道路約束條件下靜壓群樁擠土效應

李富榮，　孫厚超

(鹽城工學院　土木工程學院， 江蘇　鹽城　224051)

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道路約束條件下靜壓群樁擠土效應

李富榮，孫厚超

(鹽城工學院土木工程學院， 江蘇鹽城224051)

摘要：在分析靜壓沉樁擠土機理的基礎上，采用室內模型試驗，研究了道路約束條件下靜壓群樁擠土效應引起的地表土體變形，包括水平位移和隆起變形，并與工程實測進行了比較分析。試驗結果表明，沉樁過程中，僅樁區內地表土體水平位移是先增大后減小，其余各處土體變形均是不斷增大的，只是道路外側土體變形較小，可忽略不計；受道路約束影響，距樁區較近處地表土體水平位移減小，隆起變形增大，且樁區-道路間距離越小，該處土體變形越小，而距道路較近處地表土體變形越大；距道路越近，樁區-道路間地表土體變形越小；在道路另一側，地表土體最大變形明顯減小。工程實測表明，與室內試驗結果相比，樁區-道路間土體變形呈現相同的變化規律，但受實際道路約束的影響，實測時道路另一側土體基本未有變形。因此，靜壓樁施工必須考慮周邊道路、建筑物等約束的影響。

關鍵詞：道路約束；靜壓群樁；擠土效應；模型試驗；工程實測

近年來，國內外學者對靜壓樁擠土效應課題進行了大量的研究，取得了顯著的研究成果[1～8]，并形成了一個共識，即建立既符合實際又便于分析研究的靜壓樁施工模型是研究靜壓樁擠土效應的關鍵。目前，靜壓樁擠土效應的研究基本基于平面應變軸對稱假定，不考慮周圍環境的約束，僅限于研究擠土效應本身。然而，在實際工程中，很多靜壓樁施工不可避免地受到施工場地周邊道路、建筑物等表面約束的影響。

對周圍環境約束條件下沉樁擠土效應尚缺乏充分的研究，文獻[9,10]采用數值模擬方法研究了道路約束、靜壓樁機表面約束下沉樁擠土效應引起土體變形的變化規律，并與工程實測進行了比較分析；文獻[11]建立了靜壓沉樁全過程的三維差分數值分析模型，研究了沉樁擠土對既有隧道位移和附加內力的影響規律；文獻[12]采用現場測試方法分析了人工挖孔樁施工對緊鄰基坑圍護結構的影響；文獻[13]采用靜壓沉樁三維實體模型，不僅分析了有無道路情況下土體位移的變化，還探討了存在道路時路面板的位移及應力變化情況。然而，上述研究主要是基于實際工程采用數值模擬方法開展研究，個別結合或采用工程實測，且采用樁型及沉樁施工的影響對象均不盡相同，研究內容也缺乏系統性。為此，本文以道路約束為條件，采用室內模型試驗，研究靜壓沉樁擠土過程中地表土體水平位移和隆起變形的變化規律，并與工程實例測試進行比較，以期為實際工程的設計與施工提供有益的參考，也為環境保護提供必要的技術支持。

1擠土效應機理

在飽和軟土中靜壓沉樁時樁側土易受到擠壓、擾動、重塑，產生超孔隙水壓力。對于群樁而言，其擠土效應是各單樁擠土效應的累積，當中小樁距的群樁沉樁達到一定數量后，常出現土體隆起和側移，基樁連同上涌，對于預制樁可能導致接頭被拉斷，甚至造成二節樁之間出現數十厘米的間隙；對于灌注樁則可能導致縮徑、斷樁等質量事故。

為了分析道路約束下沉樁擠土效應，有必要對擠土效應的機理進行分析。這里，將飽和軟土中的擠土沉樁視為半無限土體中柱形小孔擴張問題[14]，應用彈塑性理論求解其沉樁瞬時的應力和變形。假定：(1) 土是均勻各向同性的理想彈塑性材料；(2) 飽和軟土是不可壓縮的(無排水固結的瞬間擠土)；(3) 土體符合庫侖-莫爾強度理論；(4) 小孔擴張前，土體的各向有效應力均等。則小孔擴張的塑性區半徑為：

徑向擠土應力為：

豎向擠土應力為：

樁土界面的最大擠壓應力為：

式中：cu為樁周飽和土的不排水抗剪強度；r為離樁中心徑向距離；r0為擴張孔(樁)的半徑；E為樁周飽和土的彈性模量；μ為樁周飽和土的泊松比。

可見，沉樁擠土效應有如下特性：

(1)擠土塑性區半徑R隨土的彈模增大和不排水抗剪強度減小而增大。對于具體工程，塑性區半徑Rp與擴張孔即樁徑成正比，樁徑越大，塑性區半徑越大，擠土范圍越大。對于群樁擠土，其塑性區則是相互疊加的，其擠土效應更加明顯。

(2)徑向擠土應力和豎向擠土應力隨著徑向距離的增大而遞減，豎向應力在塑性區外邊界上遞減為零。可以認為，理論上，若樁距大于塑性區半徑時，后沉樁對先沉樁不產生豎向擠土應力，樁不易產生“浮樁”現象。

(3)在沉樁過程中樁表面出現最大擠土壓應力pr，伴隨著最大超孔壓Δu出現，兩者近似相等。當超孔壓值超過土的有效壓應力和土的抗拉強度時，便會發生裂縫而消散。沉樁過程中超孔壓一般穩定在土的有效自重范圍內，瞬時偶爾可超過土有效自重的20%～30%。沉樁停止后，孔壓消散初期較快，以后變緩，近表層土和近砂、礫土孔壓消散較快。同時，沉樁速率愈快，土體因超孔壓產生的隆起量和側移量愈大。

存在道路約束時，樁在逐漸被壓入土體過程中，道路約束限制了周邊土體變形和孔隙水壓力的發展，樁周土體受到的擠壓應力變大，土中孔隙水壓力上升較快，土體抗剪強度降低。可見，道路約束與通常情況下靜壓樁擠土的小孔擴張理論大不相同。對此，尚未有成熟的計算方法，其擠土效應機理也有待于進一步研究。

2室內模型試驗

2.1模型試驗設計與材料特性

模型試驗在自行設計加工的模型箱內完成，其尺寸為1.86 m×1.06 m×1.5 m(長×寬×高)，采用1.2 cm厚鋼板焊接而成，采用20a槽鋼焊接加固，以滿足模型箱剛度要求。

(1)模型比

參考已有研究，根據模型相似理論，在模型箱尺寸基礎上，確定模型樁幾何相似比CL=1∶10，試驗土體容重相似比Cy=1。

(2)模型樁

試驗僅考慮靜壓沉樁引起的擠土效應，不考慮長細比等因素影響，故試驗采用模型樁為平底樁，其樁長l為1 m、樁徑d為4 cm，由有機玻璃棒模擬制作。試驗前，將模型樁側面打磨粗糙，增加樁與土之間的摩擦，以模擬樁身混凝土表面與樁側土的實際接觸。

(3)模型試驗土體

試驗土體取自鹽城市建軍路主干道附近軟土場地，取回后依次經平鋪晾曬、碾壓粉碎、加水攪拌、分層填筑、加壓固結等過程制成模型土地基。所用土體物理力學參數如表1所示。

表1　土的物理力學參數

(4)道路約束模型

沉樁區域附近存在道路時，相當于道路對周圍土體有一約束作用。試驗道路模型采用經過室內正常養護的預制水泥板，試驗前，將其置于土體內部一定深度(約4 cm)，并在試驗過程中道路模型兩端施加位移約束，確保其不發生任何位移。受模型箱尺寸限制，試驗僅考慮沉樁時存在道路約束即可，故選用道路模型長為100 cm，厚度為12 cm，寬度B為40 cm，如圖1所示。

圖1　試驗用道路模型

2.2試驗步驟

在模型箱底部及四周涂抹潤滑油，以消除土與模型箱內壁的摩擦，使其盡量與實際情況相似。

每次試驗時，沉樁速率約為2.5 mm/s，樁間距為4d，依次沉入9根樁，形成3×3群樁，測出沉樁過程中地表土體的水平位移和隆起變形。

試驗中，采用標識點法測量土體水平位移，即在擬定觀測點處埋設一泡沫塊，泡沫受擠壓變形的影響忽略不計，并插入大頭針，采用兩臺高精度全站儀觀測大頭針頭部的移動情況；采用百分表測量土體隆起變形，在觀測點處布置一個硬木片，并使百分表與之充分接觸，百分表讀數轉換后即得到土體隆起變形。土體變形測定如圖2所示。

圖2　土體變形測定

圖3給出了樁區-道路間距離L=32 cm時試驗方案布置，其具體工況設計見表2，該表僅給出樁區與道路之間區域土體變形觀測點布置情況。同時，道路另一側土體變形觀測點LW1、LW2距道路距離分別為8 cm、24 cm，樁區內②～⑤和⑤～⑧之間觀測點分別記為ZQ1和ZQ2。沉樁前土體變形觀測點布置如圖4所示。

圖3　試驗方案布置/cm

道路寬度B/cm樁區-道路距離L/cm位移觀測點距樁區距離/cm0(無道路)/8、24、4040168(ZL1)328(ZL1)、24(ZL2)488(ZL1)、24(ZL2)、40(ZL3)

圖4　沉樁前土體變形觀測點布置

每次試驗結束后，清除土體表面泡沫、木片等試驗用物體，并將模型箱中土體全部取出，重新分層攪拌填筑，并壓實固結30天，以減少前次試驗對后續試驗的影響。在此期間，為防止土體水分蒸發，影響試驗結果，用塑料薄膜覆蓋土體，并灑水養護3次。每次試驗前后測定土體物理力學參數，發現變化量很小，可忽略其影響。

2.3試驗結果

2.3.1沉樁過程

在沉樁過程中，受擠土效應的影響，樁區內、樁區-道路間、道路外側土體的水平位移和隆起變形表現出不同的變化性狀，但是樁區-道路間距離不同時其變化規律基本相似，故這里僅給出L=48 cm時地表土體水平位移和隆起變形的變化曲線，如圖5。

圖5　地表土體變形的變化曲線(L=48 cm)

在樁區內，②～⑤樁之間ZQ1點和⑤～⑧樁之間ZQ2點土體的水平位移均呈現先增大后減小的趨勢，其中，ZQ1和ZQ2點水平位移最大值分別出現在沉入第三和第六根樁后，同時，由于沉樁順序的原因，ZQ2點水平位移最大值大于ZQ1點水平位移最大值。沉樁結束后，ZQ1點水平位移為負值，即ZQ1點水平位移方向與沉樁方向相反，說明沉樁擠土過程中該點受后沉入樁的影響較大。在樁區與道路之間，隨著樁的沉入，土體水平位移逐漸增大，同時，受道路寬度、樁區與道路之間距離等因素的影響，其水平位移大小不一。在道路外側，由于道路約束作用，雖然土體水平位移逐漸增大，但其大小明顯減小，其大小甚至可以忽略不計。

對于地表隆起變形，總的來說，隨著樁的沉入，擠土效應愈加明顯，各點隆起變形逐漸增大。其中，樁區內土體隆起變形最大，道路外側土體隆起變形最小，樁區-道路間土體隆起變形居中。樁區內，在沉入第七或第八根樁之前，ZQ1點隆起變形大于ZQ2點隆起變形，之后，ZQ1點受土體遮攔效應的影響，其隆起變形小于ZQ2點隆起變形；由于道路約束的存在，樁區-道路之間土體隆起變形明顯大于道路外側土體隆起變形，但均小于樁區內土體隆起變形。在實際工程中，要密切關注樁區內土體隆起變形，若其變形過大，基樁連同土體上涌，并在樁區內土體水平變形的共同作用下，可能會導致“浮樁”、接頭被拉斷等工程事故。

2.3.2樁區-道路之間土體變形

(1)距樁區8 cm處土體變形

樁區-道路間土體變形受沉樁擠土與道路約束的共同影響，在實際工程中最受關注。為此，這里首先分析了距樁區8 cm處地表土體變形，以反應距樁區較近處土體變形，并與無道路約束相比較，如圖6所示。由圖可見，試驗中由于道路本身不發生變形，擠土效應發生后，與無道路約束相比，道路的存在極大地改變了地表水平位移和隆起變形的變化性狀，即受道路約束后，擠土效應引起的地表土體水平位移變小，而由于擠土體積是相同的，則地表隆起變形表現出增大的趨勢。

圖6　距樁區8 cm處地表土體變形的變化曲線

就樁區-道路間距離的影響而言，其距離越小，道路對其間土體約束越強，沉樁擠土效應的影響則相對偏小，距樁區8cm處土體的水平位移和隆起變形越小；其距離越大，道路的約束能力越弱，距樁區8cm處土體受擠土效應的影響相對越大，其水平位移和隆起變形亦越大。

(2)距道路8 cm處土體變形

與無道路約束相比，距道路較近處地表土體水平位移和隆起變形的變化規律與其相似，即土體水平位移變小，隆起變形增大。但沉樁過程中，距道路較近處土體變形可以間接反應沉樁施工對道路的影響程度，這里分析了距道路8 cm處地表土體水平位移和隆起變形的變化情況，以反應距道路較近處土體變形，如圖7所示。可以看出，對于距道路8 cm處土體變形，沉樁擠土效應發生后，土體受到擠壓，樁區-道路間距離越近，其實質是該處距樁區越近，則該處土體受到的側向擠壓力越大，故該處地表土體水平位移和隆起變形越大。說明對于距道路較近區域，沉樁施工時道路對該區域土體的約束能力主要取決于樁區-道路間距離，樁區-道路間距離越遠，距道路較近處土體變形受道路約束影響越明顯，樁區-道路間距離越近，距道路較近處土體變形更多地受到沉樁擠土效應的影響，相比較而言受道路約束影響偏小。

圖7　距道路8 cm處地表土體變形的變化曲線

2.3.3道路兩側土體最大變形

以道路模型為縱軸，道路兩側地表土體最大水平位移和隆起變形如圖8所示。在道路模型左側，即樁區-道路間區域，距離道路越近，無論是最大水平位移還是隆起變形均呈現不斷減小的趨勢，樁區-道路間距離由小變大，但曲線斜率變化不甚明顯。在道路模型右側，由于道路約束的影響，與道路左側區域相比，最大水平位移和隆起變形明顯減小，且變化不大。同時，隨著樁區-道路間距離的減小，沉樁擠土效應的影響愈加明顯，道路兩側的水平位移和隆起變形差值有變大的趨勢。這可能會引起道路開裂變形，必須加強道路兩側的變形監測，特別是樁區-道路間區域，防止對道路及其兩側的市政設施(如地下管線)造成不利的影響，甚至破壞。

圖8　道路兩側土體最大變形曲線

3工程實例

3.1工程概況

某小區住宅樓采用先張法預應力混凝土管樁，樁長21.3 m，樁直徑500 mm，共495根，采取靜壓沉樁施工。施工場地西側12 m處為東關路，北側15 m左右處為某公司大樓。施工時從靠近住宅樓處開始壓樁，同時在東關路兩側地表面和公司大樓前停車地坪上布設變形觀測點。沉樁施工前，該區域地表平整，無明顯隆起現象。

3.2測試結果

沉樁過程中，測試了東關路與沉樁區域之間距樁區4 m和8 m處測點的土體變形，兩測點大致位于樁區東西向中軸線上，測試結果如圖9所示。同時，觀測發現，沉入350余根樁時，北側公司大樓前停車地坪開始出現拱起開裂的現象，這在一定程度上體現了公司大樓約束對沉樁擠土效應的影響。

圖9　沉樁過程中土體變形曲線

沉樁結束時，測量了西側東關路兩側土體水平位移和隆起變形，其中，東關路西側土體基本沒有水平位移和隆起變形，這與模型試驗結果不完全一致，這主要是因為模型試驗中道路模型底部亦為軟土，而實際上道路是由面層、基層、底基層等組成的，其約束深度較深，基本限制了土體變形向道路另一側發展，故在工程實測中東關路西側土體未有變形。沉樁結束時沉樁區域與西關路之間土體變形如表3所示。將表3與圖8比較可見，該工程沉樁施工順序雖與模型試驗不同，實測值與模型試驗值也相差較大，但都是由于擠土效應使得樁區-道路間土體變形呈現相同的變化趨勢，即距離樁區越遠，水平位移和隆起變形越小。

表3　沉樁結束時樁區-道路間土體變形　mm

4結語

本文分析了靜壓沉樁的擠土機理，采用室內模型試驗，研究了道路約束條件下靜壓群樁沉樁擠土效應引起的地表土體變形，包括水平位移和隆起變形，詳細分析了樁區-道路間土體變形的變化規律以及道路兩側土體最大變形，并與工程實測結果進行了比較分析，研究結果表明：

(1)靜壓沉樁過程中，樁區內地表土體水平位移先增大后減小，而隆起變形則是不斷增大的；樁區外各點水平位移和隆起變形則是逐漸增大的，而道路外側土體水平位移和隆起變形總體均較小，可忽略不計。

(2)受道路約束影響，距樁區較近處地表土體水平位移變小，隆起變形增大，且樁區-道路間距離越小，該處土體水平位移和隆起變形越小，反之亦然；對于距道路較近處，樁區-道路間距離越近，該處地表土體水平位移和隆起變形越大。

(3)距道路越近，即距樁區越遠，樁區-道路間地表土體最大水平位移和隆起變形均不斷減小，且樁區-道路間距離變化時，其曲線斜率變化不甚明顯。在道路另一側，地表土體最大水平位移和隆起變形明顯減小，且變化不大。樁區-道路間距離減小，道路兩側土體最大水平位移和隆起變形差值可能會變大。

(4)工程實測驗證了道路約束對沉樁擠土效應的影響是存在的。與室內試驗結果相比，樁區-道路間土體變形的變化趨勢是相同的，而道路另一側土體基本未有變形，這與室內試驗結果略不顯吻合，主要是實際道路約束深度較深，基本限制了地表土體變形向道路另一側發展。

道路約束條件下靜壓沉樁是靜壓樁擠壓土體和道路約束共同作用的動態變化過程，道路約束作用于土體所形成的應力場、位移場以及其對土體變形的約束作用是不可忽略的。本文主要通過室內模型試驗加以研究，今后應進一步收集現場觀測數據，進行理論研究和數值模擬，建立更符合實際的靜壓群樁擠土效應的力學模型。

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Squeezing Effects of Jacked Group Piles by Road Constraint

LIFu-rong,SUNHou-chao

(Civil Engineering Department, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China)

Abstract:Based on the analysis of squeezing effects mechanism of jacked piles, this paper used laboratory model test, researched the surface soil deformation caused by the squeezing effect of jacked group piles by road constraint, including horizontal displacement and upheaval deformation, and compared with the engineering test. The results show that, only the surface soil horizontal displacement of pile area increases at first then decreases, the other soil deformation are increasing on the process of pile driving, but the soil outside the road has the small deformation, that it can be neglected. The surface soil horizontal displacement becomes decreases and upheaval deformation increases away from the pile area affected by the road constraint, and the smaller the distance between the pile area and road, the smaller the deformation, but the bigger the soil deformation away from the road. The closer to the road, the surface soil deformation is smaller between the pile area and road. The surface soil maximum deformation is significantly reduced on the other side of the road. The engineering test shows that, compared with the laboratory test results, the soil deformation showed the same variation between the pile area and road, but the soil has not deformed on the other side of road because of the actual road constraint. Therefore, the surrounding road, building and other constraints must be considered at the time of jacked pile construction.

Key words：road constraint; jacked group piles; squeezing effect; model test; engineering test

中圖分類號：TU473.1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)02-0011-07

基金項目：國家自然科學基金(51378257)；住房和城鄉建設部科技項目(2013-K3-18)

作者簡介：李富榮(1982-)，男，江蘇鹽城人，副教授，博士研究生，研究方向為樁基工程(Email:lifurong_yc@163.com)

收稿日期：2015-09-18修回日期： 2015-12-03