等體積原理在擠土樁施工中引起地基土體變形的應用

趙文杰 袁東喜 姜洪建

(中國化學工程第一巖土工程有限公司，河北 滄州 061001)

ΔH=K1K2K3Δ

ΔV=K1K2(1-K3)Δ

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等體積原理在擠土樁施工中引起地基土體變形的應用

趙文杰 袁東喜 姜洪建

(中國化學工程第一巖土工程有限公司，河北 滄州 061001)

針對擠土樁基施工時引起周圍土體變形問題，采用擠土量與排土量體積相等的原理和工程實例相結合的方法，著重分析了土體變形規律，研究結果可為同類工程的設計與施工提供依據，也可對樁基設計與監測提供參考。

樁基，PHC，擠土，土體變形，階段劃分

1 概述

隨著我國經濟的高速發展，城市規模的不斷擴大，高層建筑、重要建筑越來越多。在這些建筑基礎設計與施工中，當遇到地基土層承載力不足或建筑物對沉降變形特別敏感時，樁基的采用是比較理想的辦法。樁基能夠伸入較深的地層中，有效提高地基承載力。但是，在樁基的施工過程中也出現了一些問題[1-3]。

目前樁基有許多分類方法，按照成樁方法可以分為非擠土樁、擠土樁和部分擠土樁。其中擠土樁主要是預制樁，施工過程為將預制樁用錘擊、震動、靜壓的方法置入地基土中。在特定的地層中，這種成樁方法通過樁體擠入地基土中，使得樁體與地基土成為一個整體，大大提高地基承載力。但樁體擠入土中時，使周圍土體發生變形[5,6]，尤其在群樁施工過程中，這種變形極為明顯。當周圍存在暗埋設施或建(構)筑物時，土體變形超過其允許變形值時，必然對其造成一定損害，嚴重時可能造成較大的經濟損失與人員傷亡。在擠土樁基設計與施工時進行必要的預測與監測，能夠有效的了解周圍土體變形情況，必要時采取一定防治措施。

樁基周圍土體變形是一個復雜的過程，受多種因素影響。目前已有一些文獻對其變形規律的理論研究與現場監測作出闡述。劉虹等[7,8]就樁基施工過程中出現的問題作了一些探討，舒國榮等[9-11]針對樁引起的擠土效應作了專門研究。

以上作者對樁基工程引起的問題作了專門的研究，大多集中于對現場監測數據的分析，從理論與實測數據相結合的角度來解決工程實際問題很少。本文在其研究基礎上，主要采用擠土量與排土量體積相等的原理來研究地基土變形規律。研究結果能夠為工程設計與施工提供依據。

2 樁基引起地基土變形

2.1 理論研究

由于樁基占據地基土位置，使得土體向周圍運動，單樁情況下，采用擠土量與排土量體積相等的原理[12]計算樁周圍土體變形：

(1)

其中,Δ為離小孔中心半徑為ρ的邊界面將會發生的位移;r為樁體半徑;ρ為邊界一點到樁孔中心的距離。

水平向和豎向位移可分別表示為：

ΔH=K1K2K3Δ

(2)

ΔV=K1K2(1-K3)Δ

(3)

其中，K1，K2,K3分別為擠土系數、擠土分配系數、水平位移擠土分配系數。

根據上式，以不同的樁徑，不同的距離，得到變形量隨樁徑、距離的變化圖(見圖1)。圖中總變形量變化率為樁徑500 mm時的變形量變化率；總變形量為樁徑分別取300 mm，400 mm，500 mm，距離樁中心的距離為5 m～60 m的變形量。由圖可知：隨樁徑的增大，相同的影響距離時，土體的變形量越大；當樁徑相同時，隨距樁中心距離的增大，土體的變形量減小，且減小的速率越來越小。對式(1)，等號兩邊分別對Δ，ρ微分，可以得到變形量隨距樁中心距離的變化趨勢式(4)。

(4)

根據式(4)，當ρ足夠大時，樁周圍土體的變形量很小，可以忽略其影響。結合圖1，將土體變形隨距離的變化分為3個階段：1)陡降段(ρ≤10 m)，土體變形值隨距離的增大顯著減小；2)緩慢減小段(10 m<ρ≤20 m)，土體變形速率和變形值明顯減小；3)平穩段(ρ>20 m)，土體變形隨距離的增大變化很小，且其變化速率越來越小并趨于零。

2.2 工程實例

2.2.1 工程背景

某工程由兩棟8層住宅樓組成，地下1層，基坑開挖深度為5.5 m，持力層為砂質粉土[13]。采用靜壓沉樁施工工藝，樁基型號為PHC-AB500(100)-10.15，樁基施工完畢后進行基坑開挖。

地層剖面見表1。

表1 地層剖面 m

2.2.2 監測點布置

為研究樁周圍土體變形規律，除對基坑周圍建(構)筑物設置專門監測點外，在基坑周圍布置4條監測剖面，西側3條，東側受場地限制布置1條。每條剖面設置4個監測點，距群樁中心距離分別為12 m，25 m，38 m，50 m。

2.2.3 土體變形規律

對4個剖面距群樁中心距離相等的監測點實測變形值進行處理，剔除差異較大數據后取平均值。圖2為變形值與距樁中心距離的關系，變形隨距離的增大逐漸減小，且減小的速率逐漸變小。由于土體變形受群樁布置、施工順序、地層巖性、結構、密實度、壓縮模量、飽和度等因素影響，樁周圍土體變形是一個復雜的過程，這導致理論公式與實測數據之間存在一定差異。群樁情況下，按群樁截面面積總和與群樁中心代替單樁情況下單樁截面面積與單樁中心，通過對理論公式進行變換式(5)，對實測數據進行擬合。

(5)

其中,α為系數，其值與土體本身和施工工藝有關；Fi為第i根樁截面面積。

通過擬合發現，當α=0.024時，擬合效果最好，相關系數R2=0.93，說明采用式(5)能夠較好的擬合群樁周圍土體變形。

如上分析，土體變形仍出現較明顯的階段性，因此將土體變形隨距離的變化分為3個階段：1)陡降段(ρ≤17.5 m，dΔ/dρ≤-0.001)；2)緩慢減小段(17.5 m<ρ≤35 m，-0.00135 m，-0.003

本工程階段性劃分分界點與理論存在一定差異，主要存在以下幾點原因：本次施工為群樁施工，采用群樁截面面積總和與群樁中心代替單樁情況下單樁截面面積與單樁中心的方法對周圍土體變形值進行擬合時，難免會存在一定差異，且各樁的施工順序不同也可能造成結果的微小差異；土體變形受地質環境的影響，如地層巖性、結構、密實度、壓縮模量、飽和度。對比理論曲線與實際擬合曲線，二者在樁周圍土體變形規律上極為相似，說明采用擠土量與排土量相等原理來研究樁側土體變形規律是可行的、科學的。

2.2.4 結果分析

距基坑西北角50 m是兩棟18層民居；基坑西側36 m是一棟11層民居，旁邊設有地下車庫；基坑南側45 m分別為7層和2層民居；基坑東側約41 m處為地下管線，埋深約5 m，主要有煤氣管、給水管、電力電纜、污水管、信息電纜。

表2 基坑周圍環境監控報警值

表2為基坑周圍環境監控報警值[14]。距離基坑最近的臨近建筑為36 m，其變形小于10 mm，滿足要求；距離基坑最近的地下管線為41 m，其變形值也小于報警值。布置于建(構)筑物與地下管線附近的監測點監測數據表明，樁基施工引起的土體變形為超過規范規定的累計變形值，這一結果與采用等體積原理公式擬合的結果一致，說明采用等體積原理在擠土樁引起地基土變形規律的應用是適用的。

3 結語

本文采用擠土量和排土量體積相等的原理，結合工程實例，著重分析土體變形規律，得出以下結論：

1)通過理論分析，根據單樁周圍土體變形量變化規律，可將土體變形量隨距樁中心距離劃分為3個階段：

a.陡降段(ρ≤10 m)；b.緩慢減小段(10 m<ρ≤20 m)；c.平穩段(ρ>20 m)。

2)按群樁截面面積總和與群樁中心代替單樁情況下單樁截面面積與單樁中心，采用對理論公式的變換形式能夠很好的對實測變形數據進行擬合。

3)實測樁周圍土體變形符合理論推導的變形規律，實測變形也存在3個階段：

a.陡降段(ρ≤17.5 m，dΔ/dρ≤-0.001)；b.緩慢減小段(17.5 m<ρ≤35 m，-0.00135 m，-0.003

4)由于地質條件和施工工藝不同，實測變形值階段劃分分界點與理論公式分界點存在差異。

5)監測數據表明，等體積原理在擠土樁引起地基土變形規律中的應用是適用的。

應該指出，本文只對一種工程實例來說明，可能具有一定的巧合。采用這種原理來預測土體變形需大量工程實踐證明，且需謹慎使用。

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[14]DJ/T J08—2001—2006，基坑工程施工監測規程.

Application of equal volume principle in foundation soil deformation caused by soil compaction pile in construction

Zhao Wenjie Yuan Dongxi Jiang Hongjian

(ChinaChemicalEngineeringFirstGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Cangzhou061001,China)

According to surrounding soil deformation in compaction soil pile foundation construction, using the soil compaction and soil volume equal principle and engineering examples combining method emphatically analyzed the soil deformation law, the results could provide basis for similar engineering design and construction, but also provided reference for pile foundation design and monitoring.

pile foundation, PHC, squeezed soil, soil deformation, stage division

1009-6825(2015)18-0060-03

2015-04-12

趙文杰(1986- )，男，工程師； 袁東喜(1975- )，男，高級工程師； 姜洪建(1990- )，男，助理工程師

TU473

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