等体积原理在挤土桩施工中引起地基土体变形的应用

赵文杰 袁东喜 姜洪建

(中国化学工程第一岩土工程有限公司，河北 沧州 061001)

ΔH=K1K2K3Δ

ΔV=K1K2(1-K3)Δ



等体积原理在挤土桩施工中引起地基土体变形的应用

赵文杰 袁东喜 姜洪建

(中国化学工程第一岩土工程有限公司，河北 沧州 061001)

针对挤土桩基施工时引起周围土体变形问题，采用挤土量与排土量体积相等的原理和工程实例相结合的方法，着重分析了土体变形规律，研究结果可为同类工程的设计与施工提供依据，也可对桩基设计与监测提供参考。

桩基，PHC，挤土，土体变形，阶段划分

1 概述

随着我国经济的高速发展，城市规模的不断扩大，高层建筑、重要建筑越来越多。在这些建筑基础设计与施工中，当遇到地基土层承载力不足或建筑物对沉降变形特别敏感时，桩基的采用是比较理想的办法。桩基能够伸入较深的地层中，有效提高地基承载力。但是，在桩基的施工过程中也出现了一些问题[1-3]。

目前桩基有许多分类方法，按照成桩方法可以分为非挤土桩、挤土桩和部分挤土桩。其中挤土桩主要是预制桩，施工过程为将预制桩用锤击、震动、静压的方法置入地基土中。在特定的地层中，这种成桩方法通过桩体挤入地基土中，使得桩体与地基土成为一个整体，大大提高地基承载力。但桩体挤入土中时，使周围土体发生变形[5,6]，尤其在群桩施工过程中，这种变形极为明显。当周围存在暗埋设施或建(构)筑物时，土体变形超过其允许变形值时，必然对其造成一定损害，严重时可能造成较大的经济损失与人员伤亡。在挤土桩基设计与施工时进行必要的预测与监测，能够有效的了解周围土体变形情况，必要时采取一定防治措施。

桩基周围土体变形是一个复杂的过程，受多种因素影响。目前已有一些文献对其变形规律的理论研究与现场监测作出阐述。刘虹等[7,8]就桩基施工过程中出现的问题作了一些探讨，舒国荣等[9-11]针对桩引起的挤土效应作了专门研究。

以上作者对桩基工程引起的问题作了专门的研究，大多集中于对现场监测数据的分析，从理论与实测数据相结合的角度来解决工程实际问题很少。本文在其研究基础上，主要采用挤土量与排土量体积相等的原理来研究地基土变形规律。研究结果能够为工程设计与施工提供依据。

2 桩基引起地基土变形

2.1 理论研究

由于桩基占据地基土位置，使得土体向周围运动，单桩情况下，采用挤土量与排土量体积相等的原理[12]计算桩周围土体变形：

(1)

其中,Δ为离小孔中心半径为ρ的边界面将会发生的位移;r为桩体半径;ρ为边界一点到桩孔中心的距离。

水平向和竖向位移可分别表示为：

ΔH=K1K2K3Δ

(2)

ΔV=K1K2(1-K3)Δ

(3)

其中，K1，K2,K3分别为挤土系数、挤土分配系数、水平位移挤土分配系数。

根据上式，以不同的桩径，不同的距离，得到变形量随桩径、距离的变化图(见图1)。图中总变形量变化率为桩径500 mm时的变形量变化率；总变形量为桩径分别取300 mm，400 mm，500 mm，距离桩中心的距离为5 m～60 m的变形量。由图可知：随桩径的增大，相同的影响距离时，土体的变形量越大；当桩径相同时，随距桩中心距离的增大，土体的变形量减小，且减小的速率越来越小。对式(1)，等号两边分别对Δ，ρ微分，可以得到变形量随距桩中心距离的变化趋势式(4)。

(4)

根据式(4)，当ρ足够大时，桩周围土体的变形量很小，可以忽略其影响。结合图1，将土体变形随距离的变化分为3个阶段：1)陡降段(ρ≤10 m)，土体变形值随距离的增大显著减小；2)缓慢减小段(10 m<ρ≤20 m)，土体变形速率和变形值明显减小；3)平稳段(ρ>20 m)，土体变形随距离的增大变化很小，且其变化速率越来越小并趋于零。

2.2 工程实例

2.2.1 工程背景

某工程由两栋8层住宅楼组成，地下1层，基坑开挖深度为5.5 m，持力层为砂质粉土[13]。采用静压沉桩施工工艺，桩基型号为PHC-AB500(100)-10.15，桩基施工完毕后进行基坑开挖。

地层剖面见表1。

表1 地层剖面 m

2.2.2 监测点布置

为研究桩周围土体变形规律，除对基坑周围建(构)筑物设置专门监测点外，在基坑周围布置4条监测剖面，西侧3条，东侧受场地限制布置1条。每条剖面设置4个监测点，距群桩中心距离分别为12 m，25 m，38 m，50 m。

2.2.3 土体变形规律

对4个剖面距群桩中心距离相等的监测点实测变形值进行处理，剔除差异较大数据后取平均值。图2为变形值与距桩中心距离的关系，变形随距离的增大逐渐减小，且减小的速率逐渐变小。由于土体变形受群桩布置、施工顺序、地层岩性、结构、密实度、压缩模量、饱和度等因素影响，桩周围土体变形是一个复杂的过程，这导致理论公式与实测数据之间存在一定差异。群桩情况下，按群桩截面面积总和与群桩中心代替单桩情况下单桩截面面积与单桩中心，通过对理论公式进行变换式(5)，对实测数据进行拟合。

(5)

其中,α为系数，其值与土体本身和施工工艺有关；Fi为第i根桩截面面积。

通过拟合发现，当α=0.024时，拟合效果最好，相关系数R2=0.93，说明采用式(5)能够较好的拟合群桩周围土体变形。

如上分析，土体变形仍出现较明显的阶段性，因此将土体变形随距离的变化分为3个阶段：1)陡降段(ρ≤17.5 m，dΔ/dρ≤-0.001)；2)缓慢减小段(17.5 m<ρ≤35 m，-0.00135 m，-0.003

本工程阶段性划分分界点与理论存在一定差异，主要存在以下几点原因：本次施工为群桩施工，采用群桩截面面积总和与群桩中心代替单桩情况下单桩截面面积与单桩中心的方法对周围土体变形值进行拟合时，难免会存在一定差异，且各桩的施工顺序不同也可能造成结果的微小差异；土体变形受地质环境的影响，如地层岩性、结构、密实度、压缩模量、饱和度。对比理论曲线与实际拟合曲线，二者在桩周围土体变形规律上极为相似，说明采用挤土量与排土量相等原理来研究桩侧土体变形规律是可行的、科学的。

2.2.4 结果分析

距基坑西北角50 m是两栋18层民居；基坑西侧36 m是一栋11层民居，旁边设有地下车库；基坑南侧45 m分别为7层和2层民居；基坑东侧约41 m处为地下管线，埋深约5 m，主要有煤气管、给水管、电力电缆、污水管、信息电缆。

表2 基坑周围环境监控报警值

表2为基坑周围环境监控报警值[14]。距离基坑最近的临近建筑为36 m，其变形小于10 mm，满足要求；距离基坑最近的地下管线为41 m，其变形值也小于报警值。布置于建(构)筑物与地下管线附近的监测点监测数据表明，桩基施工引起的土体变形为超过规范规定的累计变形值，这一结果与采用等体积原理公式拟合的结果一致，说明采用等体积原理在挤土桩引起地基土变形规律的应用是适用的。

3 结语

本文采用挤土量和排土量体积相等的原理，结合工程实例，着重分析土体变形规律，得出以下结论：

1)通过理论分析，根据单桩周围土体变形量变化规律，可将土体变形量随距桩中心距离划分为3个阶段：

a.陡降段(ρ≤10 m)；b.缓慢减小段(10 m<ρ≤20 m)；c.平稳段(ρ>20 m)。

2)按群桩截面面积总和与群桩中心代替单桩情况下单桩截面面积与单桩中心，采用对理论公式的变换形式能够很好的对实测变形数据进行拟合。

3)实测桩周围土体变形符合理论推导的变形规律，实测变形也存在3个阶段：

a.陡降段(ρ≤17.5 m，dΔ/dρ≤-0.001)；b.缓慢减小段(17.5 m<ρ≤35 m，-0.00135 m，-0.003

4)由于地质条件和施工工艺不同，实测变形值阶段划分分界点与理论公式分界点存在差异。

5)监测数据表明，等体积原理在挤土桩引起地基土变形规律中的应用是适用的。

应该指出，本文只对一种工程实例来说明，可能具有一定的巧合。采用这种原理来预测土体变形需大量工程实践证明，且需谨慎使用。

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[2]孙士毅,汤健民.建筑桩基施工质量控制的几个问题.建筑技术,2006,37(3):229-230.

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[10]舒国荣.探讨静压桩施工法对环境影响及措施.现代装饰(理论),2011(4):105.

[11]王良俊,张具寿.软土地层挤土桩施工对周边环境的影响及保护措施.上海建设科技,2011(5):18.

[12]张庆贺,柏 炯.沉桩引起环境病害的预测和防治.岩石力学与工程学报,1997,16(6):595-603.

[13]汪晓军,徐祥其.静压桩施工环境监测实例分析.土工基础,2011,25(3):81-83.

[14]DJ/T J08—2001—2006，基坑工程施工监测规程.

Application of equal volume principle in foundation soil deformation caused by soil compaction pile in construction

Zhao Wenjie Yuan Dongxi Jiang Hongjian

(ChinaChemicalEngineeringFirstGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Cangzhou061001,China)

According to surrounding soil deformation in compaction soil pile foundation construction, using the soil compaction and soil volume equal principle and engineering examples combining method emphatically analyzed the soil deformation law, the results could provide basis for similar engineering design and construction, but also provided reference for pile foundation design and monitoring.

pile foundation, PHC, squeezed soil, soil deformation, stage division

1009-6825(2015)18-0060-03

2015-04-12

赵文杰(1986- )，男，工程师； 袁东喜(1975- )，男，高级工程师； 姜洪建(1990- )，男，助理工程师

TU473

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