淺析大直徑PC 樁擠土效應及消散措施

安迪AN Di

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100000）

1 工程概述

本工程位于南美哥倫比亞波哥大，屬于市政高架地鐵項目。樁基為PC 樁，管樁型號為直徑1000mm、壁厚140mm，單樁長度在15-48m，C60 混凝土。每個承臺樁數(shù)量在9-16 根，樁中間距為2.5D，地鐵行進路線地下管網(wǎng)密集，且距離樁基0.5-5m 范圍內(nèi)，埋深1-5m。

1.1 地質(zhì)條件

哥倫比亞波哥大海拔2640m，位于安第斯山脈一個富饒高原上，地下沉積物主要為Sabana 構(gòu)造；該地貌特征為地下水位淺，淤泥及泥炭土厚度大（總厚度可達450m），常伴有砂和粘土細夾層。

1.2 水文條件

波哥大地下水含量豐富。通過對高架行進路線地下水監(jiān)測顯示，沿線大部分區(qū)域地下水位距離地面5m，且部分地區(qū)地下水位在10-15m 范圍內(nèi)波動，基于此，PC 樁混凝土增大膠凝材料減緩地下水對混凝土產(chǎn)生的腐蝕性。

2 單樁擠土效應分析

2.1 樁周擠土效應云圖

隨著樁的壓入，樁周土體慢慢隆起，大致呈環(huán)形狀隆起，樁周擠土效應云圖見圖1。

圖1 樁周擠土效應圖

2.2 不同位置的水平位移

距樁徑向不同距離時地表土體的水平位移圖見圖2，從圖2 可看出在距樁徑向1.0m 處地表的土體水平位移約為18mm，在距樁徑向4.0m 處地表的土體水平位移約為8mm。距樁徑向不同距離時地下2m 土體的水平位移圖見圖3，從圖3 在距樁徑向1.0m 地下2m 深度處的土體水平位移約為7.5mm，在距樁徑向4.0m 地下2m 深度處的土體水平位移約為2.5mm。土體的水平位移受壓樁過程的影響。在樁貫入10m 時不同位置的位移均達到最大值，并趨于穩(wěn)定。距樁越遠的位移越小，在10m 后位移可以忽略不計。

圖2 距樁邊徑向不同距離時地表土體的水平位移圖

圖3 距樁邊徑向不同距離時地下2m 土體的水平位移圖

2.3 樁周土體水平位移計算值與實測值對比

建立了試驗樁單樁有限元模型，采用E8（第8 號車站）試樁點位的測斜管實測數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果見圖4 和圖5。由圖4 和圖5 可見本模型能較好地模擬樁周土體變形的規(guī)律。距樁邊3.0m 處計算值與實測值比較接近。

圖4 距樁邊3.0m 處不同深度土體的水平位移圖

圖5 距樁4.2m 處不同深度土體的水平位移圖

3 群樁擠土效應分析

群樁擠土效應采用PLAXIS3D 軟件模擬。通過對E8（車站）試樁測斜管實測數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)對比分析得出群樁擠土效應變化規(guī)律；通過對E9、S1-27、S2-5、S3-17（樁位）試樁結(jié)果對比分析模擬群樁對周邊管線的影響及應力消散措施。

3.1 E8 試樁模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

建立了試驗樁和反力樁有限元模型，采用E8 點位的測斜管實測數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果見圖6 和圖7。

圖6 距樁邊2.3m 處不同深度土體的水平位移圖

圖7 距樁6.3m 處不同深度土體的水平位移圖

由圖6 和圖7 對比分析數(shù)據(jù)可見計算值與實測值比較接近。

3.2 群樁擠周邊管線模擬結(jié)果

群樁及管線相關(guān)參數(shù)見表1。為減輕擠土效應及保護周邊管線，對比了樁頂預鉆孔取土3m、中掘法（中掘直徑0.6m）、應力消散孔（直徑0.5m，間距1m，深度10m）、防擠槽（寬1m，深3m，充砂1.5m）的措施。設(shè)置11 個分析模型，模型土樣參數(shù)保持一致；本次群樁擠土效應模擬中的離樁距離指的是離樁邊距離。

表1 群樁及管線相關(guān)參數(shù)

群樁擠土效應模擬結(jié)果匯總表如表2 所示。

表2 群樁擠土效應模擬結(jié)果匯總表

3.3 樁周土體孔壓消散規(guī)律

為了模擬靜壓樁樁周土體孔壓消散規(guī)律，采用PLAXIS 軟件建立了單樁軸對稱模型。超靜孔壓變化規(guī)律見圖8 和表3。由圖8 可見當靜壓樁施工時弱透水層會產(chǎn)生較大超靜孔壓，但超靜孔壓消散較快，壓樁后第5 天、第15 天時的超靜孔壓只有壓樁時的33.8%和6.5%。實測值超靜孔壓的消散速度快于計算值，這可能是由于土層中存在透水性較強的夾薄層，而地勘報告難以全面劃分這些夾薄層，且計算中未考慮其影響。

表3 超靜孔壓變化規(guī)律

圖8 超靜孔壓變化圖

4 結(jié)語

不同工況下PVC 管道的總位移在26.7～74.2mm 之間。7 樁模型計算得到的PVC 管道位移最大（74.2mm），這主要與該模型無送樁、無中掘、無防擠孔有關(guān)。8 樁模型計算得到的PVC 管道位移最大值為41mm，該模型包含3m預鉆孔和消散孔，可見綜合采用預鉆孔和消散孔可明顯減小PVC 管道的位移。由模型5 和模型6 的計算結(jié)果可見，當其它條件相同時設(shè)置消散孔時的PVC 管道位移比不設(shè)置消散孔的位移明顯減小（從59.3mm 減小至35.5mm）。由模型3 和模型4 的計算結(jié)果可見，當其它條件相同時單獨設(shè)置消散孔的效果比單獨設(shè)置防擠槽的效果好。由模型6至模型8 的計算結(jié)果可見，當其它條件相同時中掘深度分別 為0m、9m、30m 時，PVC 管道位移分別為35.5mm、26.7mm、28.8mm，表明中掘深度超過一定數(shù)值時PVC 管道的位移不再明顯減小。對比模型4 和模型6 以及對比模型9 和模型11 發(fā)現(xiàn)，當其它條件相同時將樁間距由2.5m調(diào)整為2.75m 時，PVC 管道和A 點、B 點的位移相差不大。

PVC 管道的最大拉應力為17.3MPa（《埋地塑料排水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ143-2010）要求PVC 管的抗拉強度設(shè)計值為20.3MPa，抗拉強度標準值為40MPa）。作為對比，當增設(shè)消散孔后，PVC 管道的拉應力均明顯降低。

靜壓樁施工時弱透水層會產(chǎn)生較大超靜孔壓，但超靜孔壓消散較快，壓樁后第5 天、第15 天時的超靜孔壓只有壓樁時的33.8%和6.5%。