靜壓樁擠土效應(yīng)分析

卓 楊 邵天一

(1．中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032;2．上海大學(xué)，上海 200433)

1 概述

建筑物或構(gòu)筑物建立于地面上，會對地面產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力，現(xiàn)今建筑物規(guī)模一直在不斷擴(kuò)大，而天然地基承載能力有限，因此實際工程中通常使用樁基礎(chǔ)來利用位置較深、承載力較高的土層。樁基施工過程中樁身進(jìn)入土體后會對土體產(chǎn)生一定程度上的擠壓，使樁周土體產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致土體位移、應(yīng)力分布發(fā)生變化。由于許多大城市的工程建設(shè)都趨于飽和，施工地區(qū)往往會是在密集的建筑群中，在這種情況下打樁入土過程經(jīng)常會引起附近建筑物或構(gòu)筑物損壞，造成一系列的負(fù)面影響。因此，對靜壓樁擠土效應(yīng)的研究，對工程設(shè)計和施工都具有重要的實際意義。

目前對靜壓樁擠土效應(yīng)已進(jìn)行了一些研究:柏炯等［1］用半解析有限元法計算壓樁引起的擠土效應(yīng)并與實測結(jié)果進(jìn)行了比較;舒文超等［2］通過實測數(shù)據(jù)討論了靜壓樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng);周建等［3］以有限元方法為主要分析手段，對群樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)研究;王育興等［4］利用圓形擴(kuò)展理論分析了沉樁過程中樁周土體的變化;徐歡等［5］通過圓柱孔擴(kuò)張的位移邊界條件法對樁周土體進(jìn)行了分析。本文依托無錫洛龍灣一號一期工程，研究打樁施工引起的擠土效應(yīng)，并通過改變靜壓樁參數(shù)，分析了其對不同位置、不同深度處土中的位移、應(yīng)力的影響。

2 工程概況

洛龍灣一號項目地處江蘇省無錫市惠山區(qū)洛社鎮(zhèn)新開河地區(qū)，施工地段土層主要參數(shù)如表1所示。樁基采用靜壓法施工，樁入土 26 m，頂部截面0．45 m ×0．45 m，樁靴角度75°。

表1 施工地段土層的力學(xué)指標(biāo)

3 數(shù)值分析

如表1所示土體參數(shù)建模，研究單樁打入成層土的情況，采用三維有限元模型并考慮對稱性(如圖1所示)，分析距樁不同位置的位移、應(yīng)力等情況。

圖2是不同入土深度下樁側(cè)1 m及入土10 m時樁側(cè)2 m土體的水平位移曲線。圖3是不同入土深度下泥面以下3m處土體的水平位移及豎向位移曲線。圖4是樁入土26 m時不同土層水平擠壓應(yīng)力的徑向分布曲線。

圖1 打樁有限元模型

圖2 樁側(cè)土體水平位移

從圖2中可以看出:1)樁入土5m，10m，20m時，樁側(cè)1m處土體水平位移最大值分別為 0．024 m，0．026 m，0．028 m，所在位置距樁端分別為2．0 m，1．5 m，1．0 m，說明樁側(cè)土體最大水平位移隨樁入土深度的增大而增大，且水平位移最大值出現(xiàn)位置與樁端距離隨入土深度增加而減小;2)樁入土10 m時，樁側(cè)2 m處土體最大水平位移為0．017 m，位置距樁端1．5 m，說明入土深度相同時，同一土層水平位移隨離樁側(cè)距離的增大而減小。

從圖3中可以看出:1)樁側(cè)土體水平位移最大，隨著徑向距離的增加，在距離樁側(cè)約0．5 m范圍之內(nèi)，水平位移急劇減小，之后趨勢變緩;2)樁入土5 m，10 m時，樁側(cè)土體水平位移最大值分別為0．077 m，0．152 m，說明樁側(cè)土體水平位移隨著樁入土深度的增加而增大;3)樁入土10 m與20 m的水平位移折線圖基本重合，說明隨著樁入土深度的不斷增加，樁對淺層土的水平擠壓影響逐漸減小，到一定深度時幾乎沒有影響;4)樁入土5 m，10 m，20 m時，樁側(cè)土體豎直位移最大值分別為 0．011 m，0．017 m，0．024 m，說明樁側(cè)土體豎直位移隨樁入土深度的增大而增大;樁周土體的豎向位移不大，其最大值出現(xiàn)在樁側(cè)約0．5 m處。

圖3 泥面以下3m處土體位移

圖4 不同土層水平擠壓應(yīng)力的徑向分布

從圖4中可以看出:1)對于深度5m，10m，20m的土層，水平擠壓應(yīng)力的最大值依次為 132．6 kPa，179．8 kPa 和 316．7 kPa，其平均值分別為 55．6 kPa，106．2 kPa 和233．3 kPa，說明土體水平擠壓應(yīng)力隨土體所在深度增大而增大;2)同一土層中的土體，在距離樁側(cè)約1．5 m范圍內(nèi)，水平擠壓應(yīng)力隨著與樁側(cè)距離的增大而減小，而在距離樁體約1．5 m外，水平擠壓應(yīng)力趨于不變。

4 樁參數(shù)影響分析

4．1 截面的影響

不改變樁靴角度，樁截面改為0．30 m×0．30 m，分析其對位移及應(yīng)力造成的影響。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 樁截面對樁側(cè)土體的影響

從圖5中可以看出:1)靜壓方樁施工引起的樁側(cè)土體水平位移隨其截面邊長的增大而增大，相應(yīng)水平擠壓應(yīng)力的影響范圍也隨著截面邊長的增大而增大;2)截面邊長的改變并不影響水平位移最大值出現(xiàn)的位置;3)截面邊長越大，同一層土體水平擠壓應(yīng)力減小的趨勢越明顯。

4．2 樁靴變化的影響

不改變樁截面，將樁靴角度改為60°，分析其對位移及應(yīng)力造成的影響。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 樁靴角度對樁側(cè)土體的影響

從圖6中可以看出:1)靜壓方樁施工引起的樁側(cè)土體水平位移隨其樁靴角度的增大而減小;2)樁靴角度的改變并不影響水平位移最大值出現(xiàn)的位置;3)樁靴角度的改變基本不影響其入土后所引起的土體水平擠壓應(yīng)力曲線。

5 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值模擬，得到了由于靜壓樁施工所引起的位移、應(yīng)力的變化情況。在此基礎(chǔ)上，分析了樁截面、樁靴的變化對樁周土體不同位置、不同深度處位移、應(yīng)力的影響，為靜壓樁設(shè)計與施工提供依據(jù)。主要得出了以下結(jié)論:

1)樁側(cè)土體最大水平位移隨樁入土深度的增大而增大;在距離樁側(cè)約0．5 m范圍之內(nèi)，擠土效應(yīng)明顯。2)樁側(cè)土體水平擠壓應(yīng)力隨土體所在深度的增大而增大;在距離樁側(cè)約1．5 m范圍之內(nèi)，擠壓應(yīng)力下降明顯，之后趨于不變。3)樁入土一定深度后，對其淺層土的擠壓基本無影響。4)隨著截面邊長的增大，樁側(cè)土體的水平位移及擠壓影響范圍相應(yīng)增大。5)隨著樁靴角度的增大，樁側(cè)土體的水平位移相應(yīng)減小，但基本不影響入土后同一位置的土體擠壓應(yīng)力曲線。

［1］柏 炯，張慶賀．打(壓)樁引起振動和擠土效應(yīng)的預(yù)測及防治［J］．振動與沖擊，1998，17(2):34-38．

［2］舒文超，高義寶．靜力壓樁施工擠土效應(yīng)工程實例分析［J］．上海鐵道科技，2000(2):38-42．

［3］周 建，徐建平，許朝陽．群樁擠土效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2000，28(6):721-725．

［4］王育興，孫 鈞．打樁施工對周圍土性及孔隙水壓力的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(1):153-158．

［5］徐 歡，陳祥林，王 馳．打樁對周邊土體擾動效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］．低溫建筑技術(shù)，2010(2):101-103．