軟土地基中樁基施工時(shí)的擠壓力影響

張磊

【摘要】飽和軟土地基中樁基設(shè)計(jì)和施工的一個(gè)重要限制因素是其對周圍環(huán)境的影響。樁基施工時(shí)產(chǎn)生的巨大擠壓作用， 會(huì)使樁區(qū)及附近相當(dāng)范圍內(nèi)的土體發(fā)生向上隆起和水平位移， 樁體上抬、偏位、折斷時(shí)有發(fā)生。有時(shí)因危及周圍管線、地面道路和建筑物的安全還不得不改變原有設(shè)計(jì)，軟土地基中樁基施工的擠壓效應(yīng)及其預(yù)防措施是巖土工程界高度重視的問題。本文對樁基施工過程中對土的擠壓力進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】軟土地基；樁基施工；擠壓力；

通過對一樁基工程中實(shí)測資料的分析， 得到了關(guān)于軟土地基中樁基施工時(shí)產(chǎn)生的擠壓力的一些規(guī)律， 并與已有的理論解進(jìn)行了對比. 這些結(jié)果可為進(jìn)一步的理論研究和機(jī)理探討積累資料和經(jīng)驗(yàn)， 也可為改進(jìn)樁基施工工序、采用合理措施減少斷樁和對鄰近建筑物的危害提供依據(jù).

一、樁基礎(chǔ)端部土體的擠壓應(yīng)力變化規(guī)律以及影響半徑

1.理論計(jì)算分析。由于土體屬于各項(xiàng)異性物體，在理論上很難進(jìn)行全面的模擬，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行沉管灌入樁實(shí)驗(yàn)?zāi)M依舊是很復(fù)雜的工作。具體模擬的理論依據(jù)是：將樁基礎(chǔ)貫入式模型理想化為土體中空隙的膨脹，建立力學(xué)模型以后，利用彈塑性力學(xué)進(jìn)行求解，考慮到該問題轉(zhuǎn)化為對稱性問題，利用力學(xué)方法方便求解，得到球形空隙膨脹以后在四周的土體上形成一個(gè)彈塑性界面，其應(yīng)力、變形、位移分布均符合Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則的飽和彈性完全塑性材料，根據(jù)公式可以求解出，球形空隙膨脹以后應(yīng)力的增量具體如下：在塑性區(qū)域應(yīng)力分析：，在彈性區(qū)域應(yīng)力分析：，式中：Δσr 為徑向應(yīng)力增量值；R p 為土體塑性區(qū)域的半徑大??；r 為土體離開樁基礎(chǔ)形心的距離；C u 為土體在不做排水處理下的抗剪強(qiáng)度。由于在土體的塑性區(qū)域仍然保留有邊界位移量，為了忽略次要因素，假設(shè)塑性區(qū)域內(nèi)的土體不可壓縮，其核心理論就是將單個(gè)灌注樁周圍要研究的土體理想化為一個(gè)彈塑性模型，雖然式中的參數(shù)已很明確，但是確定參數(shù)值的過程仍然很復(fù)雜，由于土體受外界環(huán)境因素影響復(fù)雜，參數(shù)的值沒有普適性，因此，上述算式只有經(jīng)過具體的工程實(shí)際修正后，方可在工程計(jì)算中直接使用。

2.測量結(jié)果的分析與整合。圖1是設(shè)置在埋深7.6m 處的壓力盒傳來的結(jié)果，從圖像中可以看出：貫入樁的端部在沒有接觸到土體觀測點(diǎn)時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生應(yīng)力影響，兩者之間的位移差伴隨沉樁與被測點(diǎn)距離的減小而變化。第182號樁位與觀測點(diǎn)的水平距離為0.72m，當(dāng)沉入樁進(jìn)入土體深達(dá)3.4 m時(shí)，即距離被測點(diǎn)的高差4.4m時(shí)，壓力計(jì)讀數(shù)開始驟然增加；樁端距離觀測點(diǎn)高差接近1 m時(shí)，土體的擠壓應(yīng)力顯著增加，當(dāng)沉入樁一接觸到土體瞬間，擠壓應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后，伴隨貫入樁的繼續(xù)深入，當(dāng)樁端超出被測點(diǎn)的標(biāo)高時(shí)，擠壓應(yīng)力將減小，并且維持在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，峰值同波動(dòng)值的比大約為1.41。這充分表明：樁基礎(chǔ)端部的徑向擠壓應(yīng)力是在沉樁階段受到的最大擠壓應(yīng)力，產(chǎn)生部位在端部同一水平面上，位于這一基準(zhǔn)面上的樁基礎(chǔ)主要承受沉入階段的摩擦力，摩擦力的大小相對恒定，相比徑向擠壓應(yīng)力小很多，但是峰值同波動(dòng)值的比值伴隨樁位同觀測點(diǎn)的水平間距增加而降低。

二、 施工流程的影響

樁基施工時(shí)對土的擠壓力與沉樁的施工流程有關(guān)，圖2是與量測樁相距75 cm的一排樁（ #137～#153樁） 施工時(shí)測出的壓力變化。在不同的測點(diǎn)埋深處， 都顯示了這樣一個(gè)共同的規(guī)律： 當(dāng)量測樁進(jìn)入沉樁的影響范圍并相距越來越近時(shí)（從左向右）， 擠壓力增長很快， 并當(dāng)沉樁樁位與量測樁最近時(shí)達(dá)到峰值。隨著沉樁樁位背向量測樁逐漸遠(yuǎn)去， 對量測樁的擠壓力也漸漸降低， 并保持在某一基本穩(wěn)定的水平上。在深層土中， 峰值及穩(wěn)定值與沉樁前的側(cè)向土壓力之比， 分別為1. 7～ 2.0和1.3～ 1.6； 但在淺層土中， 峰值與沉樁前壓力值之比僅為1.2， 而沉樁后的穩(wěn)定值反而小于沉樁前的。這也就是說， 即使距離相同，向著被影響物漸近的樁產(chǎn)生的影響比背著被影響物遠(yuǎn)去的樁所產(chǎn)生的要大得多。

三、關(guān)于群樁基礎(chǔ)形式布置中土體擠壓應(yīng)力分析

1.貫入樁進(jìn)入土體以后，使軟土地基逐漸密實(shí)，導(dǎo)致擠壓應(yīng)力驟增；但是，隨著施工的開展會(huì)使得已經(jīng)安定的土體重新松散，尤其是土體淺表會(huì)出現(xiàn)明顯的隆起，最終使得應(yīng)力分散。所以，在施工中土體經(jīng)歷了"松散-密實(shí)-松散"的循環(huán)過程，就理論分析，施工前土體中任意微元體均經(jīng)受來自豎向壓應(yīng)力和側(cè)向壓應(yīng)力的共同作用，并且保持自平衡，根據(jù)材料力學(xué)理論，豎向擠壓應(yīng)力是所確定應(yīng)力圓的最大應(yīng)力方向和最小應(yīng)力方向，因此，可以確定土體微元體的應(yīng)力圓。

2.由于樁基礎(chǔ)的擠壓作用，導(dǎo)致土體的側(cè)向應(yīng)力增加，而豎向應(yīng)力不變，應(yīng)力圓在橫向縮小。如果側(cè)向擠壓應(yīng)力超過豎向應(yīng)力，最大主應(yīng)力的方向?qū)⒛孓D(zhuǎn)，應(yīng)力圓反而變大，直到側(cè)向擠壓應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，即應(yīng)力圓同土體強(qiáng)度包絡(luò)圖相切，這一瞬間前，土體仍然屬于彈性變形階段。所以，在進(jìn)行施工前，土體的側(cè)向壓應(yīng)力伴隨樁基礎(chǔ)的貫入數(shù)量增加而持續(xù)增加，一旦貫入樁的數(shù)量超過土體微元體維持線彈性的極限應(yīng)力條件，對于服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則的土體將產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，即出現(xiàn)整體位移和局部隆起，由于形變增加，側(cè)向壓力由于土體松散而急劇降低，繼續(xù)貫入將造成土體更大的塑性破壞，此時(shí)側(cè)向壓應(yīng)力保持在一個(gè)范圍內(nèi)做微小波動(dòng)。根據(jù)應(yīng)力圓同強(qiáng)度包絡(luò)圖之間的關(guān)系，可推導(dǎo)出土體發(fā)生塑性變形后的側(cè)向壓應(yīng)力與豎向壓應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系。具體表達(dá)式如下：，經(jīng)過計(jì)算，土體的側(cè)向壓應(yīng)力穩(wěn)定值σs 與觀測點(diǎn)的埋深有密切的關(guān)系：在埋深為1.2 m 的表層部分，土體的穩(wěn)定值介于55～60 kPa 之間，大約是豎向壓應(yīng)力的2.8 倍左右；在埋深為12.8 m的土體深處，穩(wěn)定值可以高達(dá)430 kPa，此時(shí)大約為豎向壓應(yīng)力的1.76 倍；而位于二者之間的中層7.6 m 處，穩(wěn)定值為165 kPa，此時(shí)為豎向壓應(yīng)力的1.1 倍。穩(wěn)定值之所以同埋深有密切關(guān)系，在于埋深的不同直接決定豎向壓應(yīng)力γh 值的大小，在γh 的作用下，土體微元體到達(dá)塑性破壞的極限，主應(yīng)力值σp 不同。

3.考慮到土體中黏結(jié)力和應(yīng)變延后等因素的干擾，在監(jiān)測點(diǎn)靠近施工區(qū)域時(shí)，會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定值大于之前理論峰值的情況，雖然持續(xù)的時(shí)間很短，但是，這一階段的應(yīng)變影響累積效應(yīng)是不能忽略的，因?yàn)樽钪悼赡艹鲈蟹逯档?5%以上，這個(gè)參數(shù)伴隨貫入深度的增加而降低。因此，在施工中，尤其是樁基礎(chǔ)貫入前期，必須嚴(yán)格監(jiān)控測點(diǎn)壓應(yīng)力的大小，如果壓應(yīng)力超限，可以考慮，疏松周圍土層進(jìn)行釋壓，并進(jìn)行相應(yīng)的土體結(jié)構(gòu)加固，等到壓力值返回極限應(yīng)力以下再繼續(xù)施工。

結(jié)合現(xiàn)場理論分析，我們不難得出以下結(jié)論：一是土體擠壓應(yīng)力的大小與施工布置有密切關(guān)系。即便距離等同，如果在貫入階段，伴隨貫入深度的增加，取向改變以后，二者的影響程度相差甚遠(yuǎn)。二是進(jìn)行群樁基礎(chǔ)施工時(shí)，土體的擠壓應(yīng)力會(huì)在一定范圍內(nèi)增加，最終達(dá)到峰值并在小范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)的微小波動(dòng)值與相同深度的土體微元體發(fā)生劇烈塑性變形時(shí)需要的最大主應(yīng)力可以認(rèn)為相同，但是，也不排除在具體施工中明顯高于微小波動(dòng)值的情況發(fā)生，這一點(diǎn)應(yīng)該密切留意。

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