黏土地层中PC工法桩振动沉桩环境效益分析

PC工法桩（Per-fabricated Composite steel Pile，装配式组合钢管桩）作为新型的深基坑围护工艺，其安全、造价、工期、环保等方面较其他围护形式更能显示出优越的效用［1］。PC工法桩为钢管桩和拉森钢板桩组合，是一种钢质连续墙。库伦和邓肯［2］进行了最早的桩-土界面之间的研究，提出剪应力与相对错动位移间关系的双曲线模型。古德曼［3］在双曲线模型的基础上提出了单位切向力的计算公式。对于有厚度的古德曼单元，德赛［4］提出了剪切模量计算公式。殷宗泽［5］在对试验数据分析中发现接触面上的剪切破坏是由外向内发展的。张嘎［6］对土与结构接触面循环加载，研究不同土体接触面的受力情况和力学规律。闫澍旺［7］对土-结构物界面进行研究，认为土-结构物界面具有较高的抗剪强度。在对挤土效应研究方面，Adams和Hanna［8］发现在H型钢桩沉入较硬土体时，桩周土体引起的隆起量和其体积之比为1∶1；而在不灵敏的软黏土中沉桩，Hagerty和Peck［9］发现这个比例为1∶2；在灵敏的软黏土中，Orrje和Broms［10］发 现 这 个 比 例 为3∶10。Hwang［11］等 发现半径40 cm的 桩沉入黏土的水平位移由近及远快速衰减，产生的竖向位移对邻桩的影响较大。徐建平［12］等采用模型实验研究静压桩的沉桩过程，总结沉桩过程中土体的位移随水平和深度方向的变化规律。陈福全等［13-14］利用数值模拟的手段，模拟研究在有地下水的情况下，应力在桩的径和轴方向的大小和分布规律；邓俊杰［15］等使用实测方式，获取孔隙水压变化数据，分析孔隙水压在沉桩过程和沉桩之后的上升和消散过程。

综上所述，振动沉桩技术在我国应用已经非常普遍。然而PC振动沉桩工艺中钢桩和周围土层沉桩挤土效应、孔隙水压的研究较少。本文以铁路杭州北站单元GS1104-18地块中学及社会停车库工程项目为依托，开展PC桩振动沉桩现场试验，基于工程实测建立三维有限元数值分析模型，研究沉桩产生的挤土效应以期为PC桩在黏土地层振动沉桩保护设计提供参考。

1 工程概况

铁路杭州北站单元GS1104-18地块中学及社会停车库工程位于杭州市拱墅区，拟建场地地貌单元属于湖沼相沉积地带平原区，地势平缓，地形起伏不大。项目基坑支护结构采用PC工法桩，采用钢管桩打拔设备，桩径为Ф915和Ф630，壁厚为14 mm的钢管，承台主要开挖深度约6 m。

根据地质报告，基坑开挖范围内的土层具体物理性质参数见表1。

表1 土体物理性质参数

2 现场试验

采用先进自动测斜仪监测黏性土土体的内部水平位移，观测记录距目标试验桩10 m处所获得的数据。采用布置在施工现场的沉降环收集数据掌握地基土的有效压缩层范围内各层土的变形特征。采用布置在施工现场的地面沉降标收集数据掌握地表沉降的变形特征，观测记录距目标试验桩10 m处所获得的数据。采用孔隙水压力计测试土体扰动效果。

3 数据分析

3.1 深层土体水平位移观测结果分析

图1为距振动源1、2 m测点处深层土体水平位移。每个测点处的土体深层位移，开始时处于较大位移，在深度约-3 m的位置产生最大向基坑内侧位移，在深度约-15 m的位置位移量逐渐减少直至为零，总体呈现“上大下小的半葫芦状”。开始时位移较大，是因为导沟开挖基坑卸载，在基坑外侧堆放开挖土，堆载产生向内土压力，使浅层土体向内滑移。深度-3 m处产生最大位移，是因为导沟开挖深度为2～3 m，随着施工的进行，测点正前方的高频振动使土体产生扰动，加剧土体向内侧的移动趋势。总体而言，桩周土体水平位移为两端位移量小，中部位移量大，与江强等［16］的研究结果一致。由图1可知，距振动源更近的测点的水平位移变化的速率也越大。这是因为距离振动源越远，所受振动影响会在传递过程中由于阻力而减少。

图1 距振动源1 m和2 m测点处深层土体水平位移

3.2 深层土体竖向位移观测结果分析

图2为振动源移动过程中距桩心4 m测点处深层土体竖向位移。深层土体竖向位移变化曲线在振动源移动过程中大致呈轴对称分布。当振动源未达到测点正前方时，不同深度处的土体均发生不同程度的下陷沉降，浅层土体位移变化量大，下沉得多。随着振动源移动靠近，振动沉桩时PC工法桩切削挤入土体形成挤土效应，造成桩周深层土体逐渐隆起。当振动源垂直于测点进行振动时，土体发生隆起量达到最大，其中地表隆起最多，越深处土体隆起量越小。当振动源远离，浅层土体开始逐渐下陷，最终位移量保持正值。整个过程中，最大隆起量约为最大沉降量的3倍。

图2 距桩心4 m测点处深层土体竖向位移

3.3 地表沉降观测结果分析

图3是振动源移动过程中不同测点地表土体位移的变化示意图。各测点的沉降曲线变化趋势大体一致：先行发生沉降—明显隆起—平缓隆起直到位移稳定。第五次观测时数据变化速率明显增大，此时振动源在测点正前方位置，振动沉桩时钢管桩与地层摩擦阻力造成周围地层扰动，导致地表隆起明显，振动源越靠近桩心，扰动越大，土体变形量也越大。随后振动源远离，扰动响应减弱，地表沉降变化逐渐趋向平稳。同时，距离桩心更近的测点，变化速率越快，1 m处测点隆起最大速度约为1.5 mm/min，2 m处为0.5 mm/min，4 m处为0.2 mm/min，说明土体扰动程度受到振动源远近的影响，距离越近影响越大。随着PC工法桩的振动施工，地表土体最大位移发生在最后一次测量时距离桩心1 m的测点处，累计最大位移约为15 mm。

图3 振动源移动过程中不同测点地表沉降变化

3.4 振动沉桩引起的孔隙水压观测结果分析

图4为距桩心2、4 m测点不同埋深处孔隙水压随振源距离变化示意图。随着振动源的靠近，孔隙水压变大，且变大速率也在增加，当振动源垂直桩心进行作业时，孔隙水压达到最大值，随着振动源的远离，孔隙水压最终消散至原始状态。沉桩初期，土体扰动引起的孔隙水压变化在深度方向差异较小，随着振动源的靠近，孔隙水压在深度方向呈线性或者略带线性地增加。沉桩后期，变化值开始趋向平稳，但是仍稍大于沉桩初期，说明沉桩施工带来的影响还在持续。在径向方向上，距离振动源越远的测点，孔隙水压值峰值越小，变化幅度也越小，说明沉桩引起的孔隙水压变化和距离之间呈反比例关系。

图4 距桩心2 m和4 m测点不同埋深处孔隙水压变化

4 数值模拟模型分析

PC工法桩的受力主体是钢管桩，由于钢管桩的刚度远大于其他岩土材料，又以弹性变形为主，因此本模型中对钢管桩采用线弹性本构模型。在土体材料的定义中，选择常用的Mohr-Coulomb本构模型。本实验研究沉桩振动所产生的影响，根据文献［17-18］可知振动沉桩产生波的主要影响范围为6倍桩径。

本模型模拟单桩的振动沉桩，因此钢管桩置于土体的正中间，对桩顶中心施加Load-concentrated force，并设置耦合约束使得桩顶能够均匀受力。振动沉桩施加在桩头的荷载分为静载力和激振力两部分［19］。本工程采用ICE815C高频液压振动锤进行振动施工，具体参数见表2。

表2 振动锤技术参数

图5是距桩心1 m处地表累计沉降数据实测和模拟结果对比图。由图5可以看出，在实测中前三次测试时，数值结果为正值，表示隆起；而实测数据为负值，表示沉降。这是因为前三次测试所得到的数值是振动沉桩前导沟开挖的地表沉降数据，导沟开挖导致地面总体下沉，而数值模拟未考虑导沟开挖、机械行走等因素的影响，直接进行模拟沉桩，所以数值始终为正；第四次及以后实测数据是振动沉桩开始后所获得的数据，可以看出实测数据和模拟数据较接近，发展规律也十分类似，其中实测结果稍大于模拟数据，两者的最大沉降量均不超过13 mm，沉降在可控范围。因此认为沉桩振动过程对地表土的影响是在允许值内的。

图5 距桩心1 m处地表沉降实测和数值模拟结果对比

图6是距桩心4 m处深层土体水平位移实测和数值模拟结果对比图，可以看出，水平位移最大处在深度-3～-5 m处，该层处于地质软弱层，受桩挤入土中的影响较大；浅层土体实测结果远大于模拟结果，这是因为实际浅层土体不仅受沉桩贯入的挤土影响，还对周边环境反应较大，比如施工机械行走，导沟开挖上部卸荷等，这些因素均造成土体水平位移的发生；最大位移处以下的土体位移变化量实测结果和模拟结果接近，模拟值稍小于实测结果，表明深部土体受地表荷载影响较小。

图6 距桩心4 m处深层土体水平位移实测和数值模拟结果对比

5 结语

本文以铁路杭州北站单元GS1104-18地块中学及社会停车库工程项目为依托，开展PC桩振动沉桩现场试验，研究其沉桩产生的挤土效应，得到以下几点结论：

1）观测深层土体水平位移，浅层土体位移变化大，底部土体位移变化量小，呈“上大下小的半葫芦状”。

2）观测深层土体竖向位移，振动沉桩时PC工法桩切削挤入土体形成挤土效应，造成桩周深层土体隆起，当振动源远离，浅层土体隆起程度减缓，隆起量大于其他深层土体的位移量。

3）观测地表沉降，各测点的沉降曲线变化趋势大致为：先行发生沉降—隆起明显—位移稳定，累计最大位移15 mm。

4）观测孔隙水压，随着振动源的靠近，孔隙水压变大；振动源的远离，孔隙水压消散至原始状态；在径向方向上，距离振动源越远，孔隙水压值也越小，变化幅度也越小。在深度方向上，深度越深孔隙水压值越大，而变化幅度是深度越浅变化幅度越大。

5）竖向以及水平向位移，模拟结果和实测结果都比较接近，说明模型的建立相对来说较为准确，因此可以利用三维建模来预防性提出PC沉桩对减少周边环境影响的相关措施，保证施工进行的顺利性。

上述结论是在本文的工程背景下得出的，不同的土层分布、基础形式、上部结构形式等因素均会对结果产生影响，因此尚需进行进一步的针对分析。