軟土地區(qū)CFG樁群孔效應(yīng)引發(fā)周邊土體變形機(jī)理研究

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(1. 天津大學(xué) 土木工程系，天津　300072；2. 天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072)

0　引言

我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、工程活動(dòng)頻繁，也是廣闊的軟土分布區(qū)。軟土土質(zhì)軟弱，施工前一般先進(jìn)行加固處理[1]，且該地區(qū)地層變形極易受工程施工影響。CFG樁應(yīng)用于建筑物樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基中，且一般在基坑開(kāi)挖前施工。其樁頂標(biāo)高一般位于基坑坑底附近，樁身填料灌注至樁頂標(biāo)高以上0.8～1.0 m[2]，至少0.5 m[3]。至于樁頂至地表的空樁孔有時(shí)由于土質(zhì)等原因無(wú)法回填，便在土體中形成了大量空孔同時(shí)存在的情況，稱(chēng)之為群孔現(xiàn)象。各個(gè)空樁孔引起的孔周土體應(yīng)力釋放、變形等相互疊加放大，以及隨時(shí)間增強(qiáng)，引發(fā)周邊土體嚴(yán)重變形的問(wèn)題，稱(chēng)為群孔效應(yīng)。與邊坡[4]、基坑、地連墻[5-7]等大規(guī)模工程相比，群孔效應(yīng)影響相對(duì)較小，但由于施工周邊環(huán)境趨于嚴(yán)格，軟土地區(qū)該影響已不容忽視。CFG樁有振動(dòng)沉管法和長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓2種[8]，本文主要針對(duì)長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG樁群孔效應(yīng)進(jìn)行研究。

基于土體硬化模型，本文首先用Plaxis3D分析了空樁孔引發(fā)周邊土體變形機(jī)理、空樁孔孔壁變形模式及其影響因素，然后在多孔合并簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，研究了大量樁孔同時(shí)共存時(shí)周邊土體的變形隨孔數(shù)的變化，以及深層土體的變形模式，并分析了群孔效應(yīng)主要影響區(qū)，最后通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1　空樁孔影響機(jī)理分析

建立單孔和兩孔模型，單孔模型主要分析孔壁內(nèi)縮引發(fā)周邊土體變形的影響機(jī)理和孔壁變形規(guī)律。兩孔模型用來(lái)分析多孔同時(shí)存在時(shí)，其對(duì)周邊土體的變形影響相互疊加放大，進(jìn)而得出群孔效應(yīng)的影響機(jī)理。

1.1　數(shù)值模型介紹

單孔模型及網(wǎng)格劃分如圖1，取1/4模型，孔徑0.4 m，孔深8 m。孔心為坐標(biāo)原點(diǎn)，模型x、y方向取5倍孔深，z方向2倍孔深，鄰近樁孔網(wǎng)格加密。兩孔模型及其網(wǎng)格劃分如圖2，取整個(gè)模型，孔徑0.4 m，孔深8 m，孔心距4倍孔徑。模型x、y方向取距孔邊界5倍孔深，z方向2倍孔深，鄰近樁孔網(wǎng)格加密。

圖1　單孔有限元基準(zhǔn)模型(單位：m)

圖2　雙孔有限元基準(zhǔn)模型(單位：m)

采用硬化模型，為簡(jiǎn)化，考慮軟土地區(qū)多為透水性較差的飽和軟黏土，取不排水條件下的總應(yīng)力指標(biāo)(內(nèi)摩擦角Φ=0°)，考慮其不排水強(qiáng)度cu沿埋深線性增加[9]，分布假定如式(1)所示[10]。

cu=5+2.0z

(1)

1.2　單孔孔壁變形機(jī)理分析

圖1對(duì)角線縱剖面，提取剖面上空樁孔附近區(qū)域的位移矢量圖如圖3。單孔孔壁失去支撐內(nèi)縮，孔周邊土體應(yīng)力釋放，總體上呈現(xiàn)向孔內(nèi)方向位移。最大位移位于孔邊緣，且距地表一定距離的地層深處。提取孔壁單元節(jié)點(diǎn)沿孔徑方向的位移(以向孔內(nèi)方向位移為負(fù))，并采用Lorents函數(shù)曲線擬合，如圖4。孔壁沿孔徑位移最大值出現(xiàn)在距地表一定距離處，最大位移位置與地表的距離約為0.8倍孔深，即6.4 m。取對(duì)角線豎向剖面和-6.4 m水平剖面，提取空孔附近主應(yīng)力矢量圖如圖5和圖6?？梢钥闯?，孔周邊土體主應(yīng)力方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，在豎向和水平向均形成了明顯的土拱。孔周土體在水平和豎向兩個(gè)應(yīng)力拱的共同作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力拱起到了抑制和減小孔壁內(nèi)縮變形的作用。

圖3　單孔引發(fā)土體位移矢量圖

圖4　單孔孔壁沿孔徑方向位移曲線

1.3　單孔孔壁變形影響因素分析

本節(jié)從孔徑、孔深、土體強(qiáng)度3方面分析單孔孔壁變形的變化規(guī)律。計(jì)算模型采用圖1所示模型，模型邊界隨孔深增大而增大。計(jì)算所采用的樁孔參數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖5　單孔周邊土體豎向剖面上的主應(yīng)力矢量圖

圖6　單孔周邊土體-6.4 m水平面上的主應(yīng)力矢量圖

樁孔因子變化孔徑/m孔深/m土體強(qiáng)度分布變化/kPa0.3555+1.5z0.4085+2.0z0.50105+2.5z0.60155+3.0z——5+3.5z

單獨(dú)變化孔徑、孔深、土體強(qiáng)度，孔壁變形曲線如圖7?？讖皆龃螅咨钤龃?，土體強(qiáng)度減小，孔壁沿孔徑方向變形均增大，土體強(qiáng)度變化影響最大。最大位移位置距地表距離占孔深比例變化不大，始終位于地表以下0.75至0.8倍孔深的位置處。孔壁位移越大，土體水平應(yīng)力釋放越大。當(dāng)CFG樁空樁孔無(wú)法及時(shí)回填時(shí)，其深度不宜過(guò)大。當(dāng)單孔單獨(dú)存在時(shí)(孔徑不超過(guò)0.6 m)，要特別注意孔壁附近地表以下0.75至0.8倍的孔深位置附近地下設(shè)施的保護(hù)。對(duì)于單個(gè)較大直徑其它樁孔，已有學(xué)者做過(guò)研究[13]。

圖7　不同孔徑、孔深、土體強(qiáng)度下單孔孔壁沿孔徑方向位移曲線

1.4　雙孔的相互影響機(jī)理分析

兩孔共存，引發(fā)孔周土體應(yīng)力釋放等相互作用、疊加放大，影響更嚴(yán)重。本節(jié)采用圖2所示模型研究?jī)煽坠泊鏁r(shí)空孔效應(yīng)的疊加機(jī)理及周邊土體變形規(guī)律。取y=40.2 m縱剖面，空樁孔附近土體位移矢量如圖8。同單孔，最大位移位置位于孔壁附近，且距地表一定距離的地層深處。

將土體總位移分解為豎向沉降和水平方向變形分析，土體沉降云圖如圖9(a)。x方向的土體水平變形為沿孔徑方向向孔內(nèi)的變形，如圖9(b)。由圖9(a)可見(jiàn)，兩孔共存引發(fā)的周邊地層沉降分布在孔底標(biāo)高水平面以上，靠近孔壁位置沉降最大，最大沉降位置位于孔壁處，且距地表一定深度地層深處。孔底以下地層，孔底附近區(qū)域呈現(xiàn)隆起。由圖9(b)可以看出，兩孔共存引發(fā)的周邊地層水平變形，以?xún)煽字g的中心線成近似對(duì)稱(chēng)分布。水平方向的最大位移仍位于孔壁處，且距地表一定距離的地層深處。

圖8　2個(gè)孔引發(fā)土體位移矢量圖

圖9　2個(gè)孔引發(fā)土體沉降和水平變形

提取單孔和兩孔共存孔壁水平變形曲線如圖10。可見(jiàn)，兩孔共存孔壁變形增大，其中內(nèi)側(cè)孔壁水平變形較外側(cè)孔壁小。以圖2模型為基準(zhǔn)，單獨(dú)改變孔心距大小，得到孔心距為2倍、4倍、6倍，7倍孔徑時(shí)，外側(cè)孔壁水平位移曲線的變化與單孔孔壁的關(guān)系如圖11?？仔木嘣酱?，孔之間的相互影響越小，孔壁變形最大值越小，最終趨于和單孔單獨(dú)存在時(shí)孔壁變形一致。

圖10　2個(gè)孔共存時(shí)孔壁沿孔徑方向位移曲線

圖11　不同孔心距下孔壁沿孔徑方向位移曲線

取y=40.2 m縱剖面和z=-6.4 m水平剖面，雙孔附近主應(yīng)力矢量圖分別如圖12、圖13。主應(yīng)力矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，土體在豎向和水平兩個(gè)方向應(yīng)力拱下達(dá)到穩(wěn)定。由于空孔效應(yīng)影響相互疊加，原有的單孔應(yīng)力拱在兩孔之間受到破壞。豎向剖面上，由于兩孔之間的距離有限，孔間應(yīng)力拱幾乎無(wú)法形成。水平剖面上，環(huán)向應(yīng)力拱寬度受到孔間距離限制，也有一定程度削弱。水平和豎向剖面上土體應(yīng)力拱均受到破壞或削弱，阻止孔周土體向孔內(nèi)變形的能力減弱，由此導(dǎo)致各孔內(nèi)縮變形均較單孔時(shí)增大?？梢?jiàn)，在多孔存在情況下，空孔周邊土體中水平和豎向上的土應(yīng)力拱的相互影響與削弱是導(dǎo)致群孔效應(yīng)的重要原因。

圖12　2個(gè)孔共存時(shí)周邊土體縱剖面主應(yīng)力矢量圖

圖13　2個(gè)孔共存時(shí)周邊土體-6.4m水平面主應(yīng)力矢量圖

2　群孔周邊土體變形分析

2.1　群孔數(shù)值模型介紹

本節(jié)對(duì)大量樁孔共存引發(fā)群孔效應(yīng)建模分析時(shí)，取孔徑0.4 m，孔深8 m，模擬了4個(gè)至2 500個(gè)孔共存情況?？仔木?倍孔徑，方形排列。土質(zhì)參數(shù)取值同單孔。為提高收斂速度，取土體強(qiáng)度分布模式5+3.0z(kPa)。取1/2模型，x、y方向模型邊界距群孔邊界5倍孔深，z方向2倍孔深。如圖14，群孔邊界面為與最外排孔心連線垂直距離0.5倍孔心距的群孔邊界線所在豎向剖面。模型簡(jiǎn)化：孔數(shù)小于100，六邊形孔代替圓孔，即孔型簡(jiǎn)化；孔數(shù)大于等于100，25孔合1多孔合并，并用六邊形孔代替圓孔。原則是簡(jiǎn)化前后引發(fā)周邊土體變形相同。具體簡(jiǎn)化方法如圖14，β為孔型轉(zhuǎn)化系數(shù)，γ為多孔合并轉(zhuǎn)化系數(shù)。簡(jiǎn)化后的2 500孔模型如圖15。提取部分模型簡(jiǎn)化前后群孔邊界面中心線上的豎向和水平變形，如圖16。簡(jiǎn)化前后群孔邊界面中心線上的豎向沉降模式和水平變形模式一致，且數(shù)值相差不大，可以滿(mǎn)足研究需要。

圖14　孔型簡(jiǎn)化和多孔合并簡(jiǎn)化(單位:m)

圖15　群孔有限元模型示意圖(單位:m)

圖16　簡(jiǎn)化前后群孔邊界面中心線上沉降和水平變形對(duì)比曲線

2.2　群孔模擬結(jié)果分析

提取100孔模型群孔邊界面上z方向沉降和x方向水平變形如圖17。沉降和水平變形均主要分布在孔底標(biāo)高以上區(qū)域，其中中心線處最大?？椎滓韵峦馏w部分區(qū)域較小隆起，如圖中a區(qū)域。

圖17　100孔共存時(shí)群孔邊界面土體沉降和水平變形云圖

提取邊界中心線上，孔數(shù)為4、16、100、400、2 500時(shí)沉降和水平變形曲線如圖18。孔數(shù)較少時(shí)(100以下)，沉降值較小，孔底標(biāo)高附近微小隆起。最大沉降位置在距地表一定距離處。隨孔數(shù)增多沉降區(qū)域增大，沉降值增大，最大值位置向地表移動(dòng)?？讛?shù)大于等于400時(shí)，隆起消失，最大沉降值位置位于地表?？讛?shù)較少時(shí)，水平變形較小，最大水平變形位置位于距地表一定距離處。隨孔數(shù)增多最大水平變形增大，最大值位置與地表距離減小?？讛?shù)大于等于400時(shí)，最大變形位置位于地表。實(shí)際大多是成千上百個(gè)樁孔共存，故群孔效應(yīng)引發(fā)周邊土體變形以最大沉降和最大水平變形位置均位于地表模式為主。

以2 500個(gè)樁孔共存為例，分析圖15地表沉降觀測(cè)線所在剖面上的沉降和水平變形，可得出與群孔邊界不同距離處的深層土體變形，如圖19。整體上為三角形變形模式，最大豎向變形和水平變形位置均位于地表，群孔邊界處?？椎讟?biāo)高以上區(qū)域，隨著與群孔邊界距離的增大，土體豎向變形和水平變形均逐漸減?。豢椎讟?biāo)高以下，土體豎向變形與水平變形均較?。褐饕Q向變形區(qū)和水平變形區(qū)均位于群孔孔底標(biāo)高以上，距群孔邊界2倍孔深以?xún)?nèi)的區(qū)域，稱(chēng)之為群孔效應(yīng)主要影響區(qū)。

圖18　不同孔數(shù)下群孔邊界面中心線土體沉降和水平變形

圖19　2 500孔共存時(shí)周邊土體沉降和水平變形

3　工程案例分析

某市基坑工程，開(kāi)挖深度12 m，周邊建筑概況如圖20所示。選取長(zhǎng)螺旋鉆管內(nèi)泵壓CFG樁作基礎(chǔ)樁，共2 000余根，樁徑400 mm，樁間距4倍樁徑。CFG樁基坑開(kāi)挖前施工，混合料填到基坑底部以上4 m，樁頂與地表間8 m空樁孔由于孔徑較小、土體較軟等原因未回填。通過(guò)34個(gè)沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于大量空孔存在，使土體水平應(yīng)力釋放，基坑第一步開(kāi)挖僅2.95 m后，基坑周邊地表即發(fā)生較大沉降，如圖20，監(jiān)測(cè)點(diǎn)旁標(biāo)記數(shù)字為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降值，可見(jiàn)地表的沉降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了僅進(jìn)行基坑開(kāi)挖所造成影響。

圖20　工程概況及沉降實(shí)測(cè)值

應(yīng)用前文孔型轉(zhuǎn)化及多孔合并的簡(jiǎn)化方法，本節(jié)基于硬化模型用Plaxis3D對(duì)該基坑中CFG樁施工群孔效應(yīng)進(jìn)行了模擬。模擬分為地應(yīng)力平衡、圍護(hù)結(jié)構(gòu)生成、CFG樁成孔、降水開(kāi)挖2.95 m 4個(gè)分析步。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)生成產(chǎn)生影響較小，僅提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處CFG樁成孔后沉降模擬值、降水開(kāi)挖后總沉降模擬值，并將降水開(kāi)挖后的總沉降模擬值和對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表2。

表2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值對(duì)比

對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬值和實(shí)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和模擬值較為接近。通過(guò)CFG樁群孔效應(yīng)所引發(fā)沉降占第一步開(kāi)挖后群孔效應(yīng)與基坑開(kāi)挖引起的總沉降的比例可以看出，CFG樁群孔效應(yīng)引起的沉降占總沉降的50%左右，個(gè)別點(diǎn)甚至達(dá)到了近60%。由此可見(jiàn)，CFG樁成孔產(chǎn)生的群孔效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響是不容忽視的。通過(guò)該工程案例的模擬分析可見(jiàn)，基于多孔合并法的有限元模擬可以對(duì)CFG樁群孔效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行一定的定性研究和定量分析。

4　結(jié)論

采用有限元模擬了CFG樁施工過(guò)程中產(chǎn)生的群孔效應(yīng)。通過(guò)單孔和雙孔的對(duì)比，分析了群孔效應(yīng)影響機(jī)理，并通過(guò)對(duì)大量群孔共存情況的模擬總結(jié)了群孔效應(yīng)引發(fā)的周邊土體變形模式。結(jié)論如下：

(1)空樁孔周邊土體變形由孔壁內(nèi)縮引起。單孔孔壁變形隨孔徑、孔深增大而增大，隨土體強(qiáng)度增大而減小，變形最大值和最大值位置均主要受孔深影響；雙孔共存，空孔效應(yīng)疊加，除孔徑、孔深外，其孔壁變形還受孔心距影響，孔心距越大，孔間影響越小，孔壁變形越趨于和單孔單獨(dú)存在時(shí)一致。

(2)空樁孔周邊土體在水平和豎向兩個(gè)應(yīng)力拱共同作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。雙孔共存時(shí)，水平和豎向土體應(yīng)力拱均受到破壞或者削弱，阻止孔周土體向孔內(nèi)變形的能力減弱，由此導(dǎo)致各孔內(nèi)縮變形均較單孔時(shí)增大。這是群孔引發(fā)周邊土體嚴(yán)重變形的重要機(jī)理之一。

(3)通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證可見(jiàn)，基于多孔合并法的有限元模擬可以對(duì)大量樁孔共存時(shí)群孔效應(yīng)引發(fā)周邊深層土體變形進(jìn)行定性和定量分析，且該方法能使模擬大幅簡(jiǎn)化。

(4)定義距最外排孔孔心連線0.5倍孔心距的直線所在的豎向剖面為群孔邊界面，邊界面上沉降與水平變形最大值均位于中心線附近，隨孔數(shù)增多，最大值增大，最大值位置與地表間距離逐漸減小?？讛?shù)大于等于400時(shí)，群孔邊界面上最大沉降和最大水平變形均位于地表。群孔周邊土體變形呈三角形模式。變形主要發(fā)生在孔底標(biāo)高以上且距群孔邊界2倍孔深范圍內(nèi)，此區(qū)域?yàn)槿嚎仔?yīng)主要影響區(qū)。

對(duì)于群孔效應(yīng)影響機(jī)理和引發(fā)周邊土體變形規(guī)律的研究，基于純黏性土硬化模型，僅考慮了成孔瞬間樁頂以上空樁孔引發(fā)的周邊土體塑性變形，對(duì)于樁孔坍塌和CFG樁施工過(guò)程中的影響未作考慮。當(dāng)土質(zhì)中含有滲透系數(shù)較大的土層時(shí)，需作進(jìn)一步研究。此外，文中孔型轉(zhuǎn)化和多孔合并轉(zhuǎn)化系數(shù)均需通過(guò)試算使用，更加簡(jiǎn)易方便地應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中的群孔效應(yīng)簡(jiǎn)化計(jì)算方法也尚待研究。

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