软土地基中桩基施工时的挤压力影响

张磊

【摘要】饱和软土地基中桩基设计和施工的一个重要限制因素是其对周围环境的影响。桩基施工时产生的巨大挤压作用， 会使桩区及附近相当范围内的土体发生向上隆起和水平位移， 桩体上抬、偏位、折断时有发生。有时因危及周围管线、地面道路和建筑物的安全还不得不改变原有设计，软土地基中桩基施工的挤压效应及其预防措施是岩土工程界高度重视的问题。本文对桩基施工过程中对土的挤压力进行了研究。

【关键词】软土地基；桩基施工；挤压力；

通过对一桩基工程中实测资料的分析， 得到了关于软土地基中桩基施工时产生的挤压力的一些规律， 并与已有的理论解进行了对比. 这些结果可为进一步的理论研究和机理探讨积累资料和经验， 也可为改进桩基施工工序、采用合理措施减少断桩和对邻近建筑物的危害提供依据.

一、桩基础端部土体的挤压应力变化规律以及影响半径

1.理论计算分析。由于土体属于各项异性物体，在理论上很难进行全面的模拟，在实验室进行沉管灌入桩实验模拟依旧是很复杂的工作。具体模拟的理论依据是：将桩基础贯入式模型理想化为土体中空隙的膨胀，建立力学模型以后，利用弹塑性力学进行求解，考虑到该问题转化为对称性问题，利用力学方法方便求解，得到球形空隙膨胀以后在四周的土体上形成一个弹塑性界面，其应力、变形、位移分布均符合Mohr-Coulomb 屈服准则的饱和弹性完全塑性材料，根据公式可以求解出，球形空隙膨胀以后应力的增量具体如下：在塑性区域应力分析：，在弹性区域应力分析：，式中：Δσr 为径向应力增量值；R p 为土体塑性区域的半径大小；r 为土体离开桩基础形心的距离；C u 为土体在不做排水处理下的抗剪强度。由于在土体的塑性区域仍然保留有边界位移量，为了忽略次要因素，假设塑性区域内的土体不可压缩，其核心理论就是将单个灌注桩周围要研究的土体理想化为一个弹塑性模型，虽然式中的参数已很明确，但是确定参数值的过程仍然很复杂，由于土体受外界环境因素影响复杂，参数的值没有普适性，因此，上述算式只有经过具体的工程实际修正后，方可在工程计算中直接使用。

2.测量结果的分析与整合。图1是设置在埋深7.6m 处的压力盒传来的结果，从图像中可以看出：贯入桩的端部在没有接触到土体观测点时已经产生应力影响，两者之间的位移差伴随沉桩与被测点距离的减小而变化。第182号桩位与观测点的水平距离为0.72m，当沉入桩进入土体深达3.4 m时，即距离被测点的高差4.4m时，压力计读数开始骤然增加；桩端距离观测点高差接近1 m时，土体的挤压应力显著增加，当沉入桩一接触到土体瞬间，挤压应力达到峰值，随后，伴随贯入桩的继续深入，当桩端超出被测点的标高时，挤压应力将减小，并且维持在一个范围内波动，峰值同波动值的比大约为1.41。这充分表明：桩基础端部的径向挤压应力是在沉桩阶段受到的最大挤压应力，产生部位在端部同一水平面上，位于这一基准面上的桩基础主要承受沉入阶段的摩擦力，摩擦力的大小相对恒定，相比径向挤压应力小很多，但是峰值同波动值的比值伴随桩位同观测点的水平间距增加而降低。

二、 施工流程的影响

桩基施工时对土的挤压力与沉桩的施工流程有关，图2是与量测桩相距75 cm的一排桩（ #137～#153桩） 施工时测出的压力变化。在不同的测点埋深处， 都显示了这样一个共同的规律： 当量测桩进入沉桩的影响范围并相距越来越近时（从左向右）， 挤压力增长很快， 并当沉桩桩位与量测桩最近时达到峰值。随着沉桩桩位背向量测桩逐渐远去， 对量测桩的挤压力也渐渐降低， 并保持在某一基本稳定的水平上。在深层土中， 峰值及稳定值与沉桩前的侧向土压力之比， 分别为1. 7～ 2.0和1.3～ 1.6； 但在浅层土中， 峰值与沉桩前压力值之比仅为1.2， 而沉桩后的稳定值反而小于沉桩前的。这也就是说， 即使距离相同，向着被影响物渐近的桩产生的影响比背着被影响物远去的桩所产生的要大得多。

三、关于群桩基础形式布置中土体挤压应力分析

1.贯入桩进入土体以后，使软土地基逐漸密实，导致挤压应力骤增；但是，随着施工的开展会使得已经安定的土体重新松散，尤其是土体浅表会出现明显的隆起，最终使得应力分散。所以，在施工中土体经历了"松散-密实-松散"的循环过程，就理论分析，施工前土体中任意微元体均经受来自竖向压应力和侧向压应力的共同作用，并且保持自平衡，根据材料力学理论，竖向挤压应力是所确定应力圆的最大应力方向和最小应力方向，因此，可以确定土体微元体的应力圆。

2.由于桩基础的挤压作用，导致土体的侧向应力增加，而竖向应力不变，应力圆在横向缩小。如果侧向挤压应力超过竖向应力，最大主应力的方向将逆转，应力圆反而变大，直到侧向挤压应力达到峰值时，即应力圆同土体强度包络图相切，这一瞬间前，土体仍然属于弹性变形阶段。所以，在进行施工前，土体的侧向压应力伴随桩基础的贯入数量增加而持续增加，一旦贯入桩的数量超过土体微元体维持线弹性的极限应力条件，对于服从Mohr-Coulomb 屈服准则的土体将产生不可逆转的塑性变形，即出现整体位移和局部隆起，由于形变增加，侧向压力由于土体松散而急剧降低，继续贯入将造成土体更大的塑性破坏，此时侧向压应力保持在一个范围内做微小波动。根据应力圆同强度包络图之间的关系，可推导出土体发生塑性变形后的侧向压应力与竖向压应力之间的函数关系。具体表达式如下：，经过计算，土体的侧向压应力稳定值σs 与观测点的埋深有密切的关系：在埋深为1.2 m 的表层部分，土体的稳定值介于55～60 kPa 之间，大约是竖向压应力的2.8 倍左右；在埋深为12.8 m的土体深处，稳定值可以高达430 kPa，此时大约为竖向压应力的1.76 倍；而位于二者之间的中层7.6 m 处，稳定值为165 kPa，此时为竖向压应力的1.1 倍。稳定值之所以同埋深有密切关系，在于埋深的不同直接决定竖向压应力γh 值的大小，在γh 的作用下，土体微元体到达塑性破坏的极限，主应力值σp 不同。

3.考虑到土体中黏结力和应变延后等因素的干扰，在监测点靠近施工区域时，会暂时出现稳定值大于之前理论峰值的情况，虽然持续的时间很短，但是，这一阶段的应变影响累积效应是不能忽略的，因为最值可能超出原有峰值的15%以上，这个参数伴随贯入深度的增加而降低。因此，在施工中，尤其是桩基础贯入前期，必须严格监控测点压应力的大小，如果压应力超限，可以考虑，疏松周围土层进行释压，并进行相应的土体结构加固，等到压力值返回极限应力以下再继续施工。

结合现场理论分析，我们不难得出以下结论：一是土体挤压应力的大小与施工布置有密切关系。即便距离等同，如果在贯入阶段，伴随贯入深度的增加，取向改变以后，二者的影响程度相差甚远。二是进行群桩基础施工时，土体的挤压应力会在一定范围内增加，最终达到峰值并在小范围内波动，此时的微小波动值与相同深度的土体微元体发生剧烈塑性变形时需要的最大主应力可以认为相同，但是，也不排除在具体施工中明显高于微小波动值的情况发生，这一点应该密切留意。

参考文献：

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