道路约束条件下静压群桩挤土效应

李富荣，　孙厚超

(盐城工学院　土木工程学院， 江苏　盐城　224051)



道路约束条件下静压群桩挤土效应

李富荣，孙厚超

(盐城工学院土木工程学院， 江苏盐城224051)

摘要：在分析静压沉桩挤土机理的基础上，采用室内模型试验，研究了道路约束条件下静压群桩挤土效应引起的地表土体变形，包括水平位移和隆起变形，并与工程实测进行了比较分析。试验结果表明，沉桩过程中，仅桩区内地表土体水平位移是先增大后减小，其余各处土体变形均是不断增大的，只是道路外侧土体变形较小，可忽略不计；受道路约束影响，距桩区较近处地表土体水平位移减小，隆起变形增大，且桩区-道路间距离越小，该处土体变形越小，而距道路较近处地表土体变形越大；距道路越近，桩区-道路间地表土体变形越小；在道路另一侧，地表土体最大变形明显减小。工程实测表明，与室内试验结果相比，桩区-道路间土体变形呈现相同的变化规律，但受实际道路约束的影响，实测时道路另一侧土体基本未有变形。因此，静压桩施工必须考虑周边道路、建筑物等约束的影响。

关键词：道路约束；静压群桩；挤土效应；模型试验；工程实测

近年来，国内外学者对静压桩挤土效应课题进行了大量的研究，取得了显著的研究成果[1～8]，并形成了一个共识，即建立既符合实际又便于分析研究的静压桩施工模型是研究静压桩挤土效应的关键。目前，静压桩挤土效应的研究基本基于平面应变轴对称假定，不考虑周围环境的约束，仅限于研究挤土效应本身。然而，在实际工程中，很多静压桩施工不可避免地受到施工场地周边道路、建筑物等表面约束的影响。

对周围环境约束条件下沉桩挤土效应尚缺乏充分的研究，文献[9,10]采用数值模拟方法研究了道路约束、静压桩机表面约束下沉桩挤土效应引起土体变形的变化规律，并与工程实测进行了比较分析；文献[11]建立了静压沉桩全过程的三维差分数值分析模型，研究了沉桩挤土对既有隧道位移和附加内力的影响规律；文献[12]采用现场测试方法分析了人工挖孔桩施工对紧邻基坑围护结构的影响；文献[13]采用静压沉桩三维实体模型，不仅分析了有无道路情况下土体位移的变化，还探讨了存在道路时路面板的位移及应力变化情况。然而，上述研究主要是基于实际工程采用数值模拟方法开展研究，个别结合或采用工程实测，且采用桩型及沉桩施工的影响对象均不尽相同，研究内容也缺乏系统性。为此，本文以道路约束为条件，采用室内模型试验，研究静压沉桩挤土过程中地表土体水平位移和隆起变形的变化规律，并与工程实例测试进行比较，以期为实际工程的设计与施工提供有益的参考，也为环境保护提供必要的技术支持。

1挤土效应机理

在饱和软土中静压沉桩时桩侧土易受到挤压、扰动、重塑，产生超孔隙水压力。对于群桩而言，其挤土效应是各单桩挤土效应的累积，当中小桩距的群桩沉桩达到一定数量后，常出现土体隆起和侧移，基桩连同上涌，对于预制桩可能导致接头被拉断，甚至造成二节桩之间出现数十厘米的间隙；对于灌注桩则可能导致缩径、断桩等质量事故。

为了分析道路约束下沉桩挤土效应，有必要对挤土效应的机理进行分析。这里，将饱和软土中的挤土沉桩视为半无限土体中柱形小孔扩张问题[14]，应用弹塑性理论求解其沉桩瞬时的应力和变形。假定：(1) 土是均匀各向同性的理想弹塑性材料；(2) 饱和软土是不可压缩的(无排水固结的瞬间挤土)；(3) 土体符合库仑-莫尔强度理论；(4) 小孔扩张前，土体的各向有效应力均等。则小孔扩张的塑性区半径为：

径向挤土应力为：

竖向挤土应力为：

桩土界面的最大挤压应力为：

式中：cu为桩周饱和土的不排水抗剪强度；r为离桩中心径向距离；r0为扩张孔(桩)的半径；E为桩周饱和土的弹性模量；μ为桩周饱和土的泊松比。

可见，沉桩挤土效应有如下特性：

(1)挤土塑性区半径R随土的弹模增大和不排水抗剪强度减小而增大。对于具体工程，塑性区半径Rp与扩张孔即桩径成正比，桩径越大，塑性区半径越大，挤土范围越大。对于群桩挤土，其塑性区则是相互叠加的，其挤土效应更加明显。

(2)径向挤土应力和竖向挤土应力随着径向距离的增大而递减，竖向应力在塑性区外边界上递减为零。可以认为，理论上，若桩距大于塑性区半径时，后沉桩对先沉桩不产生竖向挤土应力，桩不易产生“浮桩”现象。

(3)在沉桩过程中桩表面出现最大挤土压应力pr，伴随着最大超孔压Δu出现，两者近似相等。当超孔压值超过土的有效压应力和土的抗拉强度时，便会发生裂缝而消散。沉桩过程中超孔压一般稳定在土的有效自重范围内，瞬时偶尔可超过土有效自重的20%～30%。沉桩停止后，孔压消散初期较快，以后变缓，近表层土和近砂、砾土孔压消散较快。同时，沉桩速率愈快，土体因超孔压产生的隆起量和侧移量愈大。

存在道路约束时，桩在逐渐被压入土体过程中，道路约束限制了周边土体变形和孔隙水压力的发展，桩周土体受到的挤压应力变大，土中孔隙水压力上升较快，土体抗剪强度降低。可见，道路约束与通常情况下静压桩挤土的小孔扩张理论大不相同。对此，尚未有成熟的计算方法，其挤土效应机理也有待于进一步研究。

2室内模型试验

2.1模型试验设计与材料特性

模型试验在自行设计加工的模型箱内完成，其尺寸为1.86 m×1.06 m×1.5 m(长×宽×高)，采用1.2 cm厚钢板焊接而成，采用20a槽钢焊接加固，以满足模型箱刚度要求。

(1)模型比

参考已有研究，根据模型相似理论，在模型箱尺寸基础上，确定模型桩几何相似比CL=1∶10，试验土体容重相似比Cy=1。

(2)模型桩

试验仅考虑静压沉桩引起的挤土效应，不考虑长细比等因素影响，故试验采用模型桩为平底桩，其桩长l为1 m、桩径d为4 cm，由有机玻璃棒模拟制作。试验前，将模型桩侧面打磨粗糙，增加桩与土之间的摩擦，以模拟桩身混凝土表面与桩侧土的实际接触。

(3)模型试验土体

试验土体取自盐城市建军路主干道附近软土场地，取回后依次经平铺晾晒、碾压粉碎、加水搅拌、分层填筑、加压固结等过程制成模型土地基。所用土体物理力学参数如表1所示。

表1　土的物理力学参数

(4)道路约束模型

沉桩区域附近存在道路时，相当于道路对周围土体有一约束作用。试验道路模型采用经过室内正常养护的预制水泥板，试验前，将其置于土体内部一定深度(约4 cm)，并在试验过程中道路模型两端施加位移约束，确保其不发生任何位移。受模型箱尺寸限制，试验仅考虑沉桩时存在道路约束即可，故选用道路模型长为100 cm，厚度为12 cm，宽度B为40 cm，如图1所示。

图1　试验用道路模型

2.2试验步骤

在模型箱底部及四周涂抹润滑油，以消除土与模型箱内壁的摩擦，使其尽量与实际情况相似。

每次试验时，沉桩速率约为2.5 mm/s，桩间距为4d，依次沉入9根桩，形成3×3群桩，测出沉桩过程中地表土体的水平位移和隆起变形。

试验中，采用标识点法测量土体水平位移，即在拟定观测点处埋设一泡沫块，泡沫受挤压变形的影响忽略不计，并插入大头针，采用两台高精度全站仪观测大头针头部的移动情况；采用百分表测量土体隆起变形，在观测点处布置一个硬木片，并使百分表与之充分接触，百分表读数转换后即得到土体隆起变形。土体变形测定如图2所示。

图2　土体变形测定

图3给出了桩区-道路间距离L=32 cm时试验方案布置，其具体工况设计见表2，该表仅给出桩区与道路之间区域土体变形观测点布置情况。同时，道路另一侧土体变形观测点LW1、LW2距道路距离分别为8 cm、24 cm，桩区内②～⑤和⑤～⑧之间观测点分别记为ZQ1和ZQ2。沉桩前土体变形观测点布置如图4所示。

图3　试验方案布置/cm

道路宽度B/cm桩区-道路距离L/cm位移观测点距桩区距离/cm0(无道路)/8、24、4040168(ZL1)328(ZL1)、24(ZL2)488(ZL1)、24(ZL2)、40(ZL3)

图4　沉桩前土体变形观测点布置

每次试验结束后，清除土体表面泡沫、木片等试验用物体，并将模型箱中土体全部取出，重新分层搅拌填筑，并压实固结30天，以减少前次试验对后续试验的影响。在此期间，为防止土体水分蒸发，影响试验结果，用塑料薄膜覆盖土体，并洒水养护3次。每次试验前后测定土体物理力学参数，发现变化量很小，可忽略其影响。

2.3试验结果

2.3.1沉桩过程

在沉桩过程中，受挤土效应的影响，桩区内、桩区-道路间、道路外侧土体的水平位移和隆起变形表现出不同的变化性状，但是桩区-道路间距离不同时其变化规律基本相似，故这里仅给出L=48 cm时地表土体水平位移和隆起变形的变化曲线，如图5。

图5　地表土体变形的变化曲线(L=48 cm)

在桩区内，②～⑤桩之间ZQ1点和⑤～⑧桩之间ZQ2点土体的水平位移均呈现先增大后减小的趋势，其中，ZQ1和ZQ2点水平位移最大值分别出现在沉入第三和第六根桩后，同时，由于沉桩顺序的原因，ZQ2点水平位移最大值大于ZQ1点水平位移最大值。沉桩结束后，ZQ1点水平位移为负值，即ZQ1点水平位移方向与沉桩方向相反，说明沉桩挤土过程中该点受后沉入桩的影响较大。在桩区与道路之间，随着桩的沉入，土体水平位移逐渐增大，同时，受道路宽度、桩区与道路之间距离等因素的影响，其水平位移大小不一。在道路外侧，由于道路约束作用，虽然土体水平位移逐渐增大，但其大小明显减小，其大小甚至可以忽略不计。

对于地表隆起变形，总的来说，随着桩的沉入，挤土效应愈加明显，各点隆起变形逐渐增大。其中，桩区内土体隆起变形最大，道路外侧土体隆起变形最小，桩区-道路间土体隆起变形居中。桩区内，在沉入第七或第八根桩之前，ZQ1点隆起变形大于ZQ2点隆起变形，之后，ZQ1点受土体遮拦效应的影响，其隆起变形小于ZQ2点隆起变形；由于道路约束的存在，桩区-道路之间土体隆起变形明显大于道路外侧土体隆起变形，但均小于桩区内土体隆起变形。在实际工程中，要密切关注桩区内土体隆起变形，若其变形过大，基桩连同土体上涌，并在桩区内土体水平变形的共同作用下，可能会导致“浮桩”、接头被拉断等工程事故。

2.3.2桩区-道路之间土体变形

(1)距桩区8 cm处土体变形

桩区-道路间土体变形受沉桩挤土与道路约束的共同影响，在实际工程中最受关注。为此，这里首先分析了距桩区8 cm处地表土体变形，以反应距桩区较近处土体变形，并与无道路约束相比较，如图6所示。由图可见，试验中由于道路本身不发生变形，挤土效应发生后，与无道路约束相比，道路的存在极大地改变了地表水平位移和隆起变形的变化性状，即受道路约束后，挤土效应引起的地表土体水平位移变小，而由于挤土体积是相同的，则地表隆起变形表现出增大的趋势。

图6　距桩区8 cm处地表土体变形的变化曲线

就桩区-道路间距离的影响而言，其距离越小，道路对其间土体约束越强，沉桩挤土效应的影响则相对偏小，距桩区8cm处土体的水平位移和隆起变形越小；其距离越大，道路的约束能力越弱，距桩区8cm处土体受挤土效应的影响相对越大，其水平位移和隆起变形亦越大。

(2)距道路8 cm处土体变形

与无道路约束相比，距道路较近处地表土体水平位移和隆起变形的变化规律与其相似，即土体水平位移变小，隆起变形增大。但沉桩过程中，距道路较近处土体变形可以间接反应沉桩施工对道路的影响程度，这里分析了距道路8 cm处地表土体水平位移和隆起变形的变化情况，以反应距道路较近处土体变形，如图7所示。可以看出，对于距道路8 cm处土体变形，沉桩挤土效应发生后，土体受到挤压，桩区-道路间距离越近，其实质是该处距桩区越近，则该处土体受到的侧向挤压力越大，故该处地表土体水平位移和隆起变形越大。说明对于距道路较近区域，沉桩施工时道路对该区域土体的约束能力主要取决于桩区-道路间距离，桩区-道路间距离越远，距道路较近处土体变形受道路约束影响越明显，桩区-道路间距离越近，距道路较近处土体变形更多地受到沉桩挤土效应的影响，相比较而言受道路约束影响偏小。

图7　距道路8 cm处地表土体变形的变化曲线

2.3.3道路两侧土体最大变形

以道路模型为纵轴，道路两侧地表土体最大水平位移和隆起变形如图8所示。在道路模型左侧，即桩区-道路间区域，距离道路越近，无论是最大水平位移还是隆起变形均呈现不断减小的趋势，桩区-道路间距离由小变大，但曲线斜率变化不甚明显。在道路模型右侧，由于道路约束的影响，与道路左侧区域相比，最大水平位移和隆起变形明显减小，且变化不大。同时，随着桩区-道路间距离的减小，沉桩挤土效应的影响愈加明显，道路两侧的水平位移和隆起变形差值有变大的趋势。这可能会引起道路开裂变形，必须加强道路两侧的变形监测，特别是桩区-道路间区域，防止对道路及其两侧的市政设施(如地下管线)造成不利的影响，甚至破坏。

图8　道路两侧土体最大变形曲线

3工程实例

3.1工程概况

某小区住宅楼采用先张法预应力混凝土管桩，桩长21.3 m，桩直径500 mm，共495根，采取静压沉桩施工。施工场地西侧12 m处为东关路，北侧15 m左右处为某公司大楼。施工时从靠近住宅楼处开始压桩，同时在东关路两侧地表面和公司大楼前停车地坪上布设变形观测点。沉桩施工前，该区域地表平整，无明显隆起现象。

3.2测试结果

沉桩过程中，测试了东关路与沉桩区域之间距桩区4 m和8 m处测点的土体变形，两测点大致位于桩区东西向中轴线上，测试结果如图9所示。同时，观测发现，沉入350余根桩时，北侧公司大楼前停车地坪开始出现拱起开裂的现象，这在一定程度上体现了公司大楼约束对沉桩挤土效应的影响。

图9　沉桩过程中土体变形曲线

沉桩结束时，测量了西侧东关路两侧土体水平位移和隆起变形，其中，东关路西侧土体基本没有水平位移和隆起变形，这与模型试验结果不完全一致，这主要是因为模型试验中道路模型底部亦为软土，而实际上道路是由面层、基层、底基层等组成的，其约束深度较深，基本限制了土体变形向道路另一侧发展，故在工程实测中东关路西侧土体未有变形。沉桩结束时沉桩区域与西关路之间土体变形如表3所示。将表3与图8比较可见，该工程沉桩施工顺序虽与模型试验不同，实测值与模型试验值也相差较大，但都是由于挤土效应使得桩区-道路间土体变形呈现相同的变化趋势，即距离桩区越远，水平位移和隆起变形越小。

表3　沉桩结束时桩区-道路间土体变形　mm

4结语

本文分析了静压沉桩的挤土机理，采用室内模型试验，研究了道路约束条件下静压群桩沉桩挤土效应引起的地表土体变形，包括水平位移和隆起变形，详细分析了桩区-道路间土体变形的变化规律以及道路两侧土体最大变形，并与工程实测结果进行了比较分析，研究结果表明：

(1)静压沉桩过程中，桩区内地表土体水平位移先增大后减小，而隆起变形则是不断增大的；桩区外各点水平位移和隆起变形则是逐渐增大的，而道路外侧土体水平位移和隆起变形总体均较小，可忽略不计。

(2)受道路约束影响，距桩区较近处地表土体水平位移变小，隆起变形增大，且桩区-道路间距离越小，该处土体水平位移和隆起变形越小，反之亦然；对于距道路较近处，桩区-道路间距离越近，该处地表土体水平位移和隆起变形越大。

(3)距道路越近，即距桩区越远，桩区-道路间地表土体最大水平位移和隆起变形均不断减小，且桩区-道路间距离变化时，其曲线斜率变化不甚明显。在道路另一侧，地表土体最大水平位移和隆起变形明显减小，且变化不大。桩区-道路间距离减小，道路两侧土体最大水平位移和隆起变形差值可能会变大。

(4)工程实测验证了道路约束对沉桩挤土效应的影响是存在的。与室内试验结果相比，桩区-道路间土体变形的变化趋势是相同的，而道路另一侧土体基本未有变形，这与室内试验结果略不显吻合，主要是实际道路约束深度较深，基本限制了地表土体变形向道路另一侧发展。

道路约束条件下静压沉桩是静压桩挤压土体和道路约束共同作用的动态变化过程，道路约束作用于土体所形成的应力场、位移场以及其对土体变形的约束作用是不可忽略的。本文主要通过室内模型试验加以研究，今后应进一步收集现场观测数据，进行理论研究和数值模拟，建立更符合实际的静压群桩挤土效应的力学模型。

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Squeezing Effects of Jacked Group Piles by Road Constraint

LIFu-rong,SUNHou-chao

(Civil Engineering Department, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China)

Abstract:Based on the analysis of squeezing effects mechanism of jacked piles, this paper used laboratory model test, researched the surface soil deformation caused by the squeezing effect of jacked group piles by road constraint, including horizontal displacement and upheaval deformation, and compared with the engineering test. The results show that, only the surface soil horizontal displacement of pile area increases at first then decreases, the other soil deformation are increasing on the process of pile driving, but the soil outside the road has the small deformation, that it can be neglected. The surface soil horizontal displacement becomes decreases and upheaval deformation increases away from the pile area affected by the road constraint, and the smaller the distance between the pile area and road, the smaller the deformation, but the bigger the soil deformation away from the road. The closer to the road, the surface soil deformation is smaller between the pile area and road. The surface soil maximum deformation is significantly reduced on the other side of the road. The engineering test shows that, compared with the laboratory test results, the soil deformation showed the same variation between the pile area and road, but the soil has not deformed on the other side of road because of the actual road constraint. Therefore, the surrounding road, building and other constraints must be considered at the time of jacked pile construction.

Key words：road constraint; jacked group piles; squeezing effect; model test; engineering test

中图分类号：TU473.1

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)02-0011-07

基金项目：国家自然科学基金(51378257)；住房和城乡建设部科技项目(2013-K3-18)

作者简介：李富荣(1982-)，男，江苏盐城人，副教授，博士研究生，研究方向为桩基工程(Email:lifurong_yc@163.com)

收稿日期：2015-09-18修回日期： 2015-12-03