淤泥場地樁基擠土效應研究

劉 賽

（沈陽帝鉑建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

淤泥質土廣泛分布于江河湖泊及沿海地區，該類型土質具有含水量高、極易壓縮、低抗剪強度和低荷載承載能力等特點[1-2]。承受壓力時，淤泥質土結構會被損壞，機械性能會顯著降低。淤泥質土用作建筑地基，非常脆弱和不穩定，會對建筑的穩定性產生不利影響，淤泥質土地基很難滿足設計要求。因此需要在淤泥地基中設置樁基礎，以增加淤泥質土場地的強度。樁基結構能充分發揮地下土質與樁體之間的摩擦阻力，同時樁體可采用預制的方式，不用現場施工，具有造價合理、施工影響范圍小、施工方便等優點[3-4]。樁基礎在樁長、樁徑和預留層的選擇上有很大的自由度，施工噪音低，振動小，可采用非破裂密集樁。但樁基成孔技術難度高，具有環境污染大、底板承載力差、基礎施工成本高、樁基質量難以保證、孔工作面沉降難以控制、施工時間長等特點，這些因素對單樁承載力影響較大，必須采取有效措施保證樁身質量，并控制樁體對土體的擠土效應影響[5]。

管樁基礎廣泛應用于工業和民用建筑、港口和碼頭，近年來在軟土地基中得到了廣泛應用。沿海地區地質條件復雜，地基位于深厚的淤泥層中[6-7]，常常需要分析樁基施工對土體和周圍建筑物的影響，分析中不可忽視樁基作用下的擠土效應和土體結構位移狀況。本文以淤泥質土場地的樁基工程為例，通過現場資料分析，結合數值模擬研究深厚淤泥質土場地樁基施工中土體位移及其擠土效應，為管樁在淤泥質土地區的應用提供參考。

1 工程概況

某建筑工程地下淤泥較深，需要進行大面積樁基施工。為了減少施工過程擠土效應對工程及周邊建筑物的影響，該項目利用數值仿真方法簡要分析淤泥質土場地樁基礎施工的擠土效應。

擬建設施總面積約37萬m2。場地上下兩側土體由人工填土、沉積物、軟土、黏性土等土質組成。地下土層可劃分為8 個土層。勘探隊測得的地下水深度為1.29～3.21m，含水層高度為3.01～3.50m，初始水位通常略低于穩定水位。場地頂部有一層很厚的濱海軟黏土，具有含水量高、極易壓縮變形、抗壓承載力低和高靈敏度的特點。這是一種特殊屬性的淤泥質土層，且厚度接近30m，需要進行沉樁處理。

2 樁基礎擠土效應數值模型

由于室內試驗中難以準確測量樁入土引起的土體位移，為研究不同方向土體擠壓變形的機理，采用淤泥質土的力學參數進行定量模擬分析。在此基礎上，得出樁基施工過程中周圍土體位移的規律，以及樁徑對土體位移的影響[8]。

模型中的土壤模型采用修正后的劍橋模型，土體計算參數如表1 所示[9-10]。用ABAQUS 模擬樁的沉降過程時，可采用位移法和荷載法，其中位移法可通過樁頂荷載更容易實現樁的荷載加卸過程。因此本次模擬過程中，采用位移法來實現模擬樁浸入淤泥土質的過程。

表1 土體計算參數

由于樁的變形和應力是相關的，因此建立了以對稱軸為中心的二維軸對稱模型來模擬樁體內部。樁徑0.025m，樁長0.5m，水平長度0.5m，垂直長度0.8m。為了便于樁頭沉入地下，應對樁頭形狀進行適當處理，樁頭應呈三角形。由于樁的剛度明顯高于軟土，其自身變形可忽略不計，因此將樁體視為剛性體。

劃分網格模型時，采用方形網格，使仿真結果更加準確。為了考慮孔隙水壓力的輸出，模型中采用了土的cax4p模型和樁的rax2模型，網格尺寸橫向為0.040 m，縱向高度為0.050 m。沉樁過程中，在恒定樁壓下，模擬分析樁周變形以及樁與地面之間的摩擦和滑動。計算方法是在接觸點的對側劃分樁土，此外，接觸問題由彈簧單元控制。為了考慮樁基施工引起的擠壓過程，必須確定土體位移的兩個階段。模型中分析土體類型的第一步是樁基礎沉入過程，持續200s。第一步增量為1s，最大為5s，最小為10-5s。土體位移分析的第二階段是樁施工期間孔隙水壓力的消散研究。分析周期為一個月，第一步增量為40s，最大增量為40000s，最小增量為40s。

由于樁管基礎的存在，樁基礎右側水平方向位移固定，即保證樁基垂直下降。左側無需確定邊界條件。樁頂荷載疊加0.5m位移，模擬樁頂沉降過程。圖1顯示了計算最終狀態后的孔隙水壓力圖。

圖1 淤泥質土場地孔隙水壓力圖

3 數值模擬結果分析

3.1 土體位移隨時間變化

沉樁過程中，當樁體移動到相應的土體位置時，土體中會形成超孔隙水壓力。圖2顯示了距離樁中心r=0.10m處，沉管樁接觸土體的位移曲線。根據圖中固結前后的數值繪制水平和垂直位移曲線，可以看出樁端附近土壤的水平位移小于固化土壤的水平位移，且大于遠距離土體的水平位移，固結前的垂直移動超過固結后的垂直變化位移。

圖2 不同位置擠土位移變化

沉樁完成后，利用起點和四個垂直節點對孔內水壓數據進行分析。可以看出，30000s后，超孔隙水壓力幾乎全部消失，模型中的最大超孔隙水壓力為1.9kPa。

3.2 土體位移隨沉樁深度變化

為了分析不同深埋樁對樁徑向一定距離處土壓力位移的影響，分析了H=0.1m、0.2m、0.3m、0.4m和0.5m深度處的土壓力位移，研究結果表明：（1）水平位移隨樁深的增加而增大。將樁深以下的水平位移設置為0；由于淤泥質土質量輕且變形能力強，淤泥質土體的黏結抵消了部分土體變形的影響，而地表土質的水平位移呈現一種“受拉”的現象。

（2）隨著樁端深度的減小，淤泥土體最大水平位移出現在樁端以及樁端附近，使樁端壓力深度略有減緩。例如在y=-0.44m處，土體水平位移為0.08m，而y=0.5m，水平位移達到3.2 mm。

（3）豎向位移也隨樁基豎向深度的增加而增大，外表面土質的位移為0。

（4）淤泥質土的垂直方向不受限制，樁附近土體受擠壓時的垂直向上位移代表“升力”。隨著垂直距離的增加，由于上部土體沉降量大和下部樁的“阻力”，土體的垂直位移從“上升”逐漸變為“下降”。

3.3 不同距離土體位移變化

為了研究一定深度樁基礎的淤泥土體水平位移和垂直位移分布，分析了樁后徑向間距r=0、0.04、0.08、0.12、0.16和0.20m的土體水平位移和垂直位移。可以看出，受影響土體的水平和垂直位移隨徑向距離的增加而減少。r=0.2m處土體水平位移影響不大，最大約1mm；最大垂直位移約為2.0mm，相對樁徑2.5cm可忽略不計。沉管樁的影響范圍約為樁徑的8倍。

3.4 樁基深度對土體位移的影響

為了分析樁基礎不同深度處土體表面的水平位移和垂直位移的變化，選擇樁深h=0.05、0.075、0.1、0.2、0.375和0.5m來分析淤泥土體的水平位移和垂直位移。研究結果表明：不同樁深對淤泥土體水平位移和垂直位移的影響大致相同。土體位移隨徑向距離的增大而減小。當距離樁中心較遠時，r=0.1m處沉樁的水平位移約為樁深的2倍，垂直位移為樁深度的4倍；沉樁0.2m深度的垂直位移約為樁基深度的2倍，垂直位移約為樁深度的3倍。如果樁深超過0.2m，受影響土體的水平和垂直位移將增加緩慢，直到保持不變。

3.5 樁徑對土體位移的影響

圖3為不同樁徑對淤泥土質位移的影響曲線。分析直徑分別為0.03m、0.04m、0.05m和0.06m的樁作用下的土體位移，研究了不同樁徑對r=0.8m位置處土體位移的影響。結果表明：樁徑越大，水平位移和垂直位移越大。當樁徑為0.03m、0.04m、0.05m和0.06m時，最大水平位移分別為1.4mm、2.5mm、3.5mm和4.8mm；最大土體表面水平位移分別為0.2mm、0.8mm、1.7mm和2.8 mm；最大垂直位移為-0.1mm、-0.42mm、-1.02mm、-2.5 mm。樁徑為0.05m的土體最大水平位移僅為樁徑為0.06m的土體水平位移的1/2左右。

圖3 樁徑對土體水平位移影響

3.6 不同摩擦系數對土體位移的影響

考慮樁與淤泥土體的相互作用，可以更準確地模擬實際樁壓力。淤泥土質的不同導致土體與樁體的摩擦系數不同，進而影響土體的位移。分別采用摩擦系數f=0、0.05、0.1 和0.15，用以分析摩擦系數對土體位移的影響。

研究結果表明：摩擦系數越大，地表水平位移和垂直位移越小，不同深度土體水平位移和垂直位移越大。這是因為樁-土相互作用界面的摩擦力對地面產生影響，從而減少地面的水平和垂直位移，增加深層土層的水平和垂直位移。例如：如果f=0，則土體表面的水平位移為5.5mm，不同深度土體最大水平位移為6.4mm，土體表面的垂直位移為3.5mm，不同深度土體最大垂直位移為4.0mm；如果f=0.15，則地表水平位移為3.4mm，地表以下土體最大水平位移為7.8mm，地表最大垂直位移為2.0mm，不同深度土體最大垂直位移為2.5mm。

4 沉樁擠土問題與控制措施

4.1 沉樁過程擠土效應的不利影響

樁基施工中，土體開挖效應和群樁累積施工效應會增大土體擠壓效應，威脅到工程質量和相鄰建筑物。沉樁過程的不利影響主要包括以下幾個方面：

（1）樁的傾斜或懸浮。樁基施工過程中，打樁機很難將樁準確垂直打入地面。由于樁荷載不均勻，容易傾斜甚至折斷。如果樁施工期間樁間距很小，則后續預埋樁將在樁完工前被擠壓收縮。在這種情況下，后續樁基礎垂直移動到上一列將導致樁懸浮。

（2）土體嚴重變形。如果在大型實心樁施工過程中出現施工誤差，樁會移動擠壓相應的土體，多樁疊加會導致土體嚴重變形。在這種情況下，土體的位移和應力將影響樁頂的穩定性和工程質量。

（3）影響周圍設施。沉樁過程會引起土壓力和土體位移，尤其是在軟土地區進行大規模樁基礎工程施工時。同時，如果在基坑開挖過程中樁被抬高或沉降，將不可避免地影響周圍設施。

4.2 控制措施

4.2.1 設計控制

（1）增加群樁之間的距離。立樁時，第一批樁不得在打入后形成塑性區。因此，建議在保證建筑物穩定性的前提下，盡量選擇合適的樁間距，樁間距建議為樁直徑的8倍。

（2）安裝導向孔。樁基施工中的土體破壞效應是由相應土體的位移引起的。因此，減少樁擠壓土體的體積可以減少沉管樁的影響。建議在打樁前，在打樁現場挖一個合適的打樁孔。然而，在開挖過程中，必須確保打樁兩側有足夠的摩擦阻力，以確保工程質量。

（3）設置抗沖擊溝槽。打樁前，可在現場周圍挖一條抗沖擊溝槽，主要功能為：排水、抗擠壓和減震，以減少打樁引起的表面位移。

（4）設置應力釋放孔。在開挖抗沖擊溝槽并將樁浸入淤泥土體之前，必須設置應力釋放孔，以改善土體塑性區體積，減少和加速多余孔隙壓力的釋放，減少土體位移。為防止鉆孔坍塌，樁基施工前可將竹籠放入鉆孔內。

4.2.2 施工控制

（1）合理安排打樁順序。合理的打樁順序可以減少打樁造成的擠土效應。擠土效應的影響與樁的沉降方向基本一致。位于建筑物附近的樁基可以使用位于建筑物另一側的樁基作為屏障。當進入空白區域時，“長線”樁可有效減少地表位移。

（2）檢查每日打樁數量。相鄰建筑物位置，應盡快檢查每天的最大樁數，然后在合適階段進行監測。

（3）設置檢測點。開展動態信息化施工，設置沉降位移點，加強觀測，及時準確提供觀測信息，指導施工。

5 結束語

淤泥場地是我國常見的一種特殊地基。淤泥場地承載力差、易變形，非常不利于上部結構施工，需要對淤泥場地進行處理，增加其自身承載能力。在淤泥場地設置樁基礎是一種非常有效的處理措施。為了評估樁基礎對淤泥承載力的影響，需要明確樁基施工對淤泥質土的擠土效應。本文結合工程實例，利用ABAQUS軟件建立了樁基礎擠土效應的數值模型，對現場沉管樁施工過程中的擠土效應進行了數值計算，從土體位移隨時間變化、土體位移隨沉樁深度變化、不同距離土體位移變化、樁基深度對土體位移的影響、樁徑對土體位移的影響和不同摩擦系數對土體位移的影響六個方面對模擬計算的結果進行了詳細分析，最后闡述了沉樁擠土過程中產生的常見問題，并提出了減小擠土效應的控制措施。