大面積無(wú)序堆土引起基樁沉降的研究

張 楠 武 岳 劉永超 張宗俊 韓玉濤 陸鴻宇

（1.天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通投資發(fā)展有限公司，天津 300459；2.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；3.天津建城基業(yè)集團(tuán)有限公司，天津 300301；4.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；5.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

大面積堆土?xí)箻吨芡翆訅好芟鲁?，?duì)基樁產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力，引起基樁的沉降。De Beer[1]于1977 年最早指出堆載作用下鄰近樁基礎(chǔ)屬于被動(dòng)樁，堆載工況下樁基發(fā)生的水平位移已有大量深入分析[2-6]，大面積堆載工況下中性點(diǎn)位置及樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律的研究也取得了較多成果[7-10]。Muthukkumaran 等[11]、Karim[12]分析了被動(dòng)樁的相對(duì)剛度對(duì)其橫向響應(yīng)以及界面滑移對(duì)樁基性能的影響。吳回國(guó)等[13]通過(guò)試驗(yàn)證明大面積堆載下試驗(yàn)樁中性點(diǎn)逐漸下移，樁側(cè)負(fù)摩阻力增大。張 蔚[14]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬建立了考慮軟土壓縮模量、堆載荷載和堆載距離的樁基最大側(cè)移經(jīng)驗(yàn)公式。趙彤雯[15]對(duì)軟土地基由于大面積堆載而引發(fā)的樁基發(fā)生水平位移以及內(nèi)力變化進(jìn)行了深入分析。曹文昭等[16]闡述了堆載法靜載試驗(yàn)中樁側(cè)堆載與地基變形對(duì)試樁的影響，定義了試樁沉降的實(shí)測(cè)值和真實(shí)值。劉自由[17]建立群樁數(shù)值模型，分析了不同間距情況下樁側(cè)摩阻力、中性點(diǎn)以及土體變形規(guī)律。Ashour 和Helal[18]基于豎向位移隨時(shí)間變化的關(guān)系建立了一種計(jì)算軸向摩阻力的方法。黃 挺等[19]通過(guò)單樁及雙樁負(fù)摩阻力模型試驗(yàn)，測(cè)定了模型樁身應(yīng)力、樁頂位移以及土體分層沉降隨固結(jié)時(shí)間的變化，說(shuō)明了沉降、負(fù)摩阻力具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。

某工程因環(huán)保管控導(dǎo)致出土條件變化，需在已施工的基樁區(qū)域大面積堆土，大面積無(wú)序堆土造成較大的基樁沉降，且沉降值離散性較大，沉降的原因存在較大爭(zhēng)議。以該工程為實(shí)例，經(jīng)綜合分析并通過(guò)三維有限元模擬，研究了堆土厚度、樁長(zhǎng)、堆土與樓座中心距離、排水條件等對(duì)基樁沉降的影響，分析了災(zāi)變的成因，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

天津某大型建筑工程，總建筑面積約172603 m2，其中洋房、別墅及配套設(shè)施總建筑面積約130493 m2，擬建建筑物包括28 棟5-7 層洋房及23 棟2-3 層別墅，洋房部分區(qū)域含整體地下一層，開挖深度約4.5 m，其他洋房和別墅無(wú)地下室，均采用樁基礎(chǔ)。因環(huán)保條件改變對(duì)施工工序有所調(diào)整，在已施工的基樁上進(jìn)行了大面積無(wú)序堆土。場(chǎng)地工程情況如圖1 所示，堆土區(qū)域主要為無(wú)地下室部分，分兩個(gè)主要區(qū)域：堆土區(qū)域1 包括11#、18#、20#共3 棟洋房；堆土區(qū)域2 包括40#-47#共8 棟別墅。

代表性地質(zhì)剖面圖如圖2 所示，樁型均為PHC AB 400(95)，其中，洋房區(qū)域樁長(zhǎng)分別為19 m、24 m；別墅區(qū)域樁長(zhǎng)差異較大，分別為13 m、14 m、19 m、20 m。因出土條件變化需在已施工的基樁上進(jìn)行大面積堆土，堆土前各相關(guān)部門認(rèn)同大面積堆土?xí)鹑后w基樁的沉降，但因堆土前未規(guī)劃好堆土的時(shí)間、厚度和范圍，待清理堆土開挖堆土區(qū)域的樁基礎(chǔ)后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域造成了較大的基樁沉降事故，堆土過(guò)程中出現(xiàn)地下水滲出現(xiàn)象，開槽后發(fā)現(xiàn)樁頂標(biāo)高出現(xiàn)不均勻下沉，各棟號(hào)樁數(shù)及基樁沉降見表1。堆土1 區(qū)域11#、18#、20#洋房區(qū)堆土?xí)r間約110天，堆土范圍長(zhǎng)約165 m，寬約75 m，堆土厚度約4 m，該區(qū)域內(nèi)堆土后，洋房區(qū)域各樓棟基樁沉降為55～390 mm。堆土2 區(qū)域40#-47#別墅堆土?xí)r間約90天，堆土范圍長(zhǎng)約105 m，寬約90 m，區(qū)域中心堆土厚度約4 m，區(qū)域邊緣堆土厚度約2.8 m，堆土厚度變化較大，別墅區(qū)域各樓棟基樁沉降為50～670 mm，基樁實(shí)測(cè)沉降較大且離散性較大，單體建筑物中基樁沉降最大差值高達(dá)510 mm?；鶚冻两祵?shí)測(cè)值及其離散性之大遠(yuǎn)超以往工程經(jīng)驗(yàn)，考慮到土方堆載的無(wú)序性和基樁施工過(guò)程中存在諸多不確定性，因此有必要對(duì)基樁沉降量及其離散性進(jìn)行綜合分析和研究。

2 誘發(fā)基樁沉降的原因和相關(guān)性分析

該工程基樁沉降與建筑物中基樁沉降不同，建筑樁基沉降分析的對(duì)象是建筑物基礎(chǔ)與基樁形成整體后的沉降，由于樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，建筑物在豎向荷載作用下發(fā)生沉降時(shí)，基礎(chǔ)沉降具有較強(qiáng)的規(guī)律性且沉降差異與理論分析基本吻合。建筑工程如發(fā)生大面積堆土一般會(huì)根據(jù)工程條件選擇相應(yīng)措施：設(shè)置架空層、采用輕質(zhì)材料等措施減小填土質(zhì)量或采用補(bǔ)償式基礎(chǔ)，適當(dāng)擴(kuò)大基礎(chǔ)面積；采用砂井、排水板等輔助排水措施，加速地基土的排水固結(jié)；對(duì)鄰近大面積堆土的已建建筑物應(yīng)采取設(shè)置隔離屏障、基礎(chǔ)托換等保護(hù)措施。

本工程基樁的沉降發(fā)生在基樁施工后、基礎(chǔ)承臺(tái)施工前，根據(jù)圖2，地層變化較小，堆土后樁頂沉降差異性卻較大。因堆土是本場(chǎng)地其他區(qū)域的基坑土，不同樁頂?shù)亩淹量赡茉谕馏w的結(jié)構(gòu)、成分、塊體大小及土體的狀態(tài)等不盡相同，導(dǎo)致樁頂受力、刺入等不同，所以差異較大。由于施工條件的不確定性，土方堆載的范圍、厚度和時(shí)間沒(méi)有確切的規(guī)劃，堆土撤除的時(shí)間根據(jù)基坑回填的需要而定，無(wú)明確的規(guī)律性。因大面積堆土的無(wú)序性，同時(shí)考慮基樁施工過(guò)程中的不確定性，只能結(jié)合實(shí)測(cè)及計(jì)算綜合分析，梳理基樁沉降量和離散的原因。

2.1 按現(xiàn)有規(guī)范中沉降計(jì)算分析原因

結(jié)合前述堆土的范圍及基樁數(shù)據(jù)，根據(jù)《天津市巖土工程技術(shù)規(guī)范》（DBT 29-20-2017）[20]（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）中“5.3 條變形計(jì)算”，利用分層總和法計(jì)算出地基變形量，并可根據(jù)規(guī)范中“附錄D”計(jì)算沉降等效影響深度。

堆土區(qū)域1 洋房樓座的工程樁樁長(zhǎng)為19 m，堆土區(qū)域2 別墅樓座的工程樁樁長(zhǎng)為13 m、19 m 兩種。經(jīng)計(jì)算，堆土區(qū)域1 洋房堆土區(qū)域沉降影響深度為50.75 m，別墅堆土區(qū)域沉降影響深度為49.68 m，均超過(guò)工程樁樁身長(zhǎng)度，工程樁的樁端亦在堆土沉降影響范圍，地基土因堆土?xí)a(chǎn)生沉降，不同的深度沉降不同，基樁樁側(cè)不同深度會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)摩阻力，從機(jī)理上可定性為土體在堆載下沉降，從而下拉基樁。規(guī)范中的沉降計(jì)算公式針對(duì)的是樁基礎(chǔ)的沉降，而本工程大面積無(wú)序棄土是堆在自然地基土的地面，因工程樁的長(zhǎng)度和樁頂高程差異較大，僅可算出大面堆載引起土體的沉降，因無(wú)基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)作用，無(wú)法計(jì)算出各基樁的沉降。樁間土和基樁的傳力機(jī)理及中性點(diǎn)的計(jì)算及負(fù)摩阻力產(chǎn)生沉降的機(jī)理和研究較成熟，不再贅述。

2.2 沉降相關(guān)性分析

該大型建筑工程共51 個(gè)單體建筑，總樁數(shù)約6563根，除發(fā)生沉降的11 棟單體以外，其他40 棟建筑物的基樁實(shí)測(cè)高程基本在規(guī)范允許偏差范圍內(nèi)。洋房部分區(qū)域（11#、18#、20#樓）及別墅部分區(qū)域（40#-47#樓）先進(jìn)行樁基施工，后進(jìn)行堆土，開槽后均出現(xiàn)樁頂不均勻下沉，而在其余樓座及地庫(kù)等未堆土區(qū)域，樁頂標(biāo)高均在規(guī)范允許偏差范圍內(nèi)。部分樓棟部分區(qū)段處在堆土區(qū)，因而更能反映堆土與過(guò)大沉降的相關(guān)性，以11#樓為例，樁基在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)施工完成，而后對(duì)該區(qū)域進(jìn)行堆土，堆土區(qū)域涉及到11#樓右側(cè)，11#樓左側(cè)未堆土，堆土區(qū)域（右側(cè)）樁頂標(biāo)高出現(xiàn)不均勻下沉，未堆土（左側(cè)）區(qū)域樁頂標(biāo)高均在規(guī)范允許偏差范圍內(nèi)。在該區(qū)域同類型的洋房1#、2#、19#樓的工程樁及地庫(kù)樁是在清理堆土區(qū)1 后施工，該區(qū)域洋房區(qū)域各樓棟沉降區(qū)間為10～50 mm，表明基樁沉降與堆土具有高度的關(guān)聯(lián)性。

2.3 按平均值分析單體建筑沉降相關(guān)性

表1 中所列出的各樓座基樁沉降實(shí)測(cè)值離散性較大，在一定程度上反映出該項(xiàng)目大面積堆土具有高度的無(wú)序性。該項(xiàng)目缺少堆土規(guī)劃和記錄，但可通過(guò)施工過(guò)程中留存的照片和日志大致還原堆土的范圍和厚度。結(jié)合基樁樁頂?shù)母叱虒?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，還原堆土與樁基施工的關(guān)系，并以各建筑單體所有樁的沉降平均值為分析樣本，分析其規(guī)律性，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各樓座樁群平均沉降與樓座中心距堆土中心距離關(guān)系見圖3。因洋房堆土區(qū)厚度為4 m，樁群平均沉降大小與建筑物中心點(diǎn)距堆土中心點(diǎn)距離具有高度的相關(guān)性，接近線性分布，即距離近的沉降大，距離遠(yuǎn)的沉降小，具有較強(qiáng)的規(guī)律性。別墅區(qū)因堆土的厚度變化較大，按單體分析的數(shù)據(jù)規(guī)律性不如洋房區(qū)，但總體趨勢(shì)與沉降機(jī)理基本吻合。

各樓座樁群平均沉降與堆土邊緣距樓座中心的距離見圖4，樁頂平均沉降值的基本規(guī)律為堆土邊緣的沉降小，堆土中心的沉降大。如表1、表2 所示，開槽后11#、18#、20#樓（洋房）及40#-47#樓（別墅）樁頂出現(xiàn)不均勻沉降，其中18#、41#樓為土方出入口位置，工程機(jī)械頻繁出入，其沉降量較區(qū)域內(nèi)其他樓棟處相對(duì)較大。其余樓座及地庫(kù)等未堆土區(qū)域，樁頂標(biāo)高均在規(guī)定范允許范圍內(nèi)。以別墅為例，13 m 基樁沉降量為78.7～264.6 mm，19m基樁沉降量為100～230.3 mm。相同區(qū)域中基樁沉降量也呈現(xiàn)較大的離散性。

表2 別墅區(qū)域樁長(zhǎng)平均樁頂沉降對(duì)比表

圖4 樁頂平均沉降與堆土邊緣距樓座中心距離關(guān)系

3 有限元分析

3.1 模型建立概況

采用有限元軟件PLAXIS3D 進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，通過(guò)打樁和堆載過(guò)程的數(shù)值模擬，分析大面積堆載對(duì)樁產(chǎn)生沉降的影響。本次建模選取別墅區(qū)40#-47#共八棟樓進(jìn)行計(jì)算分析。

計(jì)算模型如圖5 所示?？紤]邊界條件的影響，本次模擬模型大小采用300 m×300 m×60 m，結(jié)合實(shí)際堆土、樁位及樁長(zhǎng)輸入相關(guān)位置。本次模擬的結(jié)構(gòu)尺寸均為設(shè)計(jì)圖紙上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，樁長(zhǎng)為13 m 和19 m，樁徑0.4 m，堆土厚度4 m。共劃分為21806 個(gè)網(wǎng)格單元，40222 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中對(duì)樁體結(jié)構(gòu)重點(diǎn)細(xì)分。

數(shù)值模擬分析過(guò)程中，應(yīng)盡可能保證模型與實(shí)際工程相符的計(jì)算環(huán)境，由于受參數(shù)和邊界條件等限制，需要對(duì)地層及結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分簡(jiǎn)化和近似處理，以適應(yīng)計(jì)算理論和軟件，本次計(jì)算基本假定包括：

（1）認(rèn)為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)；

（2）計(jì)算中忽略構(gòu)造應(yīng)力，將初始應(yīng)力場(chǎng)假定為自重應(yīng)力場(chǎng)；

（3）所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性；

（4）由于長(zhǎng)時(shí)間堆載，并且地表出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，計(jì)算按照塑性排水計(jì)算類型計(jì)算。

3.2 參數(shù)選取及工況設(shè)置

本構(gòu)模型的選取直接影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。土的本構(gòu)模型大體上可以分為彈性模型、彈塑性模型、粘彈塑性模型、內(nèi)時(shí)塑性模型以及損傷模型幾類。

本次計(jì)算土體選取可考慮土體小應(yīng)變的HSS 模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型模擬。表3 所示土體參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告和文獻(xiàn)[21-22]取值。工程樁結(jié)構(gòu)采用嵌入樁單元模擬，混凝土結(jié)構(gòu)重度均為25 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比取0.2。工況設(shè)置為：使用K0法自動(dòng)平衡地應(yīng)力，打工程樁，地面堆載。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

PLAXIS3D 三維有限元分析雖難以模擬出堆土中土體結(jié)構(gòu)與分布，計(jì)算結(jié)果中的基樁沉降離散性對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較小，但能夠計(jì)算實(shí)際工程中難以測(cè)得的數(shù)據(jù)，例如深層土體的沉降、樁側(cè)摩阻力等，進(jìn)而從更深層次揭示堆土引起樁體沉降的原因及其機(jī)理。

地表變形如圖6 所示，在堆載中心處最大地表沉降量為340 mm，打設(shè)樁的位置沉降較小，樓棟之間沒(méi)有樁的位置沉降較大。在樁頂沉降中，堆載中心位置的基樁最大樁頂沉降量223 mm，為41#樓的13 m樁；位于堆載邊緣的基樁中，最小沉降量61 mm，為40#的19 m樁，區(qū)域基樁沉降量與實(shí)測(cè)沉降量平均值相差不大，驗(yàn)證了有限元分析的合理性。

圖6 地表變形云圖

選取樁底深度處-19 m 和-55 m 的深層土體沉降進(jìn)行分析，-19 m 處的土體沉降云圖如圖7 所示。-19 m 處最大土體沉降仍有118 mm，從堆載中心向外逐漸減??；-55 m 堆載中心處土體沉降仍有1.6 mm，但空間分布較為均勻，計(jì)算域內(nèi)沉降差最大為2 mm，表明堆載的影響區(qū)深度較大，與規(guī)范中給出的50 m影響深度也較為吻合。

圖7 樁底深度處（-19 m）土體沉降云圖

選取上文中樁頂沉降最大和最小的兩基樁進(jìn)行樁側(cè)摩阻力計(jì)算分析，如圖8 所示，土體的大幅度沉降，在樁上部產(chǎn)生了向下的負(fù)摩阻力，是樁產(chǎn)生向下沉降的最主要因素，兩基樁上部最大負(fù)摩阻力相差一倍，是區(qū)域內(nèi)基樁沉降離散性較大的主要原因。

圖8 樁側(cè)摩阻力圖

4 結(jié)論

（1）在已施工完成基樁上方進(jìn)行大面積堆土，可引起基樁沉降。按區(qū)域分析基樁沉降趨勢(shì)基本符合軟土地區(qū)大面積堆土的沉降規(guī)律，但因無(wú)基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)作用，以及受基樁本身的施工時(shí)間、樁長(zhǎng)、排水條件、堆土厚度、受力、刺入及所在位置等因素影響，在單體建筑區(qū)域中基樁沉降量存在較大的離散性。

（2）采用PLAXIS3D 三維有限元軟件對(duì)區(qū)域大面積堆載進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：在堆土中心處的地表沉降及樁頂沉降最大，與無(wú)樁區(qū)域相比，打樁區(qū)域的地表沉降較小；數(shù)值模擬得出的沉降影響深度與規(guī)范相符；堆土引起樁周土對(duì)樁身上部的負(fù)摩阻力差異是基樁沉降離散性較大的主要原因。

（3）經(jīng)對(duì)該項(xiàng)目的基樁沉降和沉降差異性的成因進(jìn)行綜合分析和有限元模擬，對(duì)大面積無(wú)序堆土引起基樁沉降進(jìn)行研究，該工程結(jié)合樁的實(shí)際沉降情況將部分承臺(tái)進(jìn)行了加深處理。