黏土地層中PC工法樁振動沉樁環(huán)境效益分析

PC工法樁（Per-fabricated Composite steel Pile，裝配式組合鋼管樁）作為新型的深基坑圍護工藝，其安全、造價、工期、環(huán)保等方面較其他圍護形式更能顯示出優(yōu)越的效用［1］。PC工法樁為鋼管樁和拉森鋼板樁組合，是一種鋼質(zhì)連續(xù)墻。庫倫和鄧肯［2］進行了最早的樁-土界面之間的研究，提出剪應(yīng)力與相對錯動位移間關(guān)系的雙曲線模型。古德曼［3］在雙曲線模型的基礎(chǔ)上提出了單位切向力的計算公式。對于有厚度的古德曼單元，德賽［4］提出了剪切模量計算公式。殷宗澤［5］在對試驗數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)接觸面上的剪切破壞是由外向內(nèi)發(fā)展的。張嘎［6］對土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載，研究不同土體接觸面的受力情況和力學規(guī)律。閆澍旺［7］對土-結(jié)構(gòu)物界面進行研究，認為土-結(jié)構(gòu)物界面具有較高的抗剪強度。在對擠土效應(yīng)研究方面，Adams和Hanna［8］發(fā)現(xiàn)在H型鋼樁沉入較硬土體時，樁周土體引起的隆起量和其體積之比為1∶1；而在不靈敏的軟黏土中沉樁，Hagerty和Peck［9］發(fā)現(xiàn)這個比例為1∶2；在靈敏的軟黏土中，Orrje和Broms［10］發(fā) 現(xiàn) 這 個 比 例 為3∶10。Hwang［11］等 發(fā)現(xiàn)半徑40 cm的 樁沉入黏土的水平位移由近及遠快速衰減，產(chǎn)生的豎向位移對鄰樁的影響較大。徐建平［12］等采用模型實驗研究靜壓樁的沉樁過程，總結(jié)沉樁過程中土體的位移隨水平和深度方向的變化規(guī)律。陳福全等［13-14］利用數(shù)值模擬的手段，模擬研究在有地下水的情況下，應(yīng)力在樁的徑和軸方向的大小和分布規(guī)律；鄧俊杰［15］等使用實測方式，獲取孔隙水壓變化數(shù)據(jù)，分析孔隙水壓在沉樁過程和沉樁之后的上升和消散過程。

綜上所述，振動沉樁技術(shù)在我國應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。然而PC振動沉樁工藝中鋼樁和周圍土層沉樁擠土效應(yīng)、孔隙水壓的研究較少。本文以鐵路杭州北站單元GS1104-18地塊中學及社會停車庫工程項目為依托，開展PC樁振動沉樁現(xiàn)場試驗，基于工程實測建立三維有限元數(shù)值分析模型，研究沉樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)以期為PC樁在黏土地層振動沉樁保護設(shè)計提供參考。

1 工程概況

鐵路杭州北站單元GS1104-18地塊中學及社會停車庫工程位于杭州市拱墅區(qū)，擬建場地地貌單元屬于湖沼相沉積地帶平原區(qū)，地勢平緩，地形起伏不大。項目基坑支護結(jié)構(gòu)采用PC工法樁，采用鋼管樁打拔設(shè)備，樁徑為Ф915和Ф630，壁厚為14 mm的鋼管，承臺主要開挖深度約6 m。

根據(jù)地質(zhì)報告，基坑開挖范圍內(nèi)的土層具體物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土體物理性質(zhì)參數(shù)

2 現(xiàn)場試驗

采用先進自動測斜儀監(jiān)測黏性土土體的內(nèi)部水平位移，觀測記錄距目標試驗樁10 m處所獲得的數(shù)據(jù)。采用布置在施工現(xiàn)場的沉降環(huán)收集數(shù)據(jù)掌握地基土的有效壓縮層范圍內(nèi)各層土的變形特征。采用布置在施工現(xiàn)場的地面沉降標收集數(shù)據(jù)掌握地表沉降的變形特征，觀測記錄距目標試驗樁10 m處所獲得的數(shù)據(jù)。采用孔隙水壓力計測試土體擾動效果。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 深層土體水平位移觀測結(jié)果分析

圖1為距振動源1、2 m測點處深層土體水平位移。每個測點處的土體深層位移，開始時處于較大位移，在深度約-3 m的位置產(chǎn)生最大向基坑內(nèi)側(cè)位移，在深度約-15 m的位置位移量逐漸減少直至為零，總體呈現(xiàn)“上大下小的半葫蘆狀”。開始時位移較大，是因為導溝開挖基坑卸載，在基坑外側(cè)堆放開挖土，堆載產(chǎn)生向內(nèi)土壓力，使淺層土體向內(nèi)滑移。深度-3 m處產(chǎn)生最大位移，是因為導溝開挖深度為2～3 m，隨著施工的進行，測點正前方的高頻振動使土體產(chǎn)生擾動，加劇土體向內(nèi)側(cè)的移動趨勢?？傮w而言，樁周土體水平位移為兩端位移量小，中部位移量大，與江強等［16］的研究結(jié)果一致。由圖1可知，距振動源更近的測點的水平位移變化的速率也越大。這是因為距離振動源越遠，所受振動影響會在傳遞過程中由于阻力而減少。

圖1 距振動源1 m和2 m測點處深層土體水平位移

3.2 深層土體豎向位移觀測結(jié)果分析

圖2為振動源移動過程中距樁心4 m測點處深層土體豎向位移。深層土體豎向位移變化曲線在振動源移動過程中大致呈軸對稱分布。當振動源未達到測點正前方時，不同深度處的土體均發(fā)生不同程度的下陷沉降，淺層土體位移變化量大，下沉得多。隨著振動源移動靠近，振動沉樁時PC工法樁切削擠入土體形成擠土效應(yīng)，造成樁周深層土體逐漸隆起。當振動源垂直于測點進行振動時，土體發(fā)生隆起量達到最大，其中地表隆起最多，越深處土體隆起量越小。當振動源遠離，淺層土體開始逐漸下陷，最終位移量保持正值。整個過程中，最大隆起量約為最大沉降量的3倍。

圖2 距樁心4 m測點處深層土體豎向位移

3.3 地表沉降觀測結(jié)果分析

圖3是振動源移動過程中不同測點地表土體位移的變化示意圖。各測點的沉降曲線變化趨勢大體一致：先行發(fā)生沉降—明顯隆起—平緩隆起直到位移穩(wěn)定。第五次觀測時數(shù)據(jù)變化速率明顯增大，此時振動源在測點正前方位置，振動沉樁時鋼管樁與地層摩擦阻力造成周圍地層擾動，導致地表隆起明顯，振動源越靠近樁心，擾動越大，土體變形量也越大。隨后振動源遠離，擾動響應(yīng)減弱，地表沉降變化逐漸趨向平穩(wěn)。同時，距離樁心更近的測點，變化速率越快，1 m處測點隆起最大速度約為1.5 mm/min，2 m處為0.5 mm/min，4 m處為0.2 mm/min，說明土體擾動程度受到振動源遠近的影響，距離越近影響越大。隨著PC工法樁的振動施工，地表土體最大位移發(fā)生在最后一次測量時距離樁心1 m的測點處，累計最大位移約為15 mm。

圖3 振動源移動過程中不同測點地表沉降變化

3.4 振動沉樁引起的孔隙水壓觀測結(jié)果分析

圖4為距樁心2、4 m測點不同埋深處孔隙水壓隨振源距離變化示意圖。隨著振動源的靠近，孔隙水壓變大，且變大速率也在增加，當振動源垂直樁心進行作業(yè)時，孔隙水壓達到最大值，隨著振動源的遠離，孔隙水壓最終消散至原始狀態(tài)。沉樁初期，土體擾動引起的孔隙水壓變化在深度方向差異較小，隨著振動源的靠近，孔隙水壓在深度方向呈線性或者略帶線性地增加。沉樁后期，變化值開始趨向平穩(wěn)，但是仍稍大于沉樁初期，說明沉樁施工帶來的影響還在持續(xù)。在徑向方向上，距離振動源越遠的測點，孔隙水壓值峰值越小，變化幅度也越小，說明沉樁引起的孔隙水壓變化和距離之間呈反比例關(guān)系。

圖4 距樁心2 m和4 m測點不同埋深處孔隙水壓變化

4 數(shù)值模擬模型分析

PC工法樁的受力主體是鋼管樁，由于鋼管樁的剛度遠大于其他巖土材料，又以彈性變形為主，因此本模型中對鋼管樁采用線彈性本構(gòu)模型。在土體材料的定義中，選擇常用的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。本實驗研究沉樁振動所產(chǎn)生的影響，根據(jù)文獻［17-18］可知振動沉樁產(chǎn)生波的主要影響范圍為6倍樁徑。

本模型模擬單樁的振動沉樁，因此鋼管樁置于土體的正中間，對樁頂中心施加Load-concentrated force，并設(shè)置耦合約束使得樁頂能夠均勻受力。振動沉樁施加在樁頭的荷載分為靜載力和激振力兩部分［19］。本工程采用ICE815C高頻液壓振動錘進行振動施工，具體參數(shù)見表2。

表2 振動錘技術(shù)參數(shù)

圖5是距樁心1 m處地表累計沉降數(shù)據(jù)實測和模擬結(jié)果對比圖。由圖5可以看出，在實測中前三次測試時，數(shù)值結(jié)果為正值，表示隆起；而實測數(shù)據(jù)為負值，表示沉降。這是因為前三次測試所得到的數(shù)值是振動沉樁前導溝開挖的地表沉降數(shù)據(jù)，導溝開挖導致地面總體下沉，而數(shù)值模擬未考慮導溝開挖、機械行走等因素的影響，直接進行模擬沉樁，所以數(shù)值始終為正；第四次及以后實測數(shù)據(jù)是振動沉樁開始后所獲得的數(shù)據(jù)，可以看出實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)較接近，發(fā)展規(guī)律也十分類似，其中實測結(jié)果稍大于模擬數(shù)據(jù)，兩者的最大沉降量均不超過13 mm，沉降在可控范圍。因此認為沉樁振動過程對地表土的影響是在允許值內(nèi)的。

圖5 距樁心1 m處地表沉降實測和數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖6是距樁心4 m處深層土體水平位移實測和數(shù)值模擬結(jié)果對比圖，可以看出，水平位移最大處在深度-3～-5 m處，該層處于地質(zhì)軟弱層，受樁擠入土中的影響較大；淺層土體實測結(jié)果遠大于模擬結(jié)果，這是因為實際淺層土體不僅受沉樁貫入的擠土影響，還對周邊環(huán)境反應(yīng)較大，比如施工機械行走，導溝開挖上部卸荷等，這些因素均造成土體水平位移的發(fā)生；最大位移處以下的土體位移變化量實測結(jié)果和模擬結(jié)果接近，模擬值稍小于實測結(jié)果，表明深部土體受地表荷載影響較小。

圖6 距樁心4 m處深層土體水平位移實測和數(shù)值模擬結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文以鐵路杭州北站單元GS1104-18地塊中學及社會停車庫工程項目為依托，開展PC樁振動沉樁現(xiàn)場試驗，研究其沉樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，得到以下幾點結(jié)論：

1）觀測深層土體水平位移，淺層土體位移變化大，底部土體位移變化量小，呈“上大下小的半葫蘆狀”。

2）觀測深層土體豎向位移，振動沉樁時PC工法樁切削擠入土體形成擠土效應(yīng)，造成樁周深層土體隆起，當振動源遠離，淺層土體隆起程度減緩，隆起量大于其他深層土體的位移量。

3）觀測地表沉降，各測點的沉降曲線變化趨勢大致為：先行發(fā)生沉降—隆起明顯—位移穩(wěn)定，累計最大位移15 mm。

4）觀測孔隙水壓，隨著振動源的靠近，孔隙水壓變大；振動源的遠離，孔隙水壓消散至原始狀態(tài)；在徑向方向上，距離振動源越遠，孔隙水壓值也越小，變化幅度也越小。在深度方向上，深度越深孔隙水壓值越大，而變化幅度是深度越淺變化幅度越大。

5）豎向以及水平向位移，模擬結(jié)果和實測結(jié)果都比較接近，說明模型的建立相對來說較為準確，因此可以利用三維建模來預防性提出PC沉樁對減少周邊環(huán)境影響的相關(guān)措施，保證施工進行的順利性。

上述結(jié)論是在本文的工程背景下得出的，不同的土層分布、基礎(chǔ)形式、上部結(jié)構(gòu)形式等因素均會對結(jié)果產(chǎn)生影響，因此尚需進行進一步的針對分析。