现浇X形混凝土桩沉桩挤土效应现场试验研究

刘汉龙，金 辉，丁选明，李 健

（1. 河南大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2. 河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；3. 江苏省交通规划设计院，南京 210000）

1 引 言

桩基分为挤土型桩和非挤土型桩两种，其中挤土类桩的挤土效应所造成的影响主要表现在以下几个方面：（1）沉桩时，由于桩周土层被压密并挤开，使土体产生垂直方向的隆起和水平方向的位移，可能造成近邻已压入的桩产生上浮，桩端被“悬空”，使桩的承载力达不到设计要求；造成桩位偏移和桩身翘曲折断等质量事故；可使相邻建筑物和市政设施的发生不均匀变形以致损坏。（2）压桩过程中孔隙水压力升高，造成土体破坏，未破坏的土体也会因孔隙水压力的不断传播和消散而蠕变，也导致土体的垂直隆起和水平方向的位移。

学者对挤土效应的研究包括：（1）数值分析方法。Mabsout等[1]建立了非线性有限元模型，模拟了预钻孔对于桩挤土效应的影响，并与非预钻孔沉入时桩的挤土效应进行对比；罗战友等[2]采用合适的土体屈服准则及有限变形理论，通过在桩-土界面设置接触以及在桩顶施加位移荷载，建立了符合压桩实际的有限元模型，利用得到的有限元模型模拟了沉桩产生的挤土位移场，讨论桩-土界面不同摩擦情况对沉桩产生位移场的影响。（2）理论分析方法。Randolph等[3]将平面应变条件进行周对称简化，探讨沉桩对于桩周土强度变化和含水率变化的问题；Vesic[4]提出了无限土体中利用球形或者圆柱形扩张理论，研究沉桩挤土效应的一种通用方法；刘裕华等[5]基于圆孔扩张理论对预制管桩的挤土效应进行弹塑性分析，得到塑性区半径、土体位移等解析表达式，也对实际工程中常遇到的土塞效应对该理论应用的影响进行了讨论；高子坤等[6]应用变分原理推导沉桩挤土位移、应变和应力场解答。（3）试验研究。费康[7]开展了现浇大直径薄壁管桩（PCC）挤土效应研究，得出PCC桩存在部分挤土效应，桩的几何特征是控制挤土效应的关键因素。

以上研究都针对圆形截面或环形截面桩展开，但现浇X形桩作为一种异形截面桩，沉桩挤土效应规律不同于常规圆形截面桩。过去对现浇X形桩的研究主要在截面特性[8－9]、竖向承载特性[10]、桩-土荷载传递规律[11]等方面，目前尚无针对X形桩沉桩挤土效应的研究。

本文结合长江四桥接线段软基处理工程，分别在试验桩周围埋设土压力计，孔压计和测斜管进行现场试验，对现浇X形混凝土桩沉桩过程产生的挤土应力进行分析。

2 工程概况

南京长江第四大桥接线工程位于南京市六合区龙袍镇，属于典型长江中下游软土地区，沿线地区分布着大量淤泥及淤泥质黏性土，根据地质资料（见表 1），北接线 K9+764～K9+870段为一般公路段，路基分布有①1层软土分布，为灰色流塑状态淤泥质（粉质）黏土、淤泥，高压缩性，低抗剪强度。软土埋深浅，厚度不均，局部可厚达22～23 m，压缩性高，强度低，土质较差。该路段为公路拼宽段且存在箱涵及其过渡段，应严防新路基与老路基之间的不均匀沉降。原设计方案为湿喷桩处理方案，湿喷桩属于柔性桩，施工时需保证水泥浆液与土层混合均匀，施工过程控制需要非常严格，且施工后质量检测费用较高。拟采用新处理方法：现浇X形混凝土桩属于刚性桩，且施工质量容易控制，检测费用低，适用于该路段软基处理。通过技术经济比较，最后改用现浇X形混凝土桩处理方案。图1为现场试验场地CPT测试结果。该路段软基采用梅花形布桩形式，桩间距为 2.2 m。桩尺寸如图 2所示。图中，虚线为等截面圆形桩和等周长圆形桩示例。

表1 现场试验场地土性参数表Table1 Soil parameters in field test site

图1 现场试验场地土性CPT测试结果Fig.1 Results of CPT tests for field test site

图2 试验桩尺寸Fig.2 Size of the test pile

3 现场试验仪器埋设和测点布置

试验桩桩长 12 m（位于 K9+848.3～K9+888.3路段内），外包圆直径 D为 0.611 m，开弧间距为0.120 m，开弧角度为130o，分别在其开弧方向和凹弧方向布置测点，沉桩前后分别进行测试，比较沉桩前后各监测仪器读数的变化。

试验仪器的埋设位置：①距离施打桩中心1.0、2.0、3.5 m处各埋设1根距离桩顶15 m的测斜管。②距离施打桩中心1.0、2.0、3.5 m处设置观测孔，在6 m和9 m处埋各设1支孔隙水压力计。③距离施打桩中心1.0、2.0、3.5 m处成孔，在3、6 m处垂直埋设土压力盒，受力面对准桩心。具体布置如图3所示。

埋设不同深度的孔压计时，为了防止同一孔中不同深度孔压计由于水压串孔而测不准，第一个孔压计埋设完成后，会填埋泥球将孔压计包裹住，在孔外设置了1个固定点，将需要露出的导线长度固定在1根木桩上，从而保证孔压计在指定位置。然后再向孔内填砂，保证孔压计的位置不会发生变化或者严重的串孔现象。

为保证土压力盒的手里面正对桩中心，采用 2根钢筋焊接在土压力盒的两边；为了防止在埋入过程中土压力盒上移，在土压力盒的上下边同样焊接了2条固定钢筋。此外，将土压力盒与焊接的钢筋用胶带再次固定，保持钢筋的相交平面与土压力盒的手里面相互平行，便于在埋入土压力盒的过程中保证土压力盒能够正对桩中心，具体埋设方法如图4所示。

图3 现场试验仪器布置图(单位：m)Fig.3 Arrangement of facilities (umit: m)

图4 土压力盒固定方法Fig.4 Fixed method of earth pressure cell

4 试验结果及分析

4.1 水平位移变化规律分析

图5为邻桩沉入深层水平位移变化图。由图可见，距离桩中心1.0 m（1倍桩径）、2.0 m（3倍桩径）、3.5 m（5倍桩径）处测点最大水平位移在桩顶，分别为2.64、2.17、1.14 mm，土体的最大位移产生于桩端，随着深度的增加，土体的侧向位移呈现逐渐减小的趋势，符合一般桩的变化规律。

图5 前排桩沉入水平位移变化图Fig.5 Changes of submergence horizontal displacement (front pile)

图6为试验桩测斜管深层水平位移变化图。由图可见，距离桩中心 1.0、2.0、3.5 m 处测点的桩顶水平位移分别为 28.91、20.82、4.33 mm。对于2.0 m和3.5 m处的测点，最大位移产生于桩顶，但对于1.0 m处的测点，最大位移并不产生于桩顶，而是产生于距离桩顶1.5 m处的测点，最大位移为29.06 mm。总体分析，土体的深层水平位移随着深度的增加基本呈现减小的趋势，且距离桩中心越近，由沉桩引起的土体的水平位移越大，1.0 m处水平最大位移没有在桩顶出现的原因可能是由于现场邻桩施工或者场地条件造成的影响。对于3.5 m（5倍桩径）处测点的最大水平位移值为4.33 mm，可以忽略不计，此处小于圆形桩的6倍桩径。此处也可以看出，现场试验的桩间距为2.2 m，邻桩的施工会对本次试验的测试结果产生一定的影响。

图6 试验桩沉入水平位移变化图Fig.6 Changes of submergence horizontal displacement (test pile)

4.2 侧向土压力分布规律分析

图7为试验桩沉入后同一深度但不同方向各个测点的土压力变化。由图 7(a)可见，深度为 3.0 m测点处，测得尖角方向距离桩中心1.0、2.0、3.5 m处的沉桩前后的土压力变化值分别为 27、19、12 kPa，凹弧方向的则分别为26、4、8 kPa。由图7(b)可见，在深度为3.0 m测点处，测得尖角方向距离桩中心1.0、2.0、3.5 m处的土压力变化值分别为34、29、22 kPa，凹弧方向的则分别为 33、8、9 kPa。分析可知，同一深度距离桩中心越近，桩身沉入所产生的侧向挤土压力也就越大，此外，尖角方向所受到的侧向土压力要大于凹弧方向所受到的侧向土压力。

图7 不同方向土压力对比图Fig.7 Comparisons of earth pressures in different directions

图8为同一方向下不同深度土压力的变化。由图可见，随着中心距地增加，侧向土压力增加的幅度越来越小，并且随着深度的逐渐增加，土压力的变化也越大，即在同一方向处6 m深度处侧向土压力的变化大于3 m深度处土压力的变化。

4.3 孔隙水压力规律分析

图8 不同深度土压力对比图Fig.8 Comparisons of earth pressures in different depths

图9 沉桩孔隙水压力变化图Fig.9 Comparisons of earth pressures in different depths (concavity)

图9为试验桩打入时孔隙水压力的变化。由图可见，在深度为6 m测点处测得尖角方向距离桩中心1.0、2.0、3.5 m处的沉桩前后孔隙水压力变化值分别为29、18、13 kPa，在深度为6 m测点处测得尖角方向距离桩中心1.0、2.0、3.5 m处的孔隙水压力变化值分别为18、13、4 kPa。分析可知，孔隙水压力也呈现增加的趋势，但是，随着中心距的增加，变化的幅度也越来越小，且6 m处的孔压变化大于9 m处的孔压变化。由图9亦可见，随着试验桩的沉入，桩周围的孔隙水压力将增加，随着中心距的增加，这种增加的幅度也将随之减小，凹弧方向的孔压增加要小于尖角方向孔压的增加，深度越深孔压的增加也就越大。另外，桩周围的孔隙水压力也增加，试验桩打入时，深度越深，孔隙水压力的增加也就越小。

5 结 论

（1）现浇X形桩的最大水平位移发生在地表附近，随着深度的增加，土体的水平位移逐渐减小，距离桩中心越近，产生的水平位移也越大。试验结果表明，距离5倍桩径以上距离产生水平位移可以忽略不计，即X形桩挤土半径为5倍桩径，小于常规圆形桩的6倍桩径。

（2）挤土压力随着桩中心距的增加，逐渐减小，在不同方向处（尖角方向和凹弧方向），所产生的挤土压力大小并不相同，尖角方向的挤土压力大于凹弧方向的挤土压力。

（3）孔隙水压力随着深度的增加逐渐减小，离桩越近，桩沉入时产生的孔隙水压力越大。

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