沉桩挤土效应对工程环境的影响及研究综述

李富荣,王照宇

(盐城工学院土木工程学院,江苏盐城224051)

在我国,随着城市化规模不断扩大,城市化发展呈现房屋高层化、立体交通化及市政管线密集化等趋势,且大量的市政设施埋置在地下,如污水渠道、煤气和供水供电系统、通讯系统等。与此同时,静压桩以其桩身的质量易于保证和检查,价格相对较低,以及施工工效高,无泥浆、无噪音污染等优势,成为目前我国工业与民用建筑中,特别是软土地基上的建筑广泛采用的桩型之一。

静压桩沉桩过程中,桩周土体运动复杂,桩身端部以下土体产生压缩变形。随着桩贯入压力的增大,当桩端处土体所受压力超过其抗剪强度时,土体发生急剧变形而破坏,桩侧土体产生塑性流动(粘性土)或挤密侧移和拖带下沉(砂性土),桩端下土体被向下和侧向压缩挤开。地表处粘性土体向上隆起,地面深处由于上覆土层的压力,土体主要向桩周挤开,使贴近桩周土体结构完全破坏,周围土体亦受较大的扰动影响,而桩身受到土体强大的法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩端阻力的抵抗。

可见,静压桩作为挤土桩,在施工过程中,挤土效应的影响范围和挤土的力是相当大的,对周围环境的影响是不可忽视的,特别是在饱和软土地区,对基础埋深浅,结构较差的建筑物和对变形敏感的地下管线,如地铁、隧道、煤气管道、自来水管道等危害更大,经常发生房屋开裂煤气泄漏等事故。如南京金陵饭店(37层),当中央塔楼下64根桩沉桩施工完成后,发现场地两侧隆起44 cm,桩上浮2 cm,最大上浮为7.3 cm,桩顶水平位移26.5 cm。南京长江大厦采用挤土桩基础,施工中就发现将其西侧人行道挤抬起,围墙挤倾斜。

由于沉桩挤土效应对周围工程环境的显著影响。国内外学者从单桩挤土效应到群桩挤土效应,从理论研究到试验研究,从挤土效应本身到挤土效应对周围环境的影响等多方面对沉桩挤土效应问题开展了大量研究工作。

1 沉桩挤土效应对工程环境的影响

沉桩时产生的挤土效应以及对周围环境的影响是多方面的,对于软土地基,主要有以下几点:

(1)沉桩导致周围土体产生变形,包括水平位移和垂直隆起。沉桩时,由于桩要置换相同体积的土,对周围土体产生侧向挤压,引起土体水平位移,过量的土体水平位移作用在先前打入的桩上,会造成桩位的偏移、桩身的翘曲,严重时甚至造成桩的折断。同时,还会在一定范围内造成地面的垂直隆起和抬高,在沉桩范围内有可能造成已沉入桩的上浮。

(2)静压桩挤土效应引发的环境问题。土体的水平位移和垂直隆起会对沉桩范围外一定距离内的建(构)筑物造成损坏,如造成邻近建筑物、构筑物、道路、挡土结构以及地下设施和管线的一定程度破损等。常常表现为:地坪开裂、已打入桩的桩顶偏位、道路开裂、邻近建筑物上抬、门窗开启困难、工业厂房行车困难、地下管线变位和开裂等。

(3)沉桩过程中,特别是在饱和软粘土中沉桩,会产生很高的超孔隙水压力。当超孔隙水压力达到一定数值时,环向的有效应力会出现负值,也即拉应力,而切向有效应力也可能出现负值,影响桩基的承载力;过高的超孔隙水压力也妨碍施工的速度,甚至威胁邻近建筑物和构筑物的安全;当土中某一方向上有效应力为零时,则与之垂直的方向上会出现裂缝,也即“水裂”现象。

(4)沉桩时土体的原始结构被破坏。桩对土体的扰动,使桩身周围土体的应力状态发生变化,尤其对于具有一定结构强度的结构性软粘土,桩周土体实际上是一个被撕裂、破坏、扰动和重塑的过程,土体工程性质较沉桩前有较大的改变。

2 理论研究

用理论来研究沉桩引起的桩周土体的应力状态变化、孔压的产生和消散、桩周土体的强度变化、桩的极限承载力的变化以及沉桩挤土效应等现象由来己久,从20世纪70年代起,国内外在这方面做了不少工作。归纳起来,主要有以下三种方法:圆(球)孔扩张法、有限单元法、应变路径法。

2.1 圆孔扩张法

前人通过对模型桩和真实桩沉桩过程的观察,发现在沉桩过程中,桩尖处土的变形类似一球形孔扩张引起的变形。而在除桩尖和地面附近外的绝大部分桩身周围,土的变形类似一个圆柱形孔扩张引起的变形。

圆孔扩张理论于1945年被首先提出[1],用于研究金属压痕问题。随后开始用这种理论解决岩土力学问题,如用于解释旁压试验机理,并得到了很大的发展。

20世纪70年代以来,圆孔扩张理论成为求解沉桩对周围土体影响应用最广泛的一种方法[2-5]。近20 a来,国内不少学者利用圆孔扩张理论对沉桩挤土效应进行研究,也取得了不少成果[6-10]。

圆孔扩张法可以考虑桩体扩张对土体的影响,形式较为简单,可以较好地给出轴对称或球对称情况下的应力场、应变场和孔隙水压力,并得到了广泛的应用,具体来说有以下三大优点:①将桩模拟为一维扩张问题,易于求解;②由于求解的简单,可以考虑更复杂的土体模型以及大应变等其他方面;③由于圆孔扩张理论所用的参数可为一般标准试验得到或间接得到,易于在工程中得到应用。但它只是平面应变的假定,土体的变形仅限于径向,将一维的圆孔扩张解应用于桩体贯入这样一个三维问题,导致其解只与径向坐标r有关,而与坐标深度无关,并忽略孔壁摩擦力的影响,对于压桩引起的变形分析不尽合理。

2.2 应变路径法

麻省理工学院Baligh[11]领导的小组经过10 a的研究,提出了应变路径法。这种方法假定,土体中产生的变形不是由应力控制,而是由不旋转的无黏性理想流体来决定的,在不考虑土体本构关系的情况下,推广对速度积分求得变形,然后由微分求出应变,将桩体贯入模拟为单个边界以速度v扩大的球形孔沿竖向匀速运动,通过对应变路径的描述,即三个偏应变的分析,从而得出桩体贯入过程中土体位移和应变的变化情况,并得到了一些有意义的结论:①发现桩周一定范围内土体存在“应变反转”和主应力旋转现象,土体有可能由“压”变为“拉”,这种现象将对应力和孔压产生显著影响;②证实了沉桩时土体可分为“塑性区”和“弹性区”两部分;③指出了考虑土体“扰动”后性质变化的重要性。所以,Baligh等人的研究有其独到之处,它可以给出贯入过程中土体应力、位移分布的大致情况。但是,Baligh提出的应变路径法也有其缺点,它忽略了地表面是自由面的边界条件,得出所有的土体单元都具有向下的位移,这与沉桩时地表面会发生隆起的实际情况不符合,因此,这种方法只适合桩端附近的应变场,而对于远离桩端的应变场则很难得到一个合理的结果。随后Baligh(1986)[12-13]在利用应变路径法得出沉桩时位移及应变场的基础上,推导了相应的剪应力及孔压规律。

在沉桩过程中,应变路径法是一种非常有效的方法。Poulos(1994)[14]应用该方法分析了单桩沉入过程中桩周土体的水平和垂直位移以及土体位移对己打入桩的影响。

2.3 有限单元法

由于沉桩问题的复杂性,求得解析解或近似解往往会遇到很大困难,这时数值方法就成为解决问题的有效工具。在过去20 a、30 a中,有限元法被广泛应用于分析桩的工作机理。在分析静力沉桩过程方面的研究集中体现在Chopra[15]和Mabsout[16]的工作上。

有限元分析方法在一定程度上能够考虑土体的本构关系、大变形和桩土相互作用。但还存在如下的问题:①编制能够考虑几何大变形、材料非线性、桩土摩擦的三维的符合实际情况的程序很难,并且还要考虑压桩机的作用和重力初应力场等,目前研究人员所用的程序都是在某些方面作了简化处理;②贯入过程难于精确模拟,在真实情形下,桩周围土体与静止不动时产生不同的竖向和侧向应力,并且随贯入的进行,土体应力亦发生变化。目前的有限元还难于模拟;③有限元计算精度严重依赖于本构模型的选用和参数的确定,在现有土工试验水平的基础下,常规的原状土的三轴应力应变关系尚不普遍,更不要说模拟受挤压后土体的本构关系了;④边界条件的模拟:理想条件下地表面下无穷远处土体竖向位移和距桩边水平无穷远处土体水平位移为零,但有限元分析中必须指定有限远处的土体位移为零,由此必然产生误差;⑤群桩的挤土效应分析目前难以模拟;⑥土体裂缝问题:实际压桩过程中,在地表面和土体中都有裂缝产生,目前的有限元方法还无法有效模拟;⑦计算机耗时问题:虽然计算机的性能得到了大幅度提高,但沉桩涉及几何非线性、材料非线性和接触非线性等复杂问题,如采用不适当的分析方法会耗时过多,从而不能很有效地分析和解决问题。

可见,国内外学者已经在沉桩挤土效应方面取得了丰硕的研究成果,但理论研究仍存在一些难度或问题,要更好地解决沉桩挤土效应问题,应将理论研究与试验研究相结合,大型模型试验和现场试验的研究成果更具指导意义,从而推动沉桩挤土效应理论的发展。

3 试验研究

3.1 现场实测

3.1.1 对土体的剪切强度的影响

实测结果表明,沉桩的初始阶段黏土的不排水剪切强度减小很多,随后会随时间增长而显著恢复。沉桩瞬时桩周土在含水率为常量的条件下重塑,土体的原状结构受到破坏,不排水抗剪强度大幅度下降,随后由于土体的触变性和超静孔压的消散,抗剪强度逐渐恢复[17-18]。

3.1.2 沉桩时引起的桩周土体超静孔隙水压力

沉桩时桩周土体会产生较高的超静孔隙水压力,一般情况下,桩周附近土体的超静孔压最大,随着离桩表面距离的增加,超静孔压急剧降低且消散也比较迅速。超静孔隙水压力值有时会达到一个很大的值,甚至大于土体的附加有效应力[19]。

3.1.3 沉桩过程中产生的土体位移

一些学者直接用桩周土体的隆起量占桩压入土体的总体积的百分比来衡量桩挤土性的大小。即,平均隆起量=α×桩的体积/桩基础所占的面积。式中,α为排土量占整个桩体积的百分比。Avery&Wilson测得 α为60%;orrje&Broms[20]发现钢筋混凝土预制桩在灵敏的软粘土中 α仅为 30%,Adams&Hanna[21]发现H形钢桩压入较硬的土体中时,α为100%;Hagerty&Peck[22]发现非灵敏粘土中α为50%左右,并基于桩身受力平衡对邻桩上浮量作了估计。土体隆起量测量结果差异既与土体的特性有关,也与测量技术差等因素有关。

Randolph等[23]和 Cooke&Price等[24]对桩中段的桩周土水平位移进行了测量;Hmamond[25]对桩的上浮做了测量。学者们对桩周土的水平位移的变化规律的观点基本一致,认为随着距桩中心的距离的增大,水平位移减小,且呈指数形式衰减。

3.2 室内模型试验

在对沉桩的挤土效应进行实测研究的同时,国内外学者还进行了室内模型试验研究。国外学者中典型的沉桩试验有[28]:Banerjee等利用模型固结试验箱做粘土挤土效应试验,桩体上装有器件可测轴力、侧向土压和孔压,土体内离土体一定范围的不同深度埋设4只孔压仪,将沉桩过程及再固结过程中观测到的桩周土体的应力、孔压与大应变有限元(贯入分析)和小应变有限元(固结试验)计算结果及圆孔扩张结果作了比较,结果皆较为吻合。Azzouz等用装有PLS(Piezo-Letaral Stress)压力盒的模型桩沉入两种粘土层中,这种压力盒可以同时量测作用在桩身上的水平总应力、孔隙水压力和剪应力。主要结论:应变路径法比圆孔扩张更好的接近实测,而土的敏感度对作用在桩侧的有效应力影响较大。当然该试验着重对桩体侧摩阻性状的分析。

我国学者中,刘祖德等提出了显微镜跟踪法,应用于模型槽试验中;河海大学岩土工程研究所已于1996年建造起一座大型多功能模型试验槽,侧面设有有机玻璃窗;丁佩明利用该模型槽进行了砂土中的静压桩试验,通过在土体中按一定的距离在垂直于试槽玻璃方向埋设长度小于5 mm的大头针,取得了有关压桩产生的土体位移的一些成果[29]。樊良本、朱国元[30]为验证圆孔扩张理论解释单桩周围土的应力状态的适用性,设计了模型桩试验。试验装置采用K0仪,并将其加荷帽作了改进。K0仪试验原是在无侧向膨胀条件下对土样施加轴向荷载的同时测定其侧向应力,从而可求出土的侧压力系数K0值。改进后的加荷帽有利于在对土样施加轴向固结荷载的同时沉入模型桩。通过在直径为D的土样中沉入不同直径的模型单桩(钢桩),测定土样周界上(p=D/2)的总径向应力增量,用以与理论值比较。陈文[31]通过静压桩在不同粘土中贯入的离心模型试验,对桩体贯入饱和粘土时的土体位移和初始超孔压进行了研究。徐建平等[32]通过静力压入单桩和双桩的模型试验,研究了沉桩的挤土效应,获得了沉桩过程中土体位移随水平和深度方向变化的规律,并对压入单桩与双桩的试验结果进行了比较分析。丁佩明通过砂土中沉桩模型试验,研究了沉桩对砂性土的挤密效应。何杰等[33]通过室内模型试验,比较分析了静压楔形桩及等截面桩的挤土效应。张述涛等[34]比较分析了均质地基和双层地基的最终土体位移场,得出静压桩在双层地基中,由于软硬土层间的相互作用,所产生不同于均质地基情况下的土体变形规律。张建新等[35]基于室内模型试验,分析了群桩顺序压入土体后所引起的土体变形规律、超孔隙水压力的变化和沉桩前后土体的微观结构特征。詹乐等[36]研究边坡坡顶邻近处群桩的压入对边坡土体位移的影响规律,得出了群桩压入过程对边坡土体位移的影响规律。

4 存在问题

静压桩在工程应用方面优点较多,其挤土效应的研究越来越受到国内外学者的广泛关注,但尚存在以下一些问题:

(1)理论研究相对滞后,不能更好的指导工程实践。通过理论研究沉桩挤土效应问题由来己久,但仍然相对滞后。

(2)挤土效应研究基本局限于单桩或单排桩的研究。在实际桩基工程中,挤土效应引发的工程问题大部分是由于群桩挤土效应引起的。目前,对沉桩挤土效应的研究主要集中在单桩或单排桩,对群桩挤土效应研究较少。

(3)在试验研究中,现场试验反映的是工程实际情况,观测数据更加可信。但是,由于各个试验现场的条件差异很大,各种复杂的因素都会对最终的试验结果产生影响,因此现场试验的结论有一定局限性,且现场试验成本较高,不能广泛开展。

模型槽试验过于依赖其尺寸和采用的边界模型,但存在尺寸受限、边界效应、相似比等问题,其成果只能作为定性分析,而无法得到精确的定量成果。而离心模型试验能够很好地解决土体自重的模拟问题,是一种较好的研究方法,但成本较高,有条件应优先采用。

(4)研究只限在挤土效应机理的本身,基本忽略了群桩挤土效应和相邻建(构)筑物、市政道路、地下管线等周围工程环境的相互作用,实际上,这才是研究挤土效应的最终目的。

(5)控制挤土效应基本都是被动措施,这无形中增加了工程造价,甚至会造成一定的浪费。

5 结 语

本文介绍了沉桩挤土效应对工程环境的影响,并分析了挤土效应在理论研究、现场实测、模型试验等方面的研究成果以及存在的问题。随着静压沉桩的广泛应用,出现的问题也必将逐步得到解决。为此,作者做如下建议:①通过大型模型试验,特别是破坏性试验,研究挤土效应问题;②充分重视群桩挤土效应及其与周围环境相互作用问题的研究;③在新型桩基方面,提出挤土效应的主动控制措施;④收集资料,总结工程经验,与理论相结合,研究挤土效应问题。

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