大面积无序堆土引起基桩沉降的研究

张 楠 武 岳 刘永超 张宗俊 韩玉涛 陆鸿宇

（1.天津滨海新区轨道交通投资发展有限公司，天津 300459；2.桂林理工大学广西岩土力学重点实验室，广西桂林 541004；3.天津建城基业集团有限公司，天津 300301；4.天津大学建筑工程学院，天津 300072；5.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

0 引言

大面积堆土会使桩周土层压密下沉，对基桩产生较大的负摩阻力，引起基桩的沉降。De Beer[1]于1977 年最早指出堆载作用下邻近桩基础属于被动桩，堆载工况下桩基发生的水平位移已有大量深入分析[2-6]，大面积堆载工况下中性点位置及桩侧摩阻力分布规律的研究也取得了较多成果[7-10]。Muthukkumaran 等[11]、Karim[12]分析了被动桩的相对刚度对其横向响应以及界面滑移对桩基性能的影响。吴回国等[13]通过试验证明大面积堆载下试验桩中性点逐渐下移，桩侧负摩阻力增大。张 蔚[14]采用模型试验和数值模拟建立了考虑软土压缩模量、堆载荷载和堆载距离的桩基最大侧移经验公式。赵彤雯[15]对软土地基由于大面积堆载而引发的桩基发生水平位移以及内力变化进行了深入分析。曹文昭等[16]阐述了堆载法静载试验中桩侧堆载与地基变形对试桩的影响，定义了试桩沉降的实测值和真实值。刘自由[17]建立群桩数值模型，分析了不同间距情况下桩侧摩阻力、中性点以及土体变形规律。Ashour 和Helal[18]基于竖向位移随时间变化的关系建立了一种计算轴向摩阻力的方法。黄 挺等[19]通过单桩及双桩负摩阻力模型试验，测定了模型桩身应力、桩顶位移以及土体分层沉降随固结时间的变化，说明了沉降、负摩阻力具有明显的时间效应。

某工程因环保管控导致出土条件变化，需在已施工的基桩区域大面积堆土，大面积无序堆土造成较大的基桩沉降，且沉降值离散性较大，沉降的原因存在较大争议。以该工程为实例，经综合分析并通过三维有限元模拟，研究了堆土厚度、桩长、堆土与楼座中心距离、排水条件等对基桩沉降的影响，分析了灾变的成因，为类似工程积累了经验。

1 工程概况

天津某大型建筑工程，总建筑面积约172603 m2，其中洋房、别墅及配套设施总建筑面积约130493 m2，拟建建筑物包括28 栋5-7 层洋房及23 栋2-3 层别墅，洋房部分区域含整体地下一层，开挖深度约4.5 m，其他洋房和别墅无地下室，均采用桩基础。因环保条件改变对施工工序有所调整，在已施工的基桩上进行了大面积无序堆土。场地工程情况如图1 所示，堆土区域主要为无地下室部分，分两个主要区域：堆土区域1 包括11#、18#、20#共3 栋洋房；堆土区域2 包括40#-47#共8 栋别墅。

代表性地质剖面图如图2 所示，桩型均为PHC AB 400(95)，其中，洋房区域桩长分别为19 m、24 m；别墅区域桩长差异较大，分别为13 m、14 m、19 m、20 m。因出土条件变化需在已施工的基桩上进行大面积堆土，堆土前各相关部门认同大面积堆土会引起群体基桩的沉降，但因堆土前未规划好堆土的时间、厚度和范围，待清理堆土开挖堆土区域的桩基础后，发现两个区域造成了较大的基桩沉降事故，堆土过程中出现地下水渗出现象，开槽后发现桩顶标高出现不均匀下沉，各栋号桩数及基桩沉降见表1。堆土1 区域11#、18#、20#洋房区堆土时间约110天，堆土范围长约165 m，宽约75 m，堆土厚度约4 m，该区域内堆土后，洋房区域各楼栋基桩沉降为55～390 mm。堆土2 区域40#-47#别墅堆土时间约90天，堆土范围长约105 m，宽约90 m，区域中心堆土厚度约4 m，区域边缘堆土厚度约2.8 m，堆土厚度变化较大，别墅区域各楼栋基桩沉降为50～670 mm，基桩实测沉降较大且离散性较大，单体建筑物中基桩沉降最大差值高达510 mm。基桩沉降实测值及其离散性之大远超以往工程经验，考虑到土方堆载的无序性和基桩施工过程中存在诸多不确定性，因此有必要对基桩沉降量及其离散性进行综合分析和研究。

2 诱发基桩沉降的原因和相关性分析

该工程基桩沉降与建筑物中基桩沉降不同，建筑桩基沉降分析的对象是建筑物基础与基桩形成整体后的沉降，由于桩基础与上部结构的协同作用，建筑物在竖向荷载作用下发生沉降时，基础沉降具有较强的规律性且沉降差异与理论分析基本吻合。建筑工程如发生大面积堆土一般会根据工程条件选择相应措施：设置架空层、采用轻质材料等措施减小填土质量或采用补偿式基础，适当扩大基础面积；采用砂井、排水板等辅助排水措施，加速地基土的排水固结；对邻近大面积堆土的已建建筑物应采取设置隔离屏障、基础托换等保护措施。

本工程基桩的沉降发生在基桩施工后、基础承台施工前，根据图2，地层变化较小，堆土后桩顶沉降差异性却较大。因堆土是本场地其他区域的基坑土，不同桩顶的堆土可能在土体的结构、成分、块体大小及土体的状态等不尽相同，导致桩顶受力、刺入等不同，所以差异较大。由于施工条件的不确定性，土方堆载的范围、厚度和时间没有确切的规划，堆土撤除的时间根据基坑回填的需要而定，无明确的规律性。因大面积堆土的无序性，同时考虑基桩施工过程中的不确定性，只能结合实测及计算综合分析，梳理基桩沉降量和离散的原因。

2.1 按现有规范中沉降计算分析原因

结合前述堆土的范围及基桩数据，根据《天津市岩土工程技术规范》（DBT 29-20-2017）[20]（以下简称“规范”）中“5.3 条变形计算”，利用分层总和法计算出地基变形量，并可根据规范中“附录D”计算沉降等效影响深度。

堆土区域1 洋房楼座的工程桩桩长为19 m，堆土区域2 别墅楼座的工程桩桩长为13 m、19 m 两种。经计算，堆土区域1 洋房堆土区域沉降影响深度为50.75 m，别墅堆土区域沉降影响深度为49.68 m，均超过工程桩桩身长度，工程桩的桩端亦在堆土沉降影响范围，地基土因堆土会产生沉降，不同的深度沉降不同，基桩桩侧不同深度会产生相应的负摩阻力，从机理上可定性为土体在堆载下沉降，从而下拉基桩。规范中的沉降计算公式针对的是桩基础的沉降，而本工程大面积无序弃土是堆在自然地基土的地面，因工程桩的长度和桩顶高程差异较大，仅可算出大面堆载引起土体的沉降，因无基础的调节作用，无法计算出各基桩的沉降。桩间土和基桩的传力机理及中性点的计算及负摩阻力产生沉降的机理和研究较成熟，不再赘述。

2.2 沉降相关性分析

该大型建筑工程共51 个单体建筑，总桩数约6563根，除发生沉降的11 栋单体以外，其他40 栋建筑物的基桩实测高程基本在规范允许偏差范围内。洋房部分区域（11#、18#、20#楼）及别墅部分区域（40#-47#楼）先进行桩基施工，后进行堆土，开槽后均出现桩顶不均匀下沉，而在其余楼座及地库等未堆土区域，桩顶标高均在规范允许偏差范围内。部分楼栋部分区段处在堆土区，因而更能反映堆土与过大沉降的相关性，以11#楼为例，桩基在同一时间节点施工完成，而后对该区域进行堆土，堆土区域涉及到11#楼右侧，11#楼左侧未堆土，堆土区域（右侧）桩顶标高出现不均匀下沉，未堆土（左侧）区域桩顶标高均在规范允许偏差范围内。在该区域同类型的洋房1#、2#、19#楼的工程桩及地库桩是在清理堆土区1 后施工，该区域洋房区域各楼栋沉降区间为10～50 mm，表明基桩沉降与堆土具有高度的关联性。

2.3 按平均值分析单体建筑沉降相关性

表1 中所列出的各楼座基桩沉降实测值离散性较大，在一定程度上反映出该项目大面积堆土具有高度的无序性。该项目缺少堆土规划和记录，但可通过施工过程中留存的照片和日志大致还原堆土的范围和厚度。结合基桩桩顶的高程实测数据，还原堆土与桩基施工的关系，并以各建筑单体所有桩的沉降平均值为分析样本，分析其规律性，经统计，各楼座桩群平均沉降与楼座中心距堆土中心距离关系见图3。因洋房堆土区厚度为4 m，桩群平均沉降大小与建筑物中心点距堆土中心点距离具有高度的相关性，接近线性分布，即距离近的沉降大，距离远的沉降小，具有较强的规律性。别墅区因堆土的厚度变化较大，按单体分析的数据规律性不如洋房区，但总体趋势与沉降机理基本吻合。

各楼座桩群平均沉降与堆土边缘距楼座中心的距离见图4，桩顶平均沉降值的基本规律为堆土边缘的沉降小，堆土中心的沉降大。如表1、表2 所示，开槽后11#、18#、20#楼（洋房）及40#-47#楼（别墅）桩顶出现不均匀沉降，其中18#、41#楼为土方出入口位置，工程机械频繁出入，其沉降量较区域内其他楼栋处相对较大。其余楼座及地库等未堆土区域，桩顶标高均在规定范允许范围内。以别墅为例，13 m 基桩沉降量为78.7～264.6 mm，19m基桩沉降量为100～230.3 mm。相同区域中基桩沉降量也呈现较大的离散性。

表2 别墅区域桩长平均桩顶沉降对比表

图4 桩顶平均沉降与堆土边缘距楼座中心距离关系

3 有限元分析

3.1 模型建立概况

采用有限元软件PLAXIS3D 进行三维数值模拟分析，通过打桩和堆载过程的数值模拟，分析大面积堆载对桩产生沉降的影响。本次建模选取别墅区40#-47#共八栋楼进行计算分析。

计算模型如图5 所示。考虑边界条件的影响，本次模拟模型大小采用300 m×300 m×60 m，结合实际堆土、桩位及桩长输入相关位置。本次模拟的结构尺寸均为设计图纸上的标准尺寸，桩长为13 m 和19 m，桩径0.4 m，堆土厚度4 m。共划分为21806 个网格单元，40222 个节点，其中对桩体结构重点细分。

数值模拟分析过程中，应尽可能保证模型与实际工程相符的计算环境，由于受参数和边界条件等限制，需要对地层及结构进行部分简化和近似处理，以适应计算理论和软件，本次计算基本假定包括：

（1）认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内；

（2）计算中忽略构造应力，将初始应力场假定为自重应力场；

（3）所有材料均为均质、连续、各向同性；

（4）由于长时间堆载，并且地表出现渗水现象，计算按照塑性排水计算类型计算。

3.2 参数选取及工况设置

本构模型的选取直接影响计算结果的可靠性。土的本构模型大体上可以分为弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑性模型、内时塑性模型以及损伤模型几类。

本次计算土体选取可考虑土体小应变的HSS 模型，混凝土结构采用线弹性本构模型模拟。表3 所示土体参数根据工程地质勘查报告和文献[21-22]取值。工程桩结构采用嵌入桩单元模拟，混凝土结构重度均为25 kN/m³，弹性模量为30 GPa，泊松比取0.2。工况设置为：使用K0法自动平衡地应力，打工程桩，地面堆载。

3.3 计算结果及分析

PLAXIS3D 三维有限元分析虽难以模拟出堆土中土体结构与分布，计算结果中的基桩沉降离散性对比实测数据较小，但能够计算实际工程中难以测得的数据，例如深层土体的沉降、桩侧摩阻力等，进而从更深层次揭示堆土引起桩体沉降的原因及其机理。

地表变形如图6 所示，在堆载中心处最大地表沉降量为340 mm，打设桩的位置沉降较小，楼栋之间没有桩的位置沉降较大。在桩顶沉降中，堆载中心位置的基桩最大桩顶沉降量223 mm，为41#楼的13 m桩；位于堆载边缘的基桩中，最小沉降量61 mm，为40#的19 m桩，区域基桩沉降量与实测沉降量平均值相差不大，验证了有限元分析的合理性。

图6 地表变形云图

选取桩底深度处-19 m 和-55 m 的深层土体沉降进行分析，-19 m 处的土体沉降云图如图7 所示。-19 m 处最大土体沉降仍有118 mm，从堆载中心向外逐渐减小；-55 m 堆载中心处土体沉降仍有1.6 mm，但空间分布较为均匀，计算域内沉降差最大为2 mm，表明堆载的影响区深度较大，与规范中给出的50 m影响深度也较为吻合。

图7 桩底深度处（-19 m）土体沉降云图

选取上文中桩顶沉降最大和最小的两基桩进行桩侧摩阻力计算分析，如图8 所示，土体的大幅度沉降，在桩上部产生了向下的负摩阻力，是桩产生向下沉降的最主要因素，两基桩上部最大负摩阻力相差一倍，是区域内基桩沉降离散性较大的主要原因。

图8 桩侧摩阻力图

4 结论

（1）在已施工完成基桩上方进行大面积堆土，可引起基桩沉降。按区域分析基桩沉降趋势基本符合软土地区大面积堆土的沉降规律，但因无基础的调节作用，以及受基桩本身的施工时间、桩长、排水条件、堆土厚度、受力、刺入及所在位置等因素影响，在单体建筑区域中基桩沉降量存在较大的离散性。

（2）采用PLAXIS3D 三维有限元软件对区域大面积堆载进行数值模拟计算，计算结果表明：在堆土中心处的地表沉降及桩顶沉降最大，与无桩区域相比，打桩区域的地表沉降较小；数值模拟得出的沉降影响深度与规范相符；堆土引起桩周土对桩身上部的负摩阻力差异是基桩沉降离散性较大的主要原因。

（3）经对该项目的基桩沉降和沉降差异性的成因进行综合分析和有限元模拟，对大面积无序堆土引起基桩沉降进行研究，该工程结合桩的实际沉降情况将部分承台进行了加深处理。