等體積原理在擠土樁施工中引起地基土體變形的應(yīng)用

趙文杰 袁東喜 姜洪建

(中國化學(xué)工程第一巖土工程有限公司，河北 滄州 061001)

ΔH=K1K2K3Δ

ΔV=K1K2(1-K3)Δ

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等體積原理在擠土樁施工中引起地基土體變形的應(yīng)用

趙文杰 袁東喜 姜洪建

(中國化學(xué)工程第一巖土工程有限公司，河北 滄州 061001)

針對擠土樁基施工時引起周圍土體變形問題，采用擠土量與排土量體積相等的原理和工程實例相結(jié)合的方法，著重分析了土體變形規(guī)律，研究結(jié)果可為同類工程的設(shè)計與施工提供依據(jù)，也可對樁基設(shè)計與監(jiān)測提供參考。

樁基，PHC，擠土，土體變形，階段劃分

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，高層建筑、重要建筑越來越多。在這些建筑基礎(chǔ)設(shè)計與施工中，當(dāng)遇到地基土層承載力不足或建筑物對沉降變形特別敏感時，樁基的采用是比較理想的辦法。樁基能夠伸入較深的地層中，有效提高地基承載力。但是，在樁基的施工過程中也出現(xiàn)了一些問題[1-3]。

目前樁基有許多分類方法，按照成樁方法可以分為非擠土樁、擠土樁和部分?jǐn)D土樁。其中擠土樁主要是預(yù)制樁，施工過程為將預(yù)制樁用錘擊、震動、靜壓的方法置入地基土中。在特定的地層中，這種成樁方法通過樁體擠入地基土中，使得樁體與地基土成為一個整體，大大提高地基承載力。但樁體擠入土中時，使周圍土體發(fā)生變形[5,6]，尤其在群樁施工過程中，這種變形極為明顯。當(dāng)周圍存在暗埋設(shè)施或建(構(gòu))筑物時，土體變形超過其允許變形值時，必然對其造成一定損害，嚴(yán)重時可能造成較大的經(jīng)濟損失與人員傷亡。在擠土樁基設(shè)計與施工時進(jìn)行必要的預(yù)測與監(jiān)測，能夠有效的了解周圍土體變形情況，必要時采取一定防治措施。

樁基周圍土體變形是一個復(fù)雜的過程，受多種因素影響。目前已有一些文獻(xiàn)對其變形規(guī)律的理論研究與現(xiàn)場監(jiān)測作出闡述。劉虹等[7,8]就樁基施工過程中出現(xiàn)的問題作了一些探討，舒國榮等[9-11]針對樁引起的擠土效應(yīng)作了專門研究。

以上作者對樁基工程引起的問題作了專門的研究，大多集中于對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，從理論與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的角度來解決工程實際問題很少。本文在其研究基礎(chǔ)上，主要采用擠土量與排土量體積相等的原理來研究地基土變形規(guī)律。研究結(jié)果能夠為工程設(shè)計與施工提供依據(jù)。

2 樁基引起地基土變形

2.1 理論研究

由于樁基占據(jù)地基土位置，使得土體向周圍運動，單樁情況下，采用擠土量與排土量體積相等的原理[12]計算樁周圍土體變形：

(1)

其中,Δ為離小孔中心半徑為ρ的邊界面將會發(fā)生的位移;r為樁體半徑;ρ為邊界一點到樁孔中心的距離。

水平向和豎向位移可分別表示為：

ΔH=K1K2K3Δ

(2)

ΔV=K1K2(1-K3)Δ

(3)

其中，K1，K2,K3分別為擠土系數(shù)、擠土分配系數(shù)、水平位移擠土分配系數(shù)。

根據(jù)上式，以不同的樁徑，不同的距離，得到變形量隨樁徑、距離的變化圖(見圖1)。圖中總變形量變化率為樁徑500 mm時的變形量變化率；總變形量為樁徑分別取300 mm，400 mm，500 mm，距離樁中心的距離為5 m～60 m的變形量。由圖可知：隨樁徑的增大，相同的影響距離時，土體的變形量越大；當(dāng)樁徑相同時，隨距樁中心距離的增大，土體的變形量減小，且減小的速率越來越小。對式(1)，等號兩邊分別對Δ，ρ微分，可以得到變形量隨距樁中心距離的變化趨勢式(4)。

(4)

根據(jù)式(4)，當(dāng)ρ足夠大時，樁周圍土體的變形量很小，可以忽略其影響。結(jié)合圖1，將土體變形隨距離的變化分為3個階段：1)陡降段(ρ≤10 m)，土體變形值隨距離的增大顯著減??；2)緩慢減小段(10 m<ρ≤20 m)，土體變形速率和變形值明顯減??；3)平穩(wěn)段(ρ>20 m)，土體變形隨距離的增大變化很小，且其變化速率越來越小并趨于零。

2.2 工程實例

2.2.1 工程背景

某工程由兩棟8層住宅樓組成，地下1層，基坑開挖深度為5.5 m，持力層為砂質(zhì)粉土[13]。采用靜壓沉樁施工工藝，樁基型號為PHC-AB500(100)-10.15，樁基施工完畢后進(jìn)行基坑開挖。

地層剖面見表1。

表1 地層剖面 m

2.2.2 監(jiān)測點布置

為研究樁周圍土體變形規(guī)律，除對基坑周圍建(構(gòu))筑物設(shè)置專門監(jiān)測點外，在基坑周圍布置4條監(jiān)測剖面，西側(cè)3條，東側(cè)受場地限制布置1條。每條剖面設(shè)置4個監(jiān)測點，距群樁中心距離分別為12 m，25 m，38 m，50 m。

2.2.3 土體變形規(guī)律

對4個剖面距群樁中心距離相等的監(jiān)測點實測變形值進(jìn)行處理，剔除差異較大數(shù)據(jù)后取平均值。圖2為變形值與距樁中心距離的關(guān)系，變形隨距離的增大逐漸減小，且減小的速率逐漸變小。由于土體變形受群樁布置、施工順序、地層巖性、結(jié)構(gòu)、密實度、壓縮模量、飽和度等因素影響，樁周圍土體變形是一個復(fù)雜的過程，這導(dǎo)致理論公式與實測數(shù)據(jù)之間存在一定差異。群樁情況下，按群樁截面面積總和與群樁中心代替單樁情況下單樁截面面積與單樁中心，通過對理論公式進(jìn)行變換式(5)，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

(5)

其中,α為系數(shù)，其值與土體本身和施工工藝有關(guān)；Fi為第i根樁截面面積。

通過擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α=0.024時，擬合效果最好，相關(guān)系數(shù)R2=0.93，說明采用式(5)能夠較好的擬合群樁周圍土體變形。

如上分析，土體變形仍出現(xiàn)較明顯的階段性，因此將土體變形隨距離的變化分為3個階段：1)陡降段(ρ≤17.5 m，dΔ/dρ≤-0.001)；2)緩慢減小段(17.5 m<ρ≤35 m，-0.00135 m，-0.003

本工程階段性劃分分界點與理論存在一定差異，主要存在以下幾點原因：本次施工為群樁施工，采用群樁截面面積總和與群樁中心代替單樁情況下單樁截面面積與單樁中心的方法對周圍土體變形值進(jìn)行擬合時，難免會存在一定差異，且各樁的施工順序不同也可能造成結(jié)果的微小差異；土體變形受地質(zhì)環(huán)境的影響，如地層巖性、結(jié)構(gòu)、密實度、壓縮模量、飽和度。對比理論曲線與實際擬合曲線，二者在樁周圍土體變形規(guī)律上極為相似，說明采用擠土量與排土量相等原理來研究樁側(cè)土體變形規(guī)律是可行的、科學(xué)的。

2.2.4 結(jié)果分析

距基坑西北角50 m是兩棟18層民居；基坑西側(cè)36 m是一棟11層民居，旁邊設(shè)有地下車庫；基坑南側(cè)45 m分別為7層和2層民居；基坑?xùn)|側(cè)約41 m處為地下管線，埋深約5 m，主要有煤氣管、給水管、電力電纜、污水管、信息電纜。

表2 基坑周圍環(huán)境監(jiān)控報警值

表2為基坑周圍環(huán)境監(jiān)控報警值[14]。距離基坑最近的臨近建筑為36 m，其變形小于10 mm，滿足要求；距離基坑最近的地下管線為41 m，其變形值也小于報警值。布置于建(構(gòu))筑物與地下管線附近的監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，樁基施工引起的土體變形為超過規(guī)范規(guī)定的累計變形值，這一結(jié)果與采用等體積原理公式擬合的結(jié)果一致，說明采用等體積原理在擠土樁引起地基土變形規(guī)律的應(yīng)用是適用的。

3 結(jié)語

本文采用擠土量和排土量體積相等的原理，結(jié)合工程實例，著重分析土體變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)通過理論分析，根據(jù)單樁周圍土體變形量變化規(guī)律，可將土體變形量隨距樁中心距離劃分為3個階段：

a.陡降段(ρ≤10 m)；b.緩慢減小段(10 m<ρ≤20 m)；c.平穩(wěn)段(ρ>20 m)。

2)按群樁截面面積總和與群樁中心代替單樁情況下單樁截面面積與單樁中心，采用對理論公式的變換形式能夠很好的對實測變形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

3)實測樁周圍土體變形符合理論推導(dǎo)的變形規(guī)律，實測變形也存在3個階段：

a.陡降段(ρ≤17.5 m，dΔ/dρ≤-0.001)；b.緩慢減小段(17.5 m<ρ≤35 m，-0.00135 m，-0.003

4)由于地質(zhì)條件和施工工藝不同，實測變形值階段劃分分界點與理論公式分界點存在差異。

5)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，等體積原理在擠土樁引起地基土變形規(guī)律中的應(yīng)用是適用的。

應(yīng)該指出，本文只對一種工程實例來說明，可能具有一定的巧合。采用這種原理來預(yù)測土體變形需大量工程實踐證明，且需謹(jǐn)慎使用。

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[14]DJ/T J08—2001—2006，基坑工程施工監(jiān)測規(guī)程.

Application of equal volume principle in foundation soil deformation caused by soil compaction pile in construction

Zhao Wenjie Yuan Dongxi Jiang Hongjian

(ChinaChemicalEngineeringFirstGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Cangzhou061001,China)

According to surrounding soil deformation in compaction soil pile foundation construction, using the soil compaction and soil volume equal principle and engineering examples combining method emphatically analyzed the soil deformation law, the results could provide basis for similar engineering design and construction, but also provided reference for pile foundation design and monitoring.

pile foundation, PHC, squeezed soil, soil deformation, stage division

1009-6825(2015)18-0060-03

2015-04-12

趙文杰(1986- )，男，工程師； 袁東喜(1975- )，男，高級工程師； 姜洪建(1990- )，男，助理工程師

TU473

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