軟土地基中樁基施工時的擠壓力影響

張磊

【摘要】飽和軟土地基中樁基設計和施工的一個重要限制因素是其對周圍環境的影響。樁基施工時產生的巨大擠壓作用， 會使樁區及附近相當范圍內的土體發生向上隆起和水平位移， 樁體上抬、偏位、折斷時有發生。有時因危及周圍管線、地面道路和建筑物的安全還不得不改變原有設計，軟土地基中樁基施工的擠壓效應及其預防措施是巖土工程界高度重視的問題。本文對樁基施工過程中對土的擠壓力進行了研究。

【關鍵詞】軟土地基；樁基施工；擠壓力；

通過對一樁基工程中實測資料的分析， 得到了關于軟土地基中樁基施工時產生的擠壓力的一些規律， 并與已有的理論解進行了對比. 這些結果可為進一步的理論研究和機理探討積累資料和經驗， 也可為改進樁基施工工序、采用合理措施減少斷樁和對鄰近建筑物的危害提供依據.

一、樁基礎端部土體的擠壓應力變化規律以及影響半徑

1.理論計算分析。由于土體屬于各項異性物體，在理論上很難進行全面的模擬，在實驗室進行沉管灌入樁實驗模擬依舊是很復雜的工作。具體模擬的理論依據是：將樁基礎貫入式模型理想化為土體中空隙的膨脹，建立力學模型以后，利用彈塑性力學進行求解，考慮到該問題轉化為對稱性問題，利用力學方法方便求解，得到球形空隙膨脹以后在四周的土體上形成一個彈塑性界面，其應力、變形、位移分布均符合Mohr-Coulomb 屈服準則的飽和彈性完全塑性材料，根據公式可以求解出，球形空隙膨脹以后應力的增量具體如下：在塑性區域應力分析：，在彈性區域應力分析：，式中：Δσr 為徑向應力增量值；R p 為土體塑性區域的半徑大??；r 為土體離開樁基礎形心的距離；C u 為土體在不做排水處理下的抗剪強度。由于在土體的塑性區域仍然保留有邊界位移量，為了忽略次要因素，假設塑性區域內的土體不可壓縮，其核心理論就是將單個灌注樁周圍要研究的土體理想化為一個彈塑性模型，雖然式中的參數已很明確，但是確定參數值的過程仍然很復雜，由于土體受外界環境因素影響復雜，參數的值沒有普適性，因此，上述算式只有經過具體的工程實際修正后，方可在工程計算中直接使用。

2.測量結果的分析與整合。圖1是設置在埋深7.6m 處的壓力盒傳來的結果，從圖像中可以看出：貫入樁的端部在沒有接觸到土體觀測點時已經產生應力影響，兩者之間的位移差伴隨沉樁與被測點距離的減小而變化。第182號樁位與觀測點的水平距離為0.72m，當沉入樁進入土體深達3.4 m時，即距離被測點的高差4.4m時，壓力計讀數開始驟然增加；樁端距離觀測點高差接近1 m時，土體的擠壓應力顯著增加，當沉入樁一接觸到土體瞬間，擠壓應力達到峰值，隨后，伴隨貫入樁的繼續深入，當樁端超出被測點的標高時，擠壓應力將減小，并且維持在一個范圍內波動，峰值同波動值的比大約為1.41。這充分表明：樁基礎端部的徑向擠壓應力是在沉樁階段受到的最大擠壓應力，產生部位在端部同一水平面上，位于這一基準面上的樁基礎主要承受沉入階段的摩擦力，摩擦力的大小相對恒定，相比徑向擠壓應力小很多，但是峰值同波動值的比值伴隨樁位同觀測點的水平間距增加而降低。

二、 施工流程的影響

樁基施工時對土的擠壓力與沉樁的施工流程有關，圖2是與量測樁相距75 cm的一排樁（ #137～#153樁） 施工時測出的壓力變化。在不同的測點埋深處， 都顯示了這樣一個共同的規律： 當量測樁進入沉樁的影響范圍并相距越來越近時（從左向右）， 擠壓力增長很快， 并當沉樁樁位與量測樁最近時達到峰值。隨著沉樁樁位背向量測樁逐漸遠去， 對量測樁的擠壓力也漸漸降低， 并保持在某一基本穩定的水平上。在深層土中， 峰值及穩定值與沉樁前的側向土壓力之比， 分別為1. 7～ 2.0和1.3～ 1.6； 但在淺層土中， 峰值與沉樁前壓力值之比僅為1.2， 而沉樁后的穩定值反而小于沉樁前的。這也就是說， 即使距離相同，向著被影響物漸近的樁產生的影響比背著被影響物遠去的樁所產生的要大得多。

三、關于群樁基礎形式布置中土體擠壓應力分析

1.貫入樁進入土體以后，使軟土地基逐漸密實，導致擠壓應力驟增；但是，隨著施工的開展會使得已經安定的土體重新松散，尤其是土體淺表會出現明顯的隆起，最終使得應力分散。所以，在施工中土體經歷了"松散-密實-松散"的循環過程，就理論分析，施工前土體中任意微元體均經受來自豎向壓應力和側向壓應力的共同作用，并且保持自平衡，根據材料力學理論，豎向擠壓應力是所確定應力圓的最大應力方向和最小應力方向，因此，可以確定土體微元體的應力圓。

2.由于樁基礎的擠壓作用，導致土體的側向應力增加，而豎向應力不變，應力圓在橫向縮小。如果側向擠壓應力超過豎向應力，最大主應力的方向將逆轉，應力圓反而變大，直到側向擠壓應力達到峰值時，即應力圓同土體強度包絡圖相切，這一瞬間前，土體仍然屬于彈性變形階段。所以，在進行施工前，土體的側向壓應力伴隨樁基礎的貫入數量增加而持續增加，一旦貫入樁的數量超過土體微元體維持線彈性的極限應力條件，對于服從Mohr-Coulomb 屈服準則的土體將產生不可逆轉的塑性變形，即出現整體位移和局部隆起，由于形變增加，側向壓力由于土體松散而急劇降低，繼續貫入將造成土體更大的塑性破壞，此時側向壓應力保持在一個范圍內做微小波動。根據應力圓同強度包絡圖之間的關系，可推導出土體發生塑性變形后的側向壓應力與豎向壓應力之間的函數關系。具體表達式如下：，經過計算，土體的側向壓應力穩定值σs 與觀測點的埋深有密切的關系：在埋深為1.2 m 的表層部分，土體的穩定值介于55～60 kPa 之間，大約是豎向壓應力的2.8 倍左右；在埋深為12.8 m的土體深處，穩定值可以高達430 kPa，此時大約為豎向壓應力的1.76 倍；而位于二者之間的中層7.6 m 處，穩定值為165 kPa，此時為豎向壓應力的1.1 倍。穩定值之所以同埋深有密切關系，在于埋深的不同直接決定豎向壓應力γh 值的大小，在γh 的作用下，土體微元體到達塑性破壞的極限，主應力值σp 不同。

3.考慮到土體中黏結力和應變延后等因素的干擾，在監測點靠近施工區域時，會暫時出現穩定值大于之前理論峰值的情況，雖然持續的時間很短，但是，這一階段的應變影響累積效應是不能忽略的，因為最值可能超出原有峰值的15%以上，這個參數伴隨貫入深度的增加而降低。因此，在施工中，尤其是樁基礎貫入前期，必須嚴格監控測點壓應力的大小，如果壓應力超限，可以考慮，疏松周圍土層進行釋壓，并進行相應的土體結構加固，等到壓力值返回極限應力以下再繼續施工。

結合現場理論分析，我們不難得出以下結論：一是土體擠壓應力的大小與施工布置有密切關系。即便距離等同，如果在貫入階段，伴隨貫入深度的增加，取向改變以后，二者的影響程度相差甚遠。二是進行群樁基礎施工時，土體的擠壓應力會在一定范圍內增加，最終達到峰值并在小范圍內波動，此時的微小波動值與相同深度的土體微元體發生劇烈塑性變形時需要的最大主應力可以認為相同，但是，也不排除在具體施工中明顯高于微小波動值的情況發生，這一點應該密切留意。

參考文獻：

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