大直徑鋼管樁打樁過程中樁周土強(qiáng)度弱化分析

羅澤林

（浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 超大新型鋼材頻繁用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。 鋼管樁作為常見的工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，越來越受到行業(yè)人士關(guān)注。 在打樁施工過程中，為確保施工質(zhì)量、安全與進(jìn)度符合標(biāo)準(zhǔn)，需要對樁周土體強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)強(qiáng)度弱化規(guī)律，采取可靠的預(yù)防措施，提升項(xiàng)目整體施工效果。 鑒于此，本文重點(diǎn)分析土體強(qiáng)度弱化原因，對弱化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并采取必要預(yù)防措施，進(jìn)而降低樁基坑施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 項(xiàng)目概況

某火力發(fā)電廠的主體建筑為鋼結(jié)構(gòu)， 地下既有管線數(shù)量較多，施工難度較大。 項(xiàng)目方計(jì)劃使用φ900 mm 鋼管樁進(jìn)行施工，鋼管樁長度分別為75 m 和40 m，樁中心最小距離為1.5 m，最大距離為5 m，承載力約3 200 kN[1]。 現(xiàn)場土質(zhì)以砂土、黏土為主，打樁期間會(huì)給土體帶來擾動(dòng)，影響施工質(zhì)量。 為保證項(xiàng)目順利竣工，施工方?jīng)Q定先對現(xiàn)場進(jìn)行勘測，打樁的同時(shí)監(jiān)測土體情況，獲悉樁周土體強(qiáng)度變化情況，在此基礎(chǔ)上確定切實(shí)可行的打樁方案，以確保施工質(zhì)量與效率達(dá)到預(yù)期。

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.1 測試方案

現(xiàn)場共布設(shè)3 組傳感器，每組包括4 只，共12 只。 具體測試方案如下：第一步，確定測點(diǎn)位置并鉆孔；第二步，埋入傳感器，先用完全干燥的黏土球覆蓋傳感器，再進(jìn)行封孔；第三步，將壓力盒與接收儀相連， 實(shí)時(shí)監(jiān)測孔隙水壓力及土體強(qiáng)度變化情況；第四步，依次打樁，根據(jù)傳感器所傳回?cái)?shù)據(jù)繪制相應(yīng)變化曲線，得出最終結(jié)論[2]。

3.2 結(jié)果討論

3.2.1 孔隙水壓力

通過測試發(fā)現(xiàn)，隨著打樁擠壓作用力的增大，樁周土體孔隙水壓力隨之增加。 測試結(jié)論歸納如下。

1）打樁期間，測點(diǎn)孔隙水壓力均有所增加，達(dá)到極值后快速減小。

2）樁端與測點(diǎn)重合時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到極值的70%左右，并在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到極值，隨著時(shí)間的推移，該數(shù)值將有所減小。

3）孔隙水壓力遵循的變化規(guī)律為：在測點(diǎn)附近打樁時(shí)，該數(shù)值達(dá)到極值并快速減小；打樁結(jié)束后，該數(shù)值的衰減幅度為70%～80%。

3.2.2 土體擾動(dòng)情況

1）水裂作用

土體應(yīng)力隨著孔隙水壓力的增大而降低，與此同時(shí)，土體將出現(xiàn)裂縫。 結(jié)合小孔擴(kuò)張?jiān)砜芍诖驑镀陂g，相關(guān)應(yīng)力均可反映總應(yīng)力變化，孔隙水壓力計(jì)算公式如下：

式中，P為孔隙水壓力，Pa；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為孔隙水的厚度，m；Sr為土體實(shí)際飽和度。

2）排土情況

鋼管樁存在土塞效應(yīng)，實(shí)測結(jié)果表明，空心段附近僅有部分土體能進(jìn)入鋼管樁并起到加大土塞密度的作用， 剩余土體均被擠壓至樁周。 分析可知，不同樁空心長度往往有所不同，入土比與入土長度的關(guān)系為正相關(guān)， 排土比與入土關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。 需注意，隨著入土深度的加深，鋼管樁所形成的擠土效應(yīng)將有所減弱，但仍需對其引起重視。

4 樁周土強(qiáng)度弱化研究

4.1 弱化原因

試驗(yàn)結(jié)束后，便可對樁周土體強(qiáng)度、打樁施工之間的關(guān)系進(jìn)行分析。 研究表明，打樁期間，土體強(qiáng)度持續(xù)弱化的原因主要包括：土體存在超孔隙水壓；土體結(jié)構(gòu)被破壞。 其中，超孔隙水壓產(chǎn)生的影響可用式（2）進(jìn)行解釋：

式中，σ為土體某平面所承受總應(yīng)力值，kPa，通常包括孔隙水壓力、有效應(yīng)力兩部分；u0為孔隙水壓力初始值（即靜水壓力），kPa；σ＇為有效應(yīng)力，kPa。 打樁期間，地基土所承受應(yīng)力如下：

式中，σ1為地基土應(yīng)力，kPa；Δu為超孔隙水壓，kPa。 分析可知，地基土強(qiáng)度、變形程度極易被有效應(yīng)力影響，一旦土體形成超孔隙水壓，該區(qū)域有效壓力將快速減小，且土體強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的弱化趨勢。 現(xiàn)階段，研究人員更傾向于在空穴擴(kuò)張理論指導(dǎo)下，對土體孔隙水壓力、樁周應(yīng)力變化趨勢進(jìn)行研究，具體方法如下：打樁期間，可將樁周土體劃分成4 個(gè)部分，最靠近樁身的區(qū)域?yàn)棰賲^(qū)，遠(yuǎn)離樁身的區(qū)域?yàn)棰軈^(qū)（見圖1）。

圖1 沉樁影響范圍

①區(qū)所承受擠壓作用力最大， 通常能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生超孔隙壓，與此同時(shí)，該區(qū)域骨架也將在擠壓作用力的影響下而變形，使土體結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞；

②區(qū)所覆蓋范圍相對較廣， 沉樁擠壓對該區(qū)域造成的影響十分嚴(yán)重，待沉樁擠壓所產(chǎn)生作用力達(dá)到一定值時(shí)，該區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)土體位移、塑性變形情況，同時(shí)形成超孔隙水壓；

③區(qū)所受到影響相對較小， 考慮到土體壓縮變形存在一定彈性，因此，除特殊情況外，均無須單獨(dú)分析該區(qū)域超孔隙水壓；

④區(qū)不會(huì)被沉樁所影響。

上述各部分中，①區(qū)將隨樁身移動(dòng)而移動(dòng)，①區(qū)、②區(qū)之間所形成分界面的面積通常較樁周側(cè)面積略大， 其摩阻力則由②區(qū)抗剪強(qiáng)度決定[3]。

4.2 分析過程

分析打樁過程時(shí)， 應(yīng)采取常系數(shù)法對土地強(qiáng)度弱化進(jìn)行模擬，通過折減土體靜態(tài)阻力的方式對動(dòng)態(tài)阻力加以確定，二者關(guān)系如下：

式中，SRD 為土體動(dòng)態(tài)阻力，kPa；β為折減因子；LSTR 為靜態(tài)阻力，kPa。 若模擬對象為單一土層，則β取值為1/fs（fs為恢復(fù)系數(shù)）；若模擬對象為多個(gè)土層，則需對β的取值進(jìn)行分層計(jì)算。 對折減因子進(jìn)行計(jì)算前，先根據(jù)恢復(fù)系數(shù)確定相對敏感系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，fs*為相對敏感系數(shù)；fs為恢復(fù)系數(shù)；fsx為靈敏土層對應(yīng)恢復(fù)系數(shù)。 在沉樁狀態(tài)下， 有關(guān)人員可根據(jù)Gain/Loss 系數(shù)及fs*，對折減因子取值加以確定。由此可見，采取該方法對土體強(qiáng)度弱化進(jìn)行模擬，既考慮了土體類型的影響，又通過設(shè)置定值的方式降低計(jì)算難度。

研究表明，土層深度、土體性質(zhì)均影響其強(qiáng)度弱化情況，以往的計(jì)算方法均未對二者進(jìn)行綜合考慮， 導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大出入。 鑒于此， 有關(guān)人員決定引入環(huán)剪試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，保證計(jì)算所獲得數(shù)據(jù)具有實(shí)際意義。

環(huán)剪試驗(yàn)期間， 土體所承受正應(yīng)力與打樁所產(chǎn)生側(cè)向壓力相等，由此可推導(dǎo)出以下公式：

式中，β砂土為砂土強(qiáng)度對應(yīng)折減因子；K為土體靜止壓力；σ2為上覆土所施加的壓力；β黏土為黏土強(qiáng)度對應(yīng)折減因子。 對其他類型土層實(shí)際折減因子進(jìn)行計(jì)算的公式如下：

式中，βs為土層折減因子；βs1為深度相同條件下， 黏土對應(yīng)折減因子。

4.3 規(guī)律

環(huán)剪試驗(yàn)峰值、殘余強(qiáng)度之比與土體強(qiáng)度弱化密切相關(guān)。其中，土地強(qiáng)度對應(yīng)弱化程度與殘余比的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。 以砂土、黏土為例，二者殘余比均受正應(yīng)力影響，且存在線性相關(guān)的關(guān)系，在正應(yīng)力大小相同的情況下，黏土殘余比小于砂土殘余比，這表示黏土強(qiáng)度對應(yīng)弱化程度大于砂土。 對飽和黏土而言， 打樁過程可被視為擠壓但不排水的過程。 在不排水狀態(tài)下，土體所能壓縮的程度相對有限，因此，隨著打樁力度的增加，鋼管樁將擠壓附近土體，導(dǎo)致土體位移、土層結(jié)構(gòu)被破壞，壓力隨之加大[4]。 結(jié)合有效壓力原理可知，擠壓應(yīng)力通常會(huì)給孔隙水壓力、群樁產(chǎn)生影響，由此可見，要使擠壓應(yīng)力得到有效控制，關(guān)鍵是要根據(jù)現(xiàn)場情況，對鋼管樁密度、布局、打樁方法和沉樁速度加以調(diào)整。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知， 在不改變正應(yīng)力大小的前提下，土體殘余比將隨著剪切速率的增大而減小。 該情況出現(xiàn)的原因如下。

1）剪切速率可給剪切帶附近孔隙水造成影響，進(jìn)而使土體抗剪強(qiáng)度受到影響， 剪切面擾動(dòng)程度將隨著剪切速率的增大而加劇，通常在短時(shí)間內(nèi)形成局部剪切帶，阻斷孔隙水排出的途徑，超孔隙水壓出現(xiàn)后，剪切帶應(yīng)力快速減小。 與此同時(shí)，剪切帶附近水體具有潤滑效果， 將減弱土體顆粒之間的摩擦力及其他作用力，進(jìn)而降低土體強(qiáng)度，影響土體殘余比。

2）剪切速率影響土體顆粒的排列，隨著剪切速率的加大，土體顆粒之間的接觸面積不斷減小， 土體顆粒沿剪切方向重排，由此帶來連鎖反應(yīng)：（1）骨架孔隙內(nèi)部填充細(xì)顆粒土數(shù)量減少；（2）土體密實(shí)度降低；（3）顆粒之間摩擦不充分；（4）土體強(qiáng)度持續(xù)降低，殘余比隨之減小。 可見，土體強(qiáng)度對應(yīng)弱化程度隨著剪切速率的加大而加劇。

5 結(jié)語

本研究分析大直徑鋼管樁施工中打樁環(huán)節(jié)給土體強(qiáng)度造成的影響，以項(xiàng)目實(shí)踐為研究出發(fā)點(diǎn)，對打樁周圍土體強(qiáng)度弱化原因進(jìn)行分析可知，土層深度、土體性質(zhì)均對強(qiáng)度弱化產(chǎn)生影響。 通過環(huán)剪試驗(yàn)及壓力測試，對土體強(qiáng)度弱化分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果表明，試驗(yàn)峰值、殘余強(qiáng)度之比與土體強(qiáng)度弱化存在密切關(guān)系，在同等正應(yīng)力條件下，砂土的殘余比明顯高于黏土，隨著剪切速率增加，砂土、黏土的殘余比均降低。 建議有關(guān)人員在大直徑鋼管樁打樁施工中，考慮土層深度、土體性質(zhì)對樁周土體強(qiáng)度造成的影響，確保穩(wěn)定安全施工，進(jìn)而提升項(xiàng)目整體質(zhì)量。