軟土場地傾斜樁牽引糾偏內力弱化技術

楊曉紅 朱進軍 邵 勇

（連云港職業技術學院建筑工程系，連云港 22006）

軟土場地傾斜樁牽引糾偏內力弱化技術

（連云港職業技術學院建筑工程系，連云港 22006）

摘 要介紹了傾斜管樁牽引糾偏的內力弱化技術，為了分析影響牽引糾偏技術的因素，首先擬合現場實測數據得到土層及樁體的合理參數，然后采用數值模擬手段分析了土體弱化深度、糾偏速率及土體性質對糾偏效果的影響。計算結果表明，隨著弱化深度的增加樁身彎矩逐漸減小，且最大彎矩所在位置逐漸往樁底移動，當弱化深度為1～3 m，時樁身彎矩的降低最為明顯。糾偏速率越大樁身產生的彎矩就越大，速率太小則影響工期，故推薦5 cm／h為佳。土體強度的提高則會增加樁身彎矩，但是隨著土體弱化深度的增加，樁身彎矩的降低程度也較土體強度低的明顯。

關鍵詞樁基工程，傾斜樁，牽引糾偏，弱化技術，數值模擬

Internal Force Release Technology for Inclined Pile Correction on Soft Soil Sites

YANG Xiaohong ZHU Jinjun SHAO Yong
（Department of Architectural Engineering，Lianyungang Technical College，Lianyungang 22006，China）

Abstract A technology to release the internal force in order to correct the inclined pile was introduced in this paper．To analyze the impact factors of the correction technology，soil and pile were investigated based on the field testing．Numerical simulation was used to analyze the effects of the release depth，correction rate and soil characteristic．Results show that the moment of pile decreases with the increase of the release depth and the location for the maximum moment gradually moves toward the end of pile．As the releasing depth is set to 1 m to 3 m，the moment reduction is most obvious．A larger correction rate can generate a greater moment，5 cm／h is recommended as an optimal rate．Improving of soil strength can increase the pile moment but with the increase of the release depth，the moment reduction margin is more obvious than the low-strength soil．

Keywords pile foundation，inclined pile，traction correction，release technology，numerical simulation

1 引 言

預應力管樁在施工過程中發生傾斜屢見不鮮，這也給管樁的應用帶來難題，因此管樁傾斜的處理技術在工程建設中也得到了廣泛應用。目前關于管樁傾斜的處理技術有樁側土體注漿加固、設置基礎連梁、頂推糾偏等［1～5］。

國內外一些學者對此已有研究，并取得了一定的成果，胡文紅等［6］結合現場試驗和數值模擬研究樁側土體加固對管樁承載力的影響，得到了加固范圍對加固效果的影響。朱奎等［7］介紹了頂推結合注漿加固法處理傾斜樁，對此法的施工工藝及操作方法進行了詳細說明，并在工程實踐中對頂推法糾偏技術進行了檢測。

本文以連云港地區海相軟土條件下樁基工程為例，研究牽引法糾偏技術，主要分析了弱化深度、樁側土體性質以及牽引速度對樁身內力的影響。

2 現場糾偏存在的問題及內力弱化原理

傾斜樁糾偏是在樁頂施加水平向力，使之產生位移而矯正樁體傾斜度，糾偏完成后一般采用低應變法監測樁身完整性，但是在現場糾偏時往往由于樁側被動區土壓力過大導致樁身內力過大，從而引起樁身裂縫。因此可以考慮弱化樁側被動區土壓力來降低樁身內力。

通過樁身內力分析可以將傾斜樁糾偏簡化看作懸臂梁模型［8－9］，在自由端施加集中力的位移公式為PL3／3EI，式中，P為集中力，L為懸臂長度，而對被動區土壓力的弱化可以理解為增大了懸臂長度，這樣獲得相同位移所需的集中力將減小。因此，對樁側被動區土體的弱化將減小傾斜樁糾偏所需水平向力，從而降低了樁身內力。

在現場操作時首先在樁頂附近固定鋼絲繩，再連接拉力傳感器及施加牽引力裝置，如圖1所示。

圖1　牽引糾偏示意圖Fig．1 Schematic diagram of traction correction

圖2　現場操作圖片Fig．2 On-site operation

在樁體糾偏同時減小樁側被動區土壓力，一種方法為開挖土體卸荷，另一種方法為高壓射水，即對樁側土體進行弱化，在具體操作時可以根據現場情況選擇。糾偏位移量一般在30 cm左右，弱化深度最大約4 m。糾偏完成后采用低應變法檢測樁體完整性，檢查牽引糾偏是否對樁體造成破壞。

連云港地區為海相軟土場地，其中淤泥質軟土從數米至數十米厚，其強度低，大多呈流塑狀態，表1即為連云港地區典型土層，其中淤泥質土達10 m厚，其下部數米厚的粉質黏土強度也較低，給工程建設帶來了極大的困難。在現場糾偏時進行了數據采集，主要記錄了樁頂水平位移和糾偏荷載，實測結果見圖3，場地土層分布正如表1所示。

表1　地基物理土力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

圖3　實測數據與模擬數據的擬合Fig．3 Fitting of measured data and simulation data

為了得到數值模擬的合理參數，針對表1中土層建立了數值模型，擬合現場實測數據，結果見圖3，可以看出實測數據與模擬數據比較接近，數值模擬所選參數比較合理。

3 數值模型及計算條件

數值模擬采用有限差分軟件FLAC3D，模型尺寸根據文獻［10］中建議取值，模型長寬均為30 m，高為40 m，承臺采用實體單元模擬，管樁采用軟件自帶的結構單元pile模擬，計算時巖土體本構為摩爾—庫倫模型，承臺采用彈性模型物理力學參數采用表1中數據。承臺彈性模量為33 GPa，管樁彈性模量為29 GPa，樁長為24 m，直徑為500 mm，入土深度為23 m，樁身設計彎矩值為274 kN·m，數值模型如圖4所示。

圖4　數值模型網格Fig．4 Numerical model

數值模擬邊界條件為在模型底部施加全約束，即約束其水平與豎直向變形，模型四周約束其水平向變形，模型頂部無約束。計算時在樁頂施加速度荷載，糾偏速率為5．5 cm／h，這樣可以控制糾偏位移量。

分析時取5種工況，工況1—5分別為糾偏5 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm，主要計算了弱化深度對糾偏效果的影響，其中考慮樁身是否破壞。

4 計算結果分析

4．1 弱化深度對糾偏的影響

弱化深度即為樁側被動區土體的弱化處理深度，圖5為5種工況糾偏后樁身最大彎矩與弱化深度的關系，可以看出在糾偏量為5 cm及10 cm時樁側土體無須弱化，樁身強度能夠滿足糾偏需要。在糾偏量為20 cm時土體需弱化濃度約2．0 m，糾偏30 cm需弱化約3．2 m，糾偏40 cm需弱化約4．5 m。

從圖5中曲線特征來看，當土體弱化深度在1～3 m區間段，樁身彎矩下降最為明顯，弱化深度超過3 m之后，曲線趨于平緩，說明在牽引糾偏時土體弱化深度選擇在1～3 m時效果最大。另外當糾偏量較小時樁身彎矩的降低值也較小。

圖6為糾偏量與土體弱化深度的關系，用線性關系擬合相關性系數為0．985 1，精度較高，關系公式為y＝0．147x－1．25，其中，x為糾偏量，y為土體弱化深度，此公式可以為牽引糾偏工作提供參考。

圖5　各工況荷載與水平位移的關系曲線Fig．5 Relation between load and displacement

圖6　糾偏量與土體弱化深度的關系Fig．6 Relationship of the correction amount and the release depth

為了得到樁身彎矩分布隨土體弱化深度的變化特征，現以糾偏量為20 cm為例，給出樁身彎矩分布，如圖7所示。

圖7　樁身彎矩分布圖Fig．7 Moment distribution of the pile

從圖7中可以看出，隨著弱化深度的加大，樁身彎矩值減小，且最大彎矩所在位置往下移動，即向樁底移動。圖中也可以看出弱化深度為1～3 m時彎矩降低最為明顯，與上述曲線分析結論相同即弱化深度達一定值后樁上彎矩減小較緩慢。

圖8為最大彎矩所在位置與弱化深度的關系，當樁側土體未弱化時，最大彎矩位于樁頂以下約4 m處，隨著土體弱化深度的增加，最大彎矩所在位置逐漸移至約14 m。

圖8　最大彎矩位置與弱化深度的關系Fig．8 Relationship between the maximum moment location and the release depth

4．2 糾偏速率的影響

上述計算采用的糾偏速率為5．5 cm／h，為了給牽引糾偏工作提供更多的指導，本文繼續分析糾偏速率對糾偏效果的影響。分為4種工況，糾偏速率分別為4．0 cm／h、5．5 cm／h、7．0 cm／h、8．5 cm／h，糾偏量均為20 cm，計算結果見圖9。

圖9　糾偏速率與弱化深度的關系Fig．9 Relationship between the correction rate and the release depth

從圖9中可以看出，糾偏速率的增大將導致樁身彎矩的增加，與此對應的土體弱化深度也將增大，前三種工況的弱化深度分布為1．3 m、2．0 m、3．9 m，說明糾偏速率較小時可以減少土體的弱化深度，當糾偏速率達8．5 cm／h時土體弱化深度超過6 m，這在工程中也很難實現。因此，在牽引糾偏時還要注意糾偏速率的影響，速度太大勢必會導致樁身破壞，雖然糾偏速率較小時樁身較安全，但是對工期存在影響，因此本文給出糾偏速率控制在5 cm／h較為合適。

4．3 土體性質的影響

在分析土體性質對牽引糾偏效果影響時，仍取糾偏量20 cm為例，主要是改變表1中10 m厚淤泥質土的強度，以體現軟土場地軟弱程度的不同，計算時分為3種工況，第1種工況為前述分析，第2種工況將淤泥質土彈性模量改為3．5 MPa，黏聚力改為11 kPa，摩擦角改為7°，其余參數不變，第3種工況將淤泥質土彈性模量改為5．6 MPa，黏聚力改為13 kPa，摩擦角改為9°，其余參數不變，總體上，淤泥質土的強度呈遞增的趨勢。計算結果見圖9。

從圖10中可以看出，樁側土體強度的提高增大了樁身最大彎矩值，且達到糾偏量時的弱化深度也有所增加，說明土體性質對糾偏效果存在影響，只是影響程度較小。另外從最大彎矩值的下降速度來看，土體強度越大其彎矩下降越明顯，這是由于土體強度越大其對樁體的約束就越大，在土體弱化后樁體的約束減少就越明顯。

圖10　土體性質對糾偏的影響Fig．10 Influence of soil properties on the correction

5 結 論

通過對傾斜管樁牽引糾偏的計算，分析了土體弱化深度、糾偏速率及土體強度的影響，現總結如下：

（1）在糾偏量較小時（如文中的5 cm及10 cm，）在牽引糾偏時無需弱化樁側土體即可滿足要求。弱化深度在1～3 m時樁身彎矩下降的最為明顯。

（2）糾偏速率的提高會增加樁身彎矩，同時需要加大土體弱化深度，速率過大時土體弱化將無法滿足牽引糾偏的要求，即弱化深度過大而無法達到。

（3）土體性質對牽引糾偏也存在一定影響，土體強度越大，需要的弱化深度越深，但是影響程度較小。

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收稿日期：2014－06－19