淤泥场地桩基挤土效应研究

刘 赛

（沈阳帝铂建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

淤泥质土广泛分布于江河湖泊及沿海地区，该类型土质具有含水量高、极易压缩、低抗剪强度和低荷载承载能力等特点[1-2]。承受压力时，淤泥质土结构会被损坏，机械性能会显著降低。淤泥质土用作建筑地基，非常脆弱和不稳定，会对建筑的稳定性产生不利影响，淤泥质土地基很难满足设计要求。因此需要在淤泥地基中设置桩基础，以增加淤泥质土场地的强度。桩基结构能充分发挥地下土质与桩体之间的摩擦阻力，同时桩体可采用预制的方式，不用现场施工，具有造价合理、施工影响范围小、施工方便等优点[3-4]。桩基础在桩长、桩径和预留层的选择上有很大的自由度，施工噪音低，振动小，可采用非破裂密集桩。但桩基成孔技术难度高，具有环境污染大、底板承载力差、基础施工成本高、桩基质量难以保证、孔工作面沉降难以控制、施工时间长等特点，这些因素对单桩承载力影响较大，必须采取有效措施保证桩身质量，并控制桩体对土体的挤土效应影响[5]。

管桩基础广泛应用于工业和民用建筑、港口和码头，近年来在软土地基中得到了广泛应用。沿海地区地质条件复杂，地基位于深厚的淤泥层中[6-7]，常常需要分析桩基施工对土体和周围建筑物的影响，分析中不可忽视桩基作用下的挤土效应和土体结构位移状况。本文以淤泥质土场地的桩基工程为例，通过现场资料分析，结合数值模拟研究深厚淤泥质土场地桩基施工中土体位移及其挤土效应，为管桩在淤泥质土地区的应用提供参考。

1 工程概况

某建筑工程地下淤泥较深，需要进行大面积桩基施工。为了减少施工过程挤土效应对工程及周边建筑物的影响，该项目利用数值仿真方法简要分析淤泥质土场地桩基础施工的挤土效应。

拟建设施总面积约37万m2。场地上下两侧土体由人工填土、沉积物、软土、黏性土等土质组成。地下土层可划分为8 个土层。勘探队测得的地下水深度为1.29～3.21m，含水层高度为3.01～3.50m，初始水位通常略低于稳定水位。场地顶部有一层很厚的滨海软黏土，具有含水量高、极易压缩变形、抗压承载力低和高灵敏度的特点。这是一种特殊属性的淤泥质土层，且厚度接近30m，需要进行沉桩处理。

2 桩基础挤土效应数值模型

由于室内试验中难以准确测量桩入土引起的土体位移，为研究不同方向土体挤压变形的机理，采用淤泥质土的力学参数进行定量模拟分析。在此基础上，得出桩基施工过程中周围土体位移的规律，以及桩径对土体位移的影响[8]。

模型中的土壤模型采用修正后的剑桥模型，土体计算参数如表1 所示[9-10]。用ABAQUS 模拟桩的沉降过程时，可采用位移法和荷载法，其中位移法可通过桩顶荷载更容易实现桩的荷载加卸过程。因此本次模拟过程中，采用位移法来实现模拟桩浸入淤泥土质的过程。

表1 土体计算参数

由于桩的变形和应力是相关的，因此建立了以对称轴为中心的二维轴对称模型来模拟桩体内部。桩径0.025m，桩长0.5m，水平长度0.5m，垂直长度0.8m。为了便于桩头沉入地下，应对桩头形状进行适当处理，桩头应呈三角形。由于桩的刚度明显高于软土，其自身变形可忽略不计，因此将桩体视为刚性体。

划分网格模型时，采用方形网格，使仿真结果更加准确。为了考虑孔隙水压力的输出，模型中采用了土的cax4p模型和桩的rax2模型，网格尺寸横向为0.040 m，纵向高度为0.050 m。沉桩过程中，在恒定桩压下，模拟分析桩周变形以及桩与地面之间的摩擦和滑动。计算方法是在接触点的对侧划分桩土，此外，接触问题由弹簧单元控制。为了考虑桩基施工引起的挤压过程，必须确定土体位移的两个阶段。模型中分析土体类型的第一步是桩基础沉入过程，持续200s。第一步增量为1s，最大为5s，最小为10-5s。土体位移分析的第二阶段是桩施工期间孔隙水压力的消散研究。分析周期为一个月，第一步增量为40s，最大增量为40000s，最小增量为40s。

由于桩管基础的存在，桩基础右侧水平方向位移固定，即保证桩基垂直下降。左侧无需确定边界条件。桩顶荷载叠加0.5m位移，模拟桩顶沉降过程。图1显示了计算最终状态后的孔隙水压力图。

图1 淤泥质土场地孔隙水压力图

3 数值模拟结果分析

3.1 土体位移随时间变化

沉桩过程中，当桩体移动到相应的土体位置时，土体中会形成超孔隙水压力。图2显示了距离桩中心r=0.10m处，沉管桩接触土体的位移曲线。根据图中固结前后的数值绘制水平和垂直位移曲线，可以看出桩端附近土壤的水平位移小于固化土壤的水平位移，且大于远距离土体的水平位移，固结前的垂直移动超过固结后的垂直变化位移。

图2 不同位置挤土位移变化

沉桩完成后，利用起点和四个垂直节点对孔内水压数据进行分析。可以看出，30000s后，超孔隙水压力几乎全部消失，模型中的最大超孔隙水压力为1.9kPa。

3.2 土体位移随沉桩深度变化

为了分析不同深埋桩对桩径向一定距离处土压力位移的影响，分析了H=0.1m、0.2m、0.3m、0.4m和0.5m深度处的土压力位移，研究结果表明：（1）水平位移随桩深的增加而增大。将桩深以下的水平位移设置为0；由于淤泥质土质量轻且变形能力强，淤泥质土体的黏结抵消了部分土体变形的影响，而地表土质的水平位移呈现一种“受拉”的现象。

（2）随着桩端深度的减小，淤泥土体最大水平位移出现在桩端以及桩端附近，使桩端压力深度略有减缓。例如在y=-0.44m处，土体水平位移为0.08m，而y=0.5m，水平位移达到3.2 mm。

（3）竖向位移也随桩基竖向深度的增加而增大，外表面土质的位移为0。

（4）淤泥质土的垂直方向不受限制，桩附近土体受挤压时的垂直向上位移代表“升力”。随着垂直距离的增加，由于上部土体沉降量大和下部桩的“阻力”，土体的垂直位移从“上升”逐渐变为“下降”。

3.3 不同距离土体位移变化

为了研究一定深度桩基础的淤泥土体水平位移和垂直位移分布，分析了桩后径向间距r=0、0.04、0.08、0.12、0.16和0.20m的土体水平位移和垂直位移。可以看出，受影响土体的水平和垂直位移随径向距离的增加而减少。r=0.2m处土体水平位移影响不大，最大约1mm；最大垂直位移约为2.0mm，相对桩径2.5cm可忽略不计。沉管桩的影响范围约为桩径的8倍。

3.4 桩基深度对土体位移的影响

为了分析桩基础不同深度处土体表面的水平位移和垂直位移的变化，选择桩深h=0.05、0.075、0.1、0.2、0.375和0.5m来分析淤泥土体的水平位移和垂直位移。研究结果表明：不同桩深对淤泥土体水平位移和垂直位移的影响大致相同。土体位移随径向距离的增大而减小。当距离桩中心较远时，r=0.1m处沉桩的水平位移约为桩深的2倍，垂直位移为桩深度的4倍；沉桩0.2m深度的垂直位移约为桩基深度的2倍，垂直位移约为桩深度的3倍。如果桩深超过0.2m，受影响土体的水平和垂直位移将增加缓慢，直到保持不变。

3.5 桩径对土体位移的影响

图3为不同桩径对淤泥土质位移的影响曲线。分析直径分别为0.03m、0.04m、0.05m和0.06m的桩作用下的土体位移，研究了不同桩径对r=0.8m位置处土体位移的影响。结果表明：桩径越大，水平位移和垂直位移越大。当桩径为0.03m、0.04m、0.05m和0.06m时，最大水平位移分别为1.4mm、2.5mm、3.5mm和4.8mm；最大土体表面水平位移分别为0.2mm、0.8mm、1.7mm和2.8 mm；最大垂直位移为-0.1mm、-0.42mm、-1.02mm、-2.5 mm。桩径为0.05m的土体最大水平位移仅为桩径为0.06m的土体水平位移的1/2左右。

图3 桩径对土体水平位移影响

3.6 不同摩擦系数对土体位移的影响

考虑桩与淤泥土体的相互作用，可以更准确地模拟实际桩压力。淤泥土质的不同导致土体与桩体的摩擦系数不同，进而影响土体的位移。分别采用摩擦系数f=0、0.05、0.1 和0.15，用以分析摩擦系数对土体位移的影响。

研究结果表明：摩擦系数越大，地表水平位移和垂直位移越小，不同深度土体水平位移和垂直位移越大。这是因为桩-土相互作用界面的摩擦力对地面产生影响，从而减少地面的水平和垂直位移，增加深层土层的水平和垂直位移。例如：如果f=0，则土体表面的水平位移为5.5mm，不同深度土体最大水平位移为6.4mm，土体表面的垂直位移为3.5mm，不同深度土体最大垂直位移为4.0mm；如果f=0.15，则地表水平位移为3.4mm，地表以下土体最大水平位移为7.8mm，地表最大垂直位移为2.0mm，不同深度土体最大垂直位移为2.5mm。

4 沉桩挤土问题与控制措施

4.1 沉桩过程挤土效应的不利影响

桩基施工中，土体开挖效应和群桩累积施工效应会增大土体挤压效应，威胁到工程质量和相邻建筑物。沉桩过程的不利影响主要包括以下几个方面：

（1）桩的倾斜或悬浮。桩基施工过程中，打桩机很难将桩准确垂直打入地面。由于桩荷载不均匀，容易倾斜甚至折断。如果桩施工期间桩间距很小，则后续预埋桩将在桩完工前被挤压收缩。在这种情况下，后续桩基础垂直移动到上一列将导致桩悬浮。

（2）土体严重变形。如果在大型实心桩施工过程中出现施工误差，桩会移动挤压相应的土体，多桩叠加会导致土体严重变形。在这种情况下，土体的位移和应力将影响桩顶的稳定性和工程质量。

（3）影响周围设施。沉桩过程会引起土压力和土体位移，尤其是在软土地区进行大规模桩基础工程施工时。同时，如果在基坑开挖过程中桩被抬高或沉降，将不可避免地影响周围设施。

4.2 控制措施

4.2.1 设计控制

（1）增加群桩之间的距离。立桩时，第一批桩不得在打入后形成塑性区。因此，建议在保证建筑物稳定性的前提下，尽量选择合适的桩间距，桩间距建议为桩直径的8倍。

（2）安装导向孔。桩基施工中的土体破坏效应是由相应土体的位移引起的。因此，减少桩挤压土体的体积可以减少沉管桩的影响。建议在打桩前，在打桩现场挖一个合适的打桩孔。然而，在开挖过程中，必须确保打桩两侧有足够的摩擦阻力，以确保工程质量。

（3）设置抗冲击沟槽。打桩前，可在现场周围挖一条抗冲击沟槽，主要功能为：排水、抗挤压和减震，以减少打桩引起的表面位移。

（4）设置应力释放孔。在开挖抗冲击沟槽并将桩浸入淤泥土体之前，必须设置应力释放孔，以改善土体塑性区体积，减少和加速多余孔隙压力的释放，减少土体位移。为防止钻孔坍塌，桩基施工前可将竹笼放入钻孔内。

4.2.2 施工控制

（1）合理安排打桩顺序。合理的打桩顺序可以减少打桩造成的挤土效应。挤土效应的影响与桩的沉降方向基本一致。位于建筑物附近的桩基可以使用位于建筑物另一侧的桩基作为屏障。当进入空白区域时，“长线”桩可有效减少地表位移。

（2）检查每日打桩数量。相邻建筑物位置，应尽快检查每天的最大桩数，然后在合适阶段进行监测。

（3）设置检测点。开展动态信息化施工，设置沉降位移点，加强观测，及时准确提供观测信息，指导施工。

5 结束语

淤泥场地是我国常见的一种特殊地基。淤泥场地承载力差、易变形，非常不利于上部结构施工，需要对淤泥场地进行处理，增加其自身承载能力。在淤泥场地设置桩基础是一种非常有效的处理措施。为了评估桩基础对淤泥承载力的影响，需要明确桩基施工对淤泥质土的挤土效应。本文结合工程实例，利用ABAQUS软件建立了桩基础挤土效应的数值模型，对现场沉管桩施工过程中的挤土效应进行了数值计算，从土体位移随时间变化、土体位移随沉桩深度变化、不同距离土体位移变化、桩基深度对土体位移的影响、桩径对土体位移的影响和不同摩擦系数对土体位移的影响六个方面对模拟计算的结果进行了详细分析，最后阐述了沉桩挤土过程中产生的常见问题，并提出了减小挤土效应的控制措施。