大直径钢管桩打桩过程中桩周土强度弱化分析

罗泽林

（浙江省二建建设集团有限公司，浙江 宁波 315000）

1 引言

随着经济的快速发展， 超大新型钢材频繁用于钢结构设计领域。 钢管桩作为常见的工程结构基础，越来越受到行业人士关注。 在打桩施工过程中，为确保施工质量、安全与进度符合标准，需要对桩周土体强度进行分析，根据强度弱化规律，采取可靠的预防措施，提升项目整体施工效果。 鉴于此，本文重点分析土体强度弱化原因，对弱化规律进行总结，并采取必要预防措施，进而降低桩基坑施工风险。

2 项目概况

某火力发电厂的主体建筑为钢结构， 地下既有管线数量较多，施工难度较大。 项目方计划使用φ900 mm 钢管桩进行施工，钢管桩长度分别为75 m 和40 m，桩中心最小距离为1.5 m，最大距离为5 m，承载力约3 200 kN[1]。 现场土质以砂土、黏土为主，打桩期间会给土体带来扰动，影响施工质量。 为保证项目顺利竣工，施工方决定先对现场进行勘测，打桩的同时监测土体情况，获悉桩周土体强度变化情况，在此基础上确定切实可行的打桩方案，以确保施工质量与效率达到预期。

3 试验方案及结果

3.1 测试方案

现场共布设3 组传感器，每组包括4 只，共12 只。 具体测试方案如下：第一步，确定测点位置并钻孔；第二步，埋入传感器，先用完全干燥的黏土球覆盖传感器，再进行封孔；第三步，将压力盒与接收仪相连， 实时监测孔隙水压力及土体强度变化情况；第四步，依次打桩，根据传感器所传回数据绘制相应变化曲线，得出最终结论[2]。

3.2 结果讨论

3.2.1 孔隙水压力

通过测试发现，随着打桩挤压作用力的增大，桩周土体孔隙水压力随之增加。 测试结论归纳如下。

1）打桩期间，测点孔隙水压力均有所增加，达到极值后快速减小。

2）桩端与测点重合时，孔隙水压力达到极值的70%左右，并在短时间内快速达到极值，随着时间的推移，该数值将有所减小。

3）孔隙水压力遵循的变化规律为：在测点附近打桩时，该数值达到极值并快速减小；打桩结束后，该数值的衰减幅度为70%～80%。

3.2.2 土体扰动情况

1）水裂作用

土体应力随着孔隙水压力的增大而降低，与此同时，土体将出现裂缝。 结合小孔扩张原理可知，在打桩期间，相关应力均可反映总应力变化，孔隙水压力计算公式如下：

式中，P为孔隙水压力，Pa；ρw为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为孔隙水的厚度，m；Sr为土体实际饱和度。

2）排土情况

钢管桩存在土塞效应，实测结果表明，空心段附近仅有部分土体能进入钢管桩并起到加大土塞密度的作用， 剩余土体均被挤压至桩周。 分析可知，不同桩空心长度往往有所不同，入土比与入土长度的关系为正相关， 排土比与入土关系呈负相关。 需注意，随着入土深度的加深，钢管桩所形成的挤土效应将有所减弱，但仍需对其引起重视。

4 桩周土强度弱化研究

4.1 弱化原因

试验结束后，便可对桩周土体强度、打桩施工之间的关系进行分析。 研究表明，打桩期间，土体强度持续弱化的原因主要包括：土体存在超孔隙水压；土体结构被破坏。 其中，超孔隙水压产生的影响可用式（2）进行解释：

式中，σ为土体某平面所承受总应力值，kPa，通常包括孔隙水压力、有效应力两部分；u0为孔隙水压力初始值（即静水压力），kPa；σ＇为有效应力，kPa。 打桩期间，地基土所承受应力如下：

式中，σ1为地基土应力，kPa；Δu为超孔隙水压，kPa。 分析可知，地基土强度、变形程度极易被有效应力影响，一旦土体形成超孔隙水压，该区域有效压力将快速减小，且土体强度表现出明显的弱化趋势。 现阶段，研究人员更倾向于在空穴扩张理论指导下，对土体孔隙水压力、桩周应力变化趋势进行研究，具体方法如下：打桩期间，可将桩周土体划分成4 个部分，最靠近桩身的区域为①区，远离桩身的区域为④区（见图1）。

图1 沉桩影响范围

①区所承受挤压作用力最大， 通常能在短时间内产生超孔隙压，与此同时，该区域骨架也将在挤压作用力的影响下而变形，使土体结构受到严重破坏；

②区所覆盖范围相对较广， 沉桩挤压对该区域造成的影响十分严重，待沉桩挤压所产生作用力达到一定值时，该区域将出现土体位移、塑性变形情况，同时形成超孔隙水压；

③区所受到影响相对较小， 考虑到土体压缩变形存在一定弹性，因此，除特殊情况外，均无须单独分析该区域超孔隙水压；

④区不会被沉桩所影响。

上述各部分中，①区将随桩身移动而移动，①区、②区之间所形成分界面的面积通常较桩周侧面积略大， 其摩阻力则由②区抗剪强度决定[3]。

4.2 分析过程

分析打桩过程时， 应采取常系数法对土地强度弱化进行模拟，通过折减土体静态阻力的方式对动态阻力加以确定，二者关系如下：

式中，SRD 为土体动态阻力，kPa；β为折减因子；LSTR 为静态阻力，kPa。 若模拟对象为单一土层，则β取值为1/fs（fs为恢复系数）；若模拟对象为多个土层，则需对β的取值进行分层计算。 对折减因子进行计算前，先根据恢复系数确定相对敏感系数，计算公式如下：

式中，fs*为相对敏感系数；fs为恢复系数；fsx为灵敏土层对应恢复系数。 在沉桩状态下， 有关人员可根据Gain/Loss 系数及fs*，对折减因子取值加以确定。由此可见，采取该方法对土体强度弱化进行模拟，既考虑了土体类型的影响，又通过设置定值的方式降低计算难度。

研究表明，土层深度、土体性质均影响其强度弱化情况，以往的计算方法均未对二者进行综合考虑， 导致模拟结果与实际情况存在较大出入。 鉴于此， 有关人员决定引入环剪试验，根据试验结果进行计算，保证计算所获得数据具有实际意义。

环剪试验期间， 土体所承受正应力与打桩所产生侧向压力相等，由此可推导出以下公式：

式中，β砂土为砂土强度对应折减因子；K为土体静止压力；σ2为上覆土所施加的压力；β黏土为黏土强度对应折减因子。 对其他类型土层实际折减因子进行计算的公式如下：

式中，βs为土层折减因子；βs1为深度相同条件下， 黏土对应折减因子。

4.3 规律

环剪试验峰值、残余强度之比与土体强度弱化密切相关。其中，土地强度对应弱化程度与残余比的关系为负相关。 以砂土、黏土为例，二者残余比均受正应力影响，且存在线性相关的关系，在正应力大小相同的情况下，黏土残余比小于砂土残余比，这表示黏土强度对应弱化程度大于砂土。 对饱和黏土而言， 打桩过程可被视为挤压但不排水的过程。 在不排水状态下，土体所能压缩的程度相对有限，因此，随着打桩力度的增加，钢管桩将挤压附近土体，导致土体位移、土层结构被破坏，压力随之加大[4]。 结合有效压力原理可知，挤压应力通常会给孔隙水压力、群桩产生影响，由此可见，要使挤压应力得到有效控制，关键是要根据现场情况，对钢管桩密度、布局、打桩方法和沉桩速度加以调整。

查阅相关文献可知， 在不改变正应力大小的前提下，土体残余比将随着剪切速率的增大而减小。 该情况出现的原因如下。

1）剪切速率可给剪切带附近孔隙水造成影响，进而使土体抗剪强度受到影响， 剪切面扰动程度将随着剪切速率的增大而加剧，通常在短时间内形成局部剪切带，阻断孔隙水排出的途径，超孔隙水压出现后，剪切带应力快速减小。 与此同时，剪切带附近水体具有润滑效果， 将减弱土体颗粒之间的摩擦力及其他作用力，进而降低土体强度，影响土体残余比。

2）剪切速率影响土体颗粒的排列，随着剪切速率的加大，土体颗粒之间的接触面积不断减小， 土体颗粒沿剪切方向重排，由此带来连锁反应：（1）骨架孔隙内部填充细颗粒土数量减少；（2）土体密实度降低；（3）颗粒之间摩擦不充分；（4）土体强度持续降低，残余比随之减小。 可见，土体强度对应弱化程度随着剪切速率的加大而加剧。

5 结语

本研究分析大直径钢管桩施工中打桩环节给土体强度造成的影响，以项目实践为研究出发点，对打桩周围土体强度弱化原因进行分析可知，土层深度、土体性质均对强度弱化产生影响。 通过环剪试验及压力测试，对土体强度弱化分析结果进行验证，研究结果表明，试验峰值、残余强度之比与土体强度弱化存在密切关系，在同等正应力条件下，砂土的残余比明显高于黏土，随着剪切速率增加，砂土、黏土的残余比均降低。 建议有关人员在大直径钢管桩打桩施工中，考虑土层深度、土体性质对桩周土体强度造成的影响，确保稳定安全施工，进而提升项目整体质量。