沉樁擠土效應(yīng)對(duì)工程環(huán)境的影響及研究綜述

李富榮,王照宇

(鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇鹽城224051)

在我國,隨著城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市化發(fā)展呈現(xiàn)房屋高層化、立體交通化及市政管線密集化等趨勢(shì),且大量的市政設(shè)施埋置在地下,如污水渠道、煤氣和供水供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。與此同時(shí),靜壓樁以其樁身的質(zhì)量易于保證和檢查,價(jià)格相對(duì)較低,以及施工工效高,無泥漿、無噪音污染等優(yōu)勢(shì),成為目前我國工業(yè)與民用建筑中,特別是軟土地基上的建筑廣泛采用的樁型之一。

靜壓樁沉樁過程中,樁周土體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,樁身端部以下土體產(chǎn)生壓縮變形。隨著樁貫入壓力的增大,當(dāng)樁端處土體所受壓力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí),土體發(fā)生急劇變形而破壞,樁側(cè)土體產(chǎn)生塑性流動(dòng)(粘性土)或擠密側(cè)移和拖帶下沉(砂性土),樁端下土體被向下和側(cè)向壓縮擠開。地表處粘性土體向上隆起,地面深處由于上覆土層的壓力,土體主要向樁周擠開,使貼近樁周土體結(jié)構(gòu)完全破壞,周圍土體亦受較大的擾動(dòng)影響,而樁身受到土體強(qiáng)大的法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁端阻力的抵抗。

可見,靜壓樁作為擠土樁,在施工過程中,擠土效應(yīng)的影響范圍和擠土的力是相當(dāng)大的,對(duì)周圍環(huán)境的影響是不可忽視的,特別是在飽和軟土地區(qū),對(duì)基礎(chǔ)埋深淺,結(jié)構(gòu)較差的建筑物和對(duì)變形敏感的地下管線,如地鐵、隧道、煤氣管道、自來水管道等危害更大,經(jīng)常發(fā)生房屋開裂煤氣泄漏等事故。如南京金陵飯店(37層),當(dāng)中央塔樓下64根樁沉樁施工完成后,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地兩側(cè)隆起44 cm,樁上浮2 cm,最大上浮為7.3 cm,樁頂水平位移26.5 cm。南京長江大廈采用擠土樁基礎(chǔ),施工中就發(fā)現(xiàn)將其西側(cè)人行道擠抬起,圍墻擠傾斜。

由于沉樁擠土效應(yīng)對(duì)周圍工程環(huán)境的顯著影響。國內(nèi)外學(xué)者從單樁擠土效應(yīng)到群樁擠土效應(yīng),從理論研究到試驗(yàn)研究,從擠土效應(yīng)本身到擠土效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的影響等多方面對(duì)沉樁擠土效應(yīng)問題開展了大量研究工作。

1 沉樁擠土效應(yīng)對(duì)工程環(huán)境的影響

沉樁時(shí)產(chǎn)生的擠土效應(yīng)以及對(duì)周圍環(huán)境的影響是多方面的,對(duì)于軟土地基,主要有以下幾點(diǎn):

(1)沉樁導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生變形,包括水平位移和垂直隆起。沉樁時(shí),由于樁要置換相同體積的土,對(duì)周圍土體產(chǎn)生側(cè)向擠壓,引起土體水平位移,過量的土體水平位移作用在先前打入的樁上,會(huì)造成樁位的偏移、樁身的翹曲,嚴(yán)重時(shí)甚至造成樁的折斷。同時(shí),還會(huì)在一定范圍內(nèi)造成地面的垂直隆起和抬高,在沉樁范圍內(nèi)有可能造成已沉入樁的上浮。

(2)靜壓樁擠土效應(yīng)引發(fā)的環(huán)境問題。土體的水平位移和垂直隆起會(huì)對(duì)沉樁范圍外一定距離內(nèi)的建(構(gòu))筑物造成損壞,如造成鄰近建筑物、構(gòu)筑物、道路、擋土結(jié)構(gòu)以及地下設(shè)施和管線的一定程度破損等。常常表現(xiàn)為:地坪開裂、已打入樁的樁頂偏位、道路開裂、鄰近建筑物上抬、門窗開啟困難、工業(yè)廠房行車?yán)щy、地下管線變位和開裂等。

(3)沉樁過程中,特別是在飽和軟粘土中沉樁,會(huì)產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力。當(dāng)超孔隙水壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),環(huán)向的有效應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,也即拉應(yīng)力,而切向有效應(yīng)力也可能出現(xiàn)負(fù)值,影響樁基的承載力;過高的超孔隙水壓力也妨礙施工的速度,甚至威脅鄰近建筑物和構(gòu)筑物的安全;當(dāng)土中某一方向上有效應(yīng)力為零時(shí),則與之垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)裂縫,也即“水裂”現(xiàn)象。

(4)沉樁時(shí)土體的原始結(jié)構(gòu)被破壞。樁對(duì)土體的擾動(dòng),使樁身周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,尤其對(duì)于具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性軟粘土,樁周土體實(shí)際上是一個(gè)被撕裂、破壞、擾動(dòng)和重塑的過程,土體工程性質(zhì)較沉樁前有較大的改變。

2 理論研究

用理論來研究沉樁引起的樁周土體的應(yīng)力狀態(tài)變化、孔壓的產(chǎn)生和消散、樁周土體的強(qiáng)度變化、樁的極限承載力的變化以及沉樁擠土效應(yīng)等現(xiàn)象由來己久,從20世紀(jì)70年代起,國內(nèi)外在這方面做了不少工作。歸納起來,主要有以下三種方法:圓(球)孔擴(kuò)張法、有限單元法、應(yīng)變路徑法。

2.1 圓孔擴(kuò)張法

前人通過對(duì)模型樁和真實(shí)樁沉樁過程的觀察,發(fā)現(xiàn)在沉樁過程中,樁尖處土的變形類似一球形孔擴(kuò)張引起的變形。而在除樁尖和地面附近外的絕大部分樁身周圍,土的變形類似一個(gè)圓柱形孔擴(kuò)張引起的變形。

圓孔擴(kuò)張理論于1945年被首先提出[1],用于研究金屬壓痕問題。隨后開始用這種理論解決巖土力學(xué)問題,如用于解釋旁壓試驗(yàn)機(jī)理,并得到了很大的發(fā)展。

20世紀(jì)70年代以來,圓孔擴(kuò)張理論成為求解沉樁對(duì)周圍土體影響應(yīng)用最廣泛的一種方法[2-5]。近20 a來,國內(nèi)不少學(xué)者利用圓孔擴(kuò)張理論對(duì)沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行研究,也取得了不少成果[6-10]。

圓孔擴(kuò)張法可以考慮樁體擴(kuò)張對(duì)土體的影響,形式較為簡(jiǎn)單,可以較好地給出軸對(duì)稱或球?qū)ΨQ情況下的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和孔隙水壓力,并得到了廣泛的應(yīng)用,具體來說有以下三大優(yōu)點(diǎn):①將樁模擬為一維擴(kuò)張問題,易于求解;②由于求解的簡(jiǎn)單,可以考慮更復(fù)雜的土體模型以及大應(yīng)變等其他方面;③由于圓孔擴(kuò)張理論所用的參數(shù)可為一般標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得到或間接得到,易于在工程中得到應(yīng)用。但它只是平面應(yīng)變的假定,土體的變形僅限于徑向,將一維的圓孔擴(kuò)張解應(yīng)用于樁體貫入這樣一個(gè)三維問題,導(dǎo)致其解只與徑向坐標(biāo)r有關(guān),而與坐標(biāo)深度無關(guān),并忽略孔壁摩擦力的影響,對(duì)于壓樁引起的變形分析不盡合理。

2.2 應(yīng)變路徑法

麻省理工學(xué)院Baligh[11]領(lǐng)導(dǎo)的小組經(jīng)過10 a的研究,提出了應(yīng)變路徑法。這種方法假定,土體中產(chǎn)生的變形不是由應(yīng)力控制,而是由不旋轉(zhuǎn)的無黏性理想流體來決定的,在不考慮土體本構(gòu)關(guān)系的情況下,推廣對(duì)速度積分求得變形,然后由微分求出應(yīng)變,將樁體貫入模擬為單個(gè)邊界以速度v擴(kuò)大的球形孔沿豎向勻速運(yùn)動(dòng),通過對(duì)應(yīng)變路徑的描述,即三個(gè)偏應(yīng)變的分析,從而得出樁體貫入過程中土體位移和應(yīng)變的變化情況,并得到了一些有意義的結(jié)論:①發(fā)現(xiàn)樁周一定范圍內(nèi)土體存在“應(yīng)變反轉(zhuǎn)”和主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,土體有可能由“壓”變?yōu)椤袄?這種現(xiàn)象將對(duì)應(yīng)力和孔壓產(chǎn)生顯著影響;②證實(shí)了沉樁時(shí)土體可分為“塑性區(qū)”和“彈性區(qū)”兩部分;③指出了考慮土體“擾動(dòng)”后性質(zhì)變化的重要性。所以,Baligh等人的研究有其獨(dú)到之處,它可以給出貫入過程中土體應(yīng)力、位移分布的大致情況。但是,Baligh提出的應(yīng)變路徑法也有其缺點(diǎn),它忽略了地表面是自由面的邊界條件,得出所有的土體單元都具有向下的位移,這與沉樁時(shí)地表面會(huì)發(fā)生隆起的實(shí)際情況不符合,因此,這種方法只適合樁端附近的應(yīng)變場(chǎng),而對(duì)于遠(yuǎn)離樁端的應(yīng)變場(chǎng)則很難得到一個(gè)合理的結(jié)果。隨后Baligh(1986)[12-13]在利用應(yīng)變路徑法得出沉樁時(shí)位移及應(yīng)變場(chǎng)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了相應(yīng)的剪應(yīng)力及孔壓規(guī)律。

在沉樁過程中,應(yīng)變路徑法是一種非常有效的方法。Poulos(1994)[14]應(yīng)用該方法分析了單樁沉入過程中樁周土體的水平和垂直位移以及土體位移對(duì)己打入樁的影響。

2.3 有限單元法

由于沉樁問題的復(fù)雜性,求得解析解或近似解往往會(huì)遇到很大困難,這時(shí)數(shù)值方法就成為解決問題的有效工具。在過去20 a、30 a中,有限元法被廣泛應(yīng)用于分析樁的工作機(jī)理。在分析靜力沉樁過程方面的研究集中體現(xiàn)在Chopra[15]和Mabsout[16]的工作上。

有限元分析方法在一定程度上能夠考慮土體的本構(gòu)關(guān)系、大變形和樁土相互作用。但還存在如下的問題:①編制能夠考慮幾何大變形、材料非線性、樁土摩擦的三維的符合實(shí)際情況的程序很難,并且還要考慮壓樁機(jī)的作用和重力初應(yīng)力場(chǎng)等,目前研究人員所用的程序都是在某些方面作了簡(jiǎn)化處理;②貫入過程難于精確模擬,在真實(shí)情形下,樁周圍土體與靜止不動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不同的豎向和側(cè)向應(yīng)力,并且隨貫入的進(jìn)行,土體應(yīng)力亦發(fā)生變化。目前的有限元還難于模擬;③有限元計(jì)算精度嚴(yán)重依賴于本構(gòu)模型的選用和參數(shù)的確定,在現(xiàn)有土工試驗(yàn)水平的基礎(chǔ)下,常規(guī)的原狀土的三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系尚不普遍,更不要說模擬受擠壓后土體的本構(gòu)關(guān)系了;④邊界條件的模擬:理想條件下地表面下無窮遠(yuǎn)處土體豎向位移和距樁邊水平無窮遠(yuǎn)處土體水平位移為零,但有限元分析中必須指定有限遠(yuǎn)處的土體位移為零,由此必然產(chǎn)生誤差;⑤群樁的擠土效應(yīng)分析目前難以模擬;⑥土體裂縫問題:實(shí)際壓樁過程中,在地表面和土體中都有裂縫產(chǎn)生,目前的有限元方法還無法有效模擬;⑦計(jì)算機(jī)耗時(shí)問題:雖然計(jì)算機(jī)的性能得到了大幅度提高,但沉樁涉及幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等復(fù)雜問題,如采用不適當(dāng)?shù)姆治龇椒〞?huì)耗時(shí)過多,從而不能很有效地分析和解決問題。

可見,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在沉樁擠土效應(yīng)方面取得了豐碩的研究成果,但理論研究仍存在一些難度或問題,要更好地解決沉樁擠土效應(yīng)問題,應(yīng)將理論研究與試驗(yàn)研究相結(jié)合,大型模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究成果更具指導(dǎo)意義,從而推動(dòng)沉樁擠土效應(yīng)理論的發(fā)展。

3 試驗(yàn)研究

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1.1 對(duì)土體的剪切強(qiáng)度的影響

實(shí)測(cè)結(jié)果表明,沉樁的初始階段黏土的不排水剪切強(qiáng)度減小很多,隨后會(huì)隨時(shí)間增長而顯著恢復(fù)。沉樁瞬時(shí)樁周土在含水率為常量的條件下重塑,土體的原狀結(jié)構(gòu)受到破壞,不排水抗剪強(qiáng)度大幅度下降,隨后由于土體的觸變性和超靜孔壓的消散,抗剪強(qiáng)度逐漸恢復(fù)[17-18]。

3.1.2 沉樁時(shí)引起的樁周土體超靜孔隙水壓力

沉樁時(shí)樁周土體會(huì)產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力,一般情況下,樁周附近土體的超靜孔壓最大,隨著離樁表面距離的增加,超靜孔壓急劇降低且消散也比較迅速。超靜孔隙水壓力值有時(shí)會(huì)達(dá)到一個(gè)很大的值,甚至大于土體的附加有效應(yīng)力[19]。

3.1.3 沉樁過程中產(chǎn)生的土體位移

一些學(xué)者直接用樁周土體的隆起量占樁壓入土體的總體積的百分比來衡量樁擠土性的大小。即,平均隆起量=α×樁的體積/樁基礎(chǔ)所占的面積。式中,α為排土量占整個(gè)樁體積的百分比。Avery&Wilson測(cè)得 α為60%;orrje&Broms[20]發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土預(yù)制樁在靈敏的軟粘土中 α僅為 30%,Adams&Hanna[21]發(fā)現(xiàn)H形鋼樁壓入較硬的土體中時(shí),α為100%;Hagerty&Peck[22]發(fā)現(xiàn)非靈敏粘土中α為50%左右,并基于樁身受力平衡對(duì)鄰樁上浮量作了估計(jì)。土體隆起量測(cè)量結(jié)果差異既與土體的特性有關(guān),也與測(cè)量技術(shù)差等因素有關(guān)。

Randolph等[23]和 Cooke&Price等[24]對(duì)樁中段的樁周土水平位移進(jìn)行了測(cè)量;Hmamond[25]對(duì)樁的上浮做了測(cè)量。學(xué)者們對(duì)樁周土的水平位移的變化規(guī)律的觀點(diǎn)基本一致,認(rèn)為隨著距樁中心的距離的增大,水平位移減小,且呈指數(shù)形式衰減。

3.2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

在對(duì)沉樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究的同時(shí),國內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究。國外學(xué)者中典型的沉樁試驗(yàn)有[28]:Banerjee等利用模型固結(jié)試驗(yàn)箱做粘土擠土效應(yīng)試驗(yàn),樁體上裝有器件可測(cè)軸力、側(cè)向土壓和孔壓,土體內(nèi)離土體一定范圍的不同深度埋設(shè)4只孔壓儀,將沉樁過程及再固結(jié)過程中觀測(cè)到的樁周土體的應(yīng)力、孔壓與大應(yīng)變有限元(貫入分析)和小應(yīng)變有限元(固結(jié)試驗(yàn))計(jì)算結(jié)果及圓孔擴(kuò)張結(jié)果作了比較,結(jié)果皆較為吻合。Azzouz等用裝有PLS(Piezo-Letaral Stress)壓力盒的模型樁沉入兩種粘土層中,這種壓力盒可以同時(shí)量測(cè)作用在樁身上的水平總應(yīng)力、孔隙水壓力和剪應(yīng)力。主要結(jié)論:應(yīng)變路徑法比圓孔擴(kuò)張更好的接近實(shí)測(cè),而土的敏感度對(duì)作用在樁側(cè)的有效應(yīng)力影響較大。當(dāng)然該試驗(yàn)著重對(duì)樁體側(cè)摩阻性狀的分析。

我國學(xué)者中,劉祖德等提出了顯微鏡跟蹤法,應(yīng)用于模型槽試驗(yàn)中;河海大學(xué)巖土工程研究所已于1996年建造起一座大型多功能模型試驗(yàn)槽,側(cè)面設(shè)有有機(jī)玻璃窗;丁佩明利用該模型槽進(jìn)行了砂土中的靜壓樁試驗(yàn),通過在土體中按一定的距離在垂直于試槽玻璃方向埋設(shè)長度小于5 mm的大頭針,取得了有關(guān)壓樁產(chǎn)生的土體位移的一些成果[29]。樊良本、朱國元[30]為驗(yàn)證圓孔擴(kuò)張理論解釋單樁周圍土的應(yīng)力狀態(tài)的適用性,設(shè)計(jì)了模型樁試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置采用K0儀,并將其加荷帽作了改進(jìn)。K0儀試驗(yàn)原是在無側(cè)向膨脹條件下對(duì)土樣施加軸向荷載的同時(shí)測(cè)定其側(cè)向應(yīng)力,從而可求出土的側(cè)壓力系數(shù)K0值。改進(jìn)后的加荷帽有利于在對(duì)土樣施加軸向固結(jié)荷載的同時(shí)沉入模型樁。通過在直徑為D的土樣中沉入不同直徑的模型單樁(鋼樁),測(cè)定土樣周界上(p=D/2)的總徑向應(yīng)力增量,用以與理論值比較。陳文[31]通過靜壓樁在不同粘土中貫入的離心模型試驗(yàn),對(duì)樁體貫入飽和粘土?xí)r的土體位移和初始超孔壓進(jìn)行了研究。徐建平等[32]通過靜力壓入單樁和雙樁的模型試驗(yàn),研究了沉樁的擠土效應(yīng),獲得了沉樁過程中土體位移隨水平和深度方向變化的規(guī)律,并對(duì)壓入單樁與雙樁的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。丁佩明通過砂土中沉樁模型試驗(yàn),研究了沉樁對(duì)砂性土的擠密效應(yīng)。何杰等[33]通過室內(nèi)模型試驗(yàn),比較分析了靜壓楔形樁及等截面樁的擠土效應(yīng)。張述濤等[34]比較分析了均質(zhì)地基和雙層地基的最終土體位移場(chǎng),得出靜壓樁在雙層地基中,由于軟硬土層間的相互作用,所產(chǎn)生不同于均質(zhì)地基情況下的土體變形規(guī)律。張建新等[35]基于室內(nèi)模型試驗(yàn),分析了群樁順序壓入土體后所引起的土體變形規(guī)律、超孔隙水壓力的變化和沉樁前后土體的微觀結(jié)構(gòu)特征。詹樂等[36]研究邊坡坡頂鄰近處群樁的壓入對(duì)邊坡土體位移的影響規(guī)律,得出了群樁壓入過程對(duì)邊坡土體位移的影響規(guī)律。

4 存在問題

靜壓樁在工程應(yīng)用方面優(yōu)點(diǎn)較多,其擠土效應(yīng)的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,但尚存在以下一些問題:

(1)理論研究相對(duì)滯后,不能更好的指導(dǎo)工程實(shí)踐。通過理論研究沉樁擠土效應(yīng)問題由來己久,但仍然相對(duì)滯后。

(2)擠土效應(yīng)研究基本局限于單樁或單排樁的研究。在實(shí)際樁基工程中,擠土效應(yīng)引發(fā)的工程問題大部分是由于群樁擠土效應(yīng)引起的。目前,對(duì)沉樁擠土效應(yīng)的研究主要集中在單樁或單排樁,對(duì)群樁擠土效應(yīng)研究較少。

(3)在試驗(yàn)研究中,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反映的是工程實(shí)際情況,觀測(cè)數(shù)據(jù)更加可信。但是,由于各個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的條件差異很大,各種復(fù)雜的因素都會(huì)對(duì)最終的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)論有一定局限性,且現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本較高,不能廣泛開展。

模型槽試驗(yàn)過于依賴其尺寸和采用的邊界模型,但存在尺寸受限、邊界效應(yīng)、相似比等問題,其成果只能作為定性分析,而無法得到精確的定量成果。而離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫亟鉀Q土體自重的模擬問題,是一種較好的研究方法,但成本較高,有條件應(yīng)優(yōu)先采用。

(4)研究只限在擠土效應(yīng)機(jī)理的本身,基本忽略了群樁擠土效應(yīng)和相鄰建(構(gòu))筑物、市政道路、地下管線等周圍工程環(huán)境的相互作用,實(shí)際上,這才是研究擠土效應(yīng)的最終目的。

(5)控制擠土效應(yīng)基本都是被動(dòng)措施,這無形中增加了工程造價(jià),甚至?xí)斐梢欢ǖ睦速M(fèi)。

5 結(jié) 語

本文介紹了沉樁擠土效應(yīng)對(duì)工程環(huán)境的影響,并分析了擠土效應(yīng)在理論研究、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)等方面的研究成果以及存在的問題。隨著靜壓沉樁的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)的問題也必將逐步得到解決。為此,作者做如下建議:①通過大型模型試驗(yàn),特別是破壞性試驗(yàn),研究擠土效應(yīng)問題;②充分重視群樁擠土效應(yīng)及其與周圍環(huán)境相互作用問題的研究;③在新型樁基方面,提出擠土效應(yīng)的主動(dòng)控制措施;④收集資料,總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn),與理論相結(jié)合,研究擠土效應(yīng)問題。

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