大面积静压群桩对邻近场地挤土变形影响试验研究

李双龙，魏丽敏,2，杜 猛，廖鹏庆，何 群,2

（1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室,湖南 长沙 410075）

尽管预制桩在基础工程中已经得到广泛应用,但预制桩成桩过程会引发邻近土体产生挤土变形及超孔隙水压［1-3］,进而导致已成桩的桩体上浮、偏移［4］,严重时引发邻近建筑物产生裂缝［5］及邻近管道变形［6］等工程问题,仍需进一步研究。

室内及现场试验是揭示成桩过程对邻近土体挤土扰动影响的直观研究手段。Housel 等［7］首次报道了对直径0.356 m、桩长24 m的预制混凝土单桩成桩过程的监测成果,发现桩周较近位置土体发生明显变形,而距桩轴线2d（d为桩径）位置的测点只受轻微影响；Hwang［4］等对3 根预制混凝土桩（d=0.8 m）的打桩过程进行研究,在距桩轴线3d的测点径向位移最大值为29 mm,而在距离为9d的测点变形很小；Pestana［8］监测了单根钢管桩（外径0.61 m,桩长36.6 m）打桩过程中不同深度土体横向水平位移,各测点的横向位移分布与Vesic 圆孔扩张理论解［9］拟合较好。国内学者李富荣［10］、徐建平［11］等通过室内试验研究了单桩与排桩成桩过程对邻近土体的挤土变形,获得了挤土变形发展的定性规律；邢皓枫等［12］监测了13根预制管桩（d=0.6 m,桩长40 m）锤击施工引发的挤土位移,发现在距群桩边界距离16d测点的径向水平位移最大值达到15 mm；雷华阳等［13］进行了单根PHC桩沉桩现场试验,监测数据表明在0.2～0.4倍桩长处土体水平位移较大。以上研究大多集中在单桩或桩数较少的群桩成桩过程,而引发邻近建（构）筑出现不利状况往往是由大面积群桩施工条件下挤土位移累计所致［14］。目前针对大面积群桩施工造成的挤土变形发展规律和挤土影响范围等方面的研究都少有报道,有待进一步深入研究。

随着高速铁路建设的快速发展,铁路线网不断加密使新建线与既有线交叉、并行及引入接轨等情况将会越来越多。由于高速铁路无砟轨道路基对变形控制极为严格,在邻近既有高速铁路的新建线路基地基区域进行大面积群桩施工,其成桩过程引发的挤土扰动必然影响既有路基的工作性状［15］。本文依托鲁南高铁曲阜东站并轨段路基工程,开展大面积预应力管桩群桩成桩现场试验,建立高精度全自动化监测及数据采集系统,对成桩过程邻近场地的地基土深层水平位移、地表水平和竖向位移及孔隙水压力变化进行实时监测,研究大面积群桩成桩对邻近场地土体变形扰动影响,为新建线地基群桩加固的方案设计与施工组织提供指导。

1 工程背景

鲁南高铁是中国首例在既有线正常行车情况下进行联络线路基施工的线路。新建鲁南高铁曲阜东站采用高铁上、下联络线与京沪高铁进行接轨,如图1所示,因此需要将京沪路基拓宽以满足接轨要求,相应地要在路基拓宽区域采用桩基对新建联络线地基进行加固,如图2所示。然而在新建线地基大面积群桩施工可能引发邻近路基的挤土扰动,进而给京沪高铁的运营带来不利影响。因此,开展群桩成桩试验对了解大面积群桩成桩对邻近路基的挤土扰动影响至关重要。

试验区位于新建鲁南高铁正线东侧的拟建综合维修车间整体式道床复合地基加固范围内,其场地位置参见图1。试验场地所在区域属冲洪积平原地貌,地势平坦。表1给出了试验区地层分布及土层基本力学参数。地下水位埋深11.2～13.5 m,受大气降水补给,水位变化幅度1～2 m。

图1 曲阜东站线路平面布置

图2 并轨段路基典型横剖面

表1 试验区地层分布

选取预应力管桩（以下简称管桩）进行试验,为了弱化管桩对邻近场地的挤土扰动影响,设计以微型注浆钢管桩（以下简称微型桩）为隔离桩的试验方案,2种桩型截面形状尺寸如图3所示。

图3 2种桩型截面尺寸

2 试验设计

2.1 试验区规划

试验总体规划4 个区,如图4所示。试验I 区及III区在管桩压桩以前分别先进行5排和8排微型桩施工以考察微型桩对管桩挤土扰动的隔离效果。试验II 区管桩及试验IV 区前5 排管桩分别采用引孔15 m、引孔20 m 成桩工艺进行静压以考察引孔工艺对挤土变形的弱化效应,引孔直径0.3 m。各区每排管桩14 根,每排微型桩56 根。采用山河智能ZYJ680 液压压桩机对管桩进行静压施工,管桩桩长30 m,分3 段压入土中；采用XY-2 型微型钻孔机进行微型桩钻孔施工。各区成桩顺序见图4（c）中的箭头方向。

图4 试验区成桩施工布置

2.2 监测布置

建立图5所示高精度全自动化监测及数据采集系统,对成桩过程邻近土体的地表位移、深层水平位移及孔隙水压力变化进行实时监测。采用Leica Nova TS-60 对地表位移进行监测,每15 min 自动观测1次,精度1.5 mm；采用DCM 自动全向传感水平位移计监测深层土体水平位移,每15 min 自动观测1 次,精度1.5 mm；采用JMZX-5506HAT弦式渗压计监测孔隙水压力变化,每1 h 自动观测1 次,精度1 kPa。利用数据无线收发模块,通过通讯网络实现终端数据自动采集与分析。

在4 个试验区的中线位置布设A,B,C 和D共4 个监测断面,如图6所示。每个监测断面设置8个地表位移测点,各测点距离试验区边界距离依次为1.0,5.0,8.0,11.3,16.3,20.0,35.5和60.0 m,对应编号为s-1—s-8。在距试验区边界1.0 m 及5.0 m 处,设置2 个深层水平位移测孔,孔深30 m,对应编号为d-1和d-2。图6中x,y分别表示横向和纵向水平位移方向。每个断面设置10个孔隙水压力测点,布置于地表位移监测点的正下方。然而现场成桩过程中,因地下水位处于粗砂层,加上引孔工艺等因素导致超孔压消散过快,孔压计并未测到明显的超孔隙水压力,因此不对孔压计的分布详细描述,后文研究重点是对成桩过程各测点的挤土扰动变形展开分析。

图5 高精度全自动化监测系统

图6 测点平面布置

3 试验结果及分析

3.1 土体横向水平位移

图7给出了成桩过程各试验区d-1 测孔的横向水平位移与土体埋深的关系曲线。d-2 测孔横向水平位移曲线规律与d-1 测孔基本一致,只是数值有所相差,故不再给出。为了消除压桩过程土体位移在时间上的滞后效应,图中所提取的每条位移曲线为该排管桩施工完成后静置2 h后的试验数据。

图7 深层土体横向水平位移

从图7可以看出：大面积成桩过程中,随着成桩排数的增多,不同深度土体的横向水平位移逐渐增大,其发展经历快速、慢速及逐步稳定3 个阶段。以试验IV 区为例：在前7 排压桩过程中,由于桩位与测点水平距离相对较近,挤土位移发展相对较快,增幅明显；而在第8—第11 排压桩过程中,桩位离测点距离逐渐增大,并且先压入的桩体使前排土体整体刚度增大,对后压入的桩体的挤土效应具有隔离作用,位移发展相对较慢,增幅较小；在第11排以后,受水平距离及隔离作用影响,测点已逐渐超出压桩引起挤土变形的最大范围,位移增量很小。

随着埋深的增大,横向水平位移总体上呈减小趋势,最大位移发生在地表测点。值得注意的是,在深度约为12～19 m 土层之间,横向水平位移出现增大趋势,结合表1现场土层勘测资料,该深度分布有厚度5.3 m 的中密粗砂层,压桩过程中桩端将粗砂层土体向桩侧排挤,导致该层侧向位移较其他层相对更大。

对比试验IV区与试验II区d-1测孔位移曲线可以进一步发现,试验IV 区最大横向水平位移为17.2 mm,比II区最大位移量11.7 mm 要大。相比IV 区,II区全部采用引孔15 m 压桩,尽管IV 区前5 排采用引孔20 m 压桩,但后9 排的无引孔成桩使土体挤土变形加快并超过II区,说明引孔工艺对挤土变形起到了较好的防控效果；相应地,从III 区和I 区位移曲线可知,试验I 区最大横向水平位移（13.2 mm）比III 区的（12.5 mm）要大,一方面是由于III区无引孔压桩只有12排,而I区有13排,另一方面是由于III 区的8 排微型桩对管桩挤土变形的隔离效应要强于I区的5排微型桩。

有学者［16］根据C SAGASETA 汇—源理论［17］对单桩成桩引起的土体位移进行理论求解,假设土体为均质、各向同性,且将桩体的打入过程等价为球体注入土体过程,只考虑xz平面（x为距桩轴线距离,z为埋深）,则单桩成桩引起的土体径向水平位移Sxs为

式中：d0为桩径；L0为桩长。

并且认为群桩成桩引起的某点土体水平位移为每根单桩引起该点位移的线性叠加。尽管此求解公式无法考虑引孔对位移场的影响,但作为规律性探讨,本文将实测位移曲线与理论值进行对比。计算时,先计算单根压桩引起d-1 测孔的挤土位移量（每根桩位与d-1 测孔的水平距离不同）,然后对全部管桩压桩引起的挤土位移量进行叠加。

图8给出了试验IV 区与II 区d-1 测孔的实测位移与理论值对比。

图8 横向水平位移实测值与理论值对比

由图8可知,随着埋深的增大,计算与实测横向水平位移均呈减小趋势,但二者在数值上偏差较大,理论最大值约为IV 区实测最大值的2 倍。其主要原因为：①引孔措施有效降低了IV 和II 区压桩过程中的挤土变形量；②理论计算没有考虑先压入桩体对后压入桩体的隔离作用以及桩周土体的压缩性与挤密过程,导致计算位移量偏大。

从图8还可看出,近桩端（埋深24～30 m）土体的横向水平位移量减小幅度明显增大。一方面,由于水平位移计工作原理及埋设长度的限制,桩端处实测位移量趋于0；另一方面,理论计算是根据球体体积与球体贯入土体时所排开土体体积相等的原则进行换算,没有考虑桩端土体挤密过程与压缩性,导致计算结果偏大,桩端计算位移量约为最大位移量的一半。

3.2 地表隆起

图9分别给出了各区成桩过程地表竖向位移随距离变化的归一化（将地表竖向位移量Sz与水平距离r分别除以桩径d）关系曲线。尽管s-8 测点（距桩轴线水平距离150d）基本不受压桩挤土影响,但由于昼夜温差的作用,该测点竖向位移仍在较小幅值内周期性波动。因此,为了消除温差对其他测点的影响,以s-8 测点为基准点对其他测点位移进行温度修正,即：将其他测点位移减去对应时刻s-8 测点位移,并将s-8 测点位移曲线设为Sz/d=0 mm。

从图9可以看出：4 个试验区在压桩过程中,地表测点都出现了明显隆起,并且随着压桩排数的增多,地表隆起逐渐增大,与横向水平位移发展规律类似,经历快速、慢速及逐步稳定3个阶段。随着测点与桩轴线水平距离的增大,地表隆起呈指数型衰减,这与文献［18］中数值模拟结果曲线分布规律较为一致。4 个试验区压桩引起s-1 测点的最大隆起量为IV区0.005 2d,II 区0.006 2d,比III 区和I 区要大,主要原因在于III 区与I 区压入管桩的数量要少于IV 区和II 区,并且III 区与I 区先施工的微型桩对后压入的管桩有隔离作用。

从图9中位移曲线分布特征,可确定本压桩试验地表竖向位移的横向影响范围约为30d。目前针对成桩引起的地表隆起变形试验成果相对较少,且基本集中在较少桩数的研究,表2给出了本文成果与文献成果的对比。由表2可知,相比少量桩数的成桩试验,本文大面积群桩试验地表隆起变形影响范围要大得多,但由于预钻引孔作用,地表隆起量相对较小,从图9（c）位移曲线走势来看,最大隆起量在0.006d～0.008d。由此可见,尽管压桩数量较多,但引孔措施对控制地表隆起变形有显著效果。

图9 地表竖向位移

3.3 引孔对挤土变形的防控效果

预钻引孔可以大幅度减少管桩压入所要置换的土体体积,从而减少地表隆起及桩周土体径向变形。有学者［19-20］采用理论分析及数值模拟方法对预钻引孔措施防控挤土变形进行研究,但大面积群桩采用引孔措施防控挤土变形的试验研究成果鲜有报道。本文采用了2 种深度引孔工艺进行试验,可以定量地对比在该地质条件下2 种引孔深度的防挤效果。

试验IV区前5排为引孔深度20 m压桩,后9排为无引孔压桩,试验II 区14 排为引孔深度15 m 压桩。图10分别对比了试验IV、II区成桩过程d-1和d-2测孔土体横向水平位移发展情况。

由图10可知：前5 排压桩完成时,IV 区在d-1测孔位置水平位移整体上与II 区持平,而d-2 测孔测试结果对比发现,II区横向水平位移量显著大于IV 区,其最大值约为IV 区的1.4 倍,说明引孔深度20 m的防挤效果比引孔深度15 m更强。

至压桩全部完成,试验IV区后9排的无引孔压桩使得在d-1 及d-2 测孔的水平位移超过II区（后9排采用引孔深度15 m压桩）。提取2个区由后9排压桩引起的地表水平位移量ΔSi（i=I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ）,在d-1 测孔中：试验IV 区ΔSIV=10.0 mm,试验II 区ΔSII=3.8 mm；而在d-2 测孔中,试验IV 区ΔSIV=9.6 mm,试验II 区ΔSII=3.5 mm,可知试验IV 区后9排无引孔压桩引发的地表横向水平位移量约为II区后9排引孔15 m压桩引发位移量的3倍。

综上,在本试验土层条件下,引孔15 m 及引孔20 m 措施对横向水平挤土变形的防控效果显著,且引孔20 m的防挤效果强于引孔15 m。

3.4 横向水平扰动影响范围

压桩过程引发邻近土体变形的影响范围是学者们重点关注问题［12-13,21］,影响范围的确定对于指导邻近建（构）筑物采取合理防控措施具有重要作用。本文3.2 节中已对压桩引起的地表隆起影响范围进行确定,以下结合实际工程要求,以地表横向水平位移量1.5 mm 作为控制值,探讨各试桩区成桩过程中横向水平扰动影响范围。

图11给出了各区地表横向水平扰动影响范围随成桩进程的变化情况。由图11可知,随着成桩排数的增多,最大影响范围呈阶梯式增大（主要是因为本文测点数量有限,仅通过测点距离判断最大影响范围）,试验IV 区和II区相比III 区和I区率先达到最大影响范围,成桩完成时,4 个区成桩引起邻近土体的横向水平扰动影响范围都在35.5 m 左右,约为桩径的88 倍。针对该试验依托工程,若高铁上、下联络线地基采用与试验等宽度范围的静压群桩施工方案,既有京沪高铁路基地基都在挤土影响范围内,考虑到京沪高铁地基已采用CFG 桩加固,挤土变形量将会比试验值有所减小,但减小程度有待进一步研究。

表2 地表隆起位移对比

图10 试验IV区及II区压桩过程横向水平位移对比

3.5 位移发展与成桩进度的相关性

图11 各区最大影响范围对比

下面以IV 区及II 区地表测点的横向水平位移为依据,定量剖析群桩成桩引起的地表位移与成桩进度的相关性。图12给出了2 个试验区在地表8个测点的累计横向水平位移百分比与成桩进度的关系曲线。累计横向水平位移百分比定义为：该排桩完成时所引起的累计位移量占该区压桩完成时总位移量的百分比,表征该排压桩引起的累计位移量对最大位移量的贡献值,图中部分测点超过100%是由于达到最大位移后随着压桩继续位移出现回弹所致。由图12可知,各测点的累计位移百分比随着压桩排数的增多逐渐增大,并趋于100%。II 区在前5 排压桩过程中,位移百分比增幅较大；第5 排以后增幅逐渐放缓；至第10 排完成时,累计位移百分比接近100%,表明压桩挤土变形接近最大值,后续压桩对测点变形影响很小。与II 区不同,IV区在第5排压桩完成后累计位移百分比增幅逐渐放缓,但在第6～7 排压桩过程中增幅重新增大,主要原因在于IV 区第6 排开始采用无引孔压桩,挤土效应更加明显。至第11 排压桩完成时,挤土变形位移基本已发展完成。

图12 地表8个测点累计位移百分比与成桩进度关系

图13给出了2 个试验区在地表8个测点的单排压桩新增位移量与成桩进度的关系曲线。可以看出,随着压桩排数的增多,单排压桩新增位移量呈先增大后减小趋势,试验II 区前5 排的新增位移量明显大于其后各排压桩的新增位移量,说明前5排压桩对挤土变形的发展影响更大；而在IV 区中,单排压桩新增最大位移量发生在第6～7 排,间接说明第6～7 排的无引孔压桩对挤土变形的影响更为显著。

图13 单排压桩新增位移量与成桩进度关系

4 结 论

（1）大面积静压群桩成桩过程中,随着成桩排数的增多,不同深度土体的横向水平累计位移逐渐增大,位移发展经历快速、慢速及逐步稳定3个阶段；横向水平位移沿深度总体上呈减小趋势,其分布与土层性质有关。现场实测位移曲线沿深度分布与C SAGASETA 汇—源理论解较为一致,但由于理论解不能考虑预引孔以及先压入桩对后压桩挤土效应的隔离作用,结果偏大。

（2）大面积静压群桩将引起明显的地表隆起,随着压桩排数的增多,隆起值逐渐增大并趋于稳定,随着测点与桩轴线水平距离的增大,地表隆起呈指数型衰减。相比桩数较少的成桩过程,本次压桩试验地表竖向位移的横向影响范围要大得多,最大影响范围约为30d；但受引孔措施的影响,最大隆起量更小,仅为0.006d～0.008d。

（3）在本试验条件下,先成桩的微型桩对后压入的管桩具有隔离作用,微型桩加固范围越宽,其隔离作用越强；引孔15 m 及引孔20 m 措施对挤土变形的防控效果显著,引孔20 m 的防挤效果强于引孔15 m。

（4）随着成桩排数的增多,挤土扰动影响范围逐渐增大,并趋近于定值；横向挤土影响范围大于竖向隆起影响范围。本试验条件下,横向变形最大影响范围约88d。

（5）挤土位移发展与成桩进度存在非线性相关性。随着压桩排数的增多,单排压桩新增位移量呈先增大后减小趋势；当压桩排数到达一定数量时,挤土变形趋于定值,后续再压桩引起的挤土变形可忽略不计。