钢管采用线弹性本构模型，弹性模型210 GPa，壁厚0.02 m，长度120 m，管顶埋深1.5 m；各层土体单元采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，并根据各土层的物理力学参数取值；防振隔离沟设置Null土体单元，应力释放孔（孔内填中粗砂）采用Pile结构单元，U形钢板桩采用Liner结构单元。网格划分尽可能均匀，出水钢管与①、②土层接触位置网格保持一致。

1）模拟消除预制管桩施工挤土效应综合保护措施的计算参数主要有各层土体、DN1 800钢管、应力释放孔、U形钢板桩等，具体参数见表1～表3。

表1 应力释放孔计算参数

表2 U形钢板桩计算参数

表3 DN1 800钢管计算参数

2）为对比验证施加单一的挤土效应消减措施与施加综合消减保护措施对DN1 800出水管变形的影响，将模拟工况分成5种（图4）：工况1，无挤土效应消减措施；工况2，只有防振隔离沟保护措施；工况3，只有U形钢板桩隔断保护措施；工况4，只有应力释放孔保护措施；工况5，防振隔离沟＋U形钢板桩＋应力释放孔综合保护措施。

图4 各消减措施模型示意

4 数据分析

根据监测方案（见图1），分别在工况1～工况4中布置DN1 800出水管的监测点（编号为S7、S9、S11、S13、S14），并在模拟软件中根据沉桩顺序施加荷载（每根桩施加荷载为7 600 kN，从靠近出水管一侧开始施加），模拟预制管桩沉桩产生的挤土效应，通过Hist记录各监测点的位移变化。

在无任何消减措施工况下（图5），预制管桩沉桩对DN1 800出水管的位移影响在靠近桩体位置非常明显。DN1 800出水管的各监测点位S7、S9、S13、S14在沉桩数量为400套之前的数值（竖向位移）呈直线增长趋势，在沉桩数量为150套时，监测点出现最大竖向位移＋28 mm（隆起值），与实际施工（无消减措施时）情况相符合。各监测点在沉桩数量为300～400套时出现竖向变形的最大值，S9点出现最大位移，约60 mm。沉桩数量在500套之后，随着沉桩位置与DN1 800出水管距离的增加，其挤土效应对该管的影响基本消失，甚至各监测点出现了沉降趋势。

图5 无消减措施工况下出水管监测点位移

图6、图7分别显示了施加防振隔离沟保护措施工况下和施加钢板桩隔断工况下的出水管随沉桩数量增加的位移情况。

图6 防振隔离沟工况下出水管各监测点位移

图7 钢板桩隔断工况下出水管各监测点位移

从图6、图7中可以发现，出水管各监测点位移数值随沉桩数量的增加逐渐增大，在沉桩数量为400～500套处出现最大值，最大值为14 mm和18 mm（S9点），最大数值较无措施工况下有较大幅度的下降；在沉桩数量超过600套后，各监测点的数值逐渐变小，各监测点出现负向位移（沉降），这也说明防振隔离沟措施和钢板桩隔断措施都能在一定程度上缓解群桩沉桩产生的挤土效应，而防振隔离沟的缓解效果要优于钢板桩隔断。

图8是施加应力释放孔保护措施工况下出水管随沉桩数量增加的位移情况。从图8中可以发现，出水管各监测点位移数值随沉桩数量的增加逐渐增大，在沉桩数量为500套左右时出现最大值；各监测点位移最大值较图6、图7工况下的数值进一步下降，从0增加到最大的线段斜率也小于图6、图7中的工况，在各监测位移连线的后半段，下降幅度也较图6、图7中的工况数值明显。

图8 应力释放孔工况下出水管各监测点位移

图9是施加综合保护措施工况下出水管随沉桩数量增加的位移情况。从图9中可以发现，各监测点的位移最大数值较图6～图8单一工况下最大数值有明显降低，各监测点数值随沉桩数量增加的幅度较单一措施工况也更加平缓，距离施工场地较远的点（S14）位移变化微弱且在沉桩数量超过600套后出现负向位移（沉降）。

图10显示了增加消减挤土效应综合措施后预制桩沉桩施工过程中的实际监测数据，从图10中可以发现，增加综合措施后各监测点位移最大值较预制桩施工之初（出水管等周边环境无保护措施）有较大程度的减少，也验证了防振隔离沟＋U形钢板桩阻断＋应力释放孔相结合的综合保护措施的适用性。对比图9和图10，各监测点的位移值变化趋势模拟值与实测值基本一致，各监测点的最大值在两图中也差别不大，但图10中各监测点随沉桩数量的增加变化更趋平缓。

图9 综合保护措施工况下出水管各监测点位移

图10 实际监测数据

5 结语

1）采用仿真软件对各单一消减措施工况进行模拟对比，能在消减措施设计时预先对比选择出技术可行、经济合理的技术方案。

2）预制管桩群桩沉桩对周边环境挤土效应的影响以竖向位移为主，水平向位移几乎为零（无论数值模拟还是实际监测都无明显变化），且挤土效应影响范围约为1倍桩基入土深度，沉桩桩位超过这个距离后挤土效应迅速减弱，受影响建（构）筑物位移逐渐恢复。

3）在单一措施工况下，应力释放孔工况下的消减效果优于防振隔离沟、钢板桩隔断工况，防振隔离沟消减措施优于钢板桩隔断。在工程实践中钢板桩隔断的造价远大于应力释放孔和防振隔离沟，建议在经济条件受限时优先选择应力释放孔，其次选择防振隔离沟。

4）当施工场地范围内存在敏感建（构）筑物时，为保证其安全性，建议采取上部防振隔离沟＋U形钢板桩阻断＋应力释放孔相结合的综合保护措施，这种综合性消减保护措施能极大地消减群桩施工产生的挤土效应（监测点最大位移值从无措施时的60 mm下降到5 mm）。

5）在运行水厂内进行预制群桩施工时，应首先对施工场地范围内易受影响的建（构）筑物进行摸底评估，特别是对保证人们生产生活用水的出水管务必进行周密保护。文中采用的综合消减措施工况模拟数值与实际监测数值较为吻合，本工程施加的上部防振隔离沟＋U形钢板桩阻断＋应力释放孔相结合的综合保护措施也达到了预期效果。