群桩挤土效应的数值模拟

　第28卷第6期　2000年12月

同济大学学报

JOURNA L OF T ONG J I UNIVERSITY

V ol. 28N o. 6Dec. 2000

群桩挤土效应的数值模拟

周　健, 徐建平, 许朝阳

(同济大学地下建筑与工程系, 上海　200092)

摘要:以上海市江宁路551号大楼的打桩工程为实例, 以有限元方法为主要分析手段, 对群桩地表的隆起、桩周

土体的侧移、挤土产生的应力及其对周围桩体的影响等挤土效应的变化规律进行了详细研究. 关键词:群桩; 数值模拟; 隆起; 侧移; 挤土应力中图分类号:T U 473　　文献标识码:A 　　文章编号:0253-374X (2000) 06-0721-05　　

Numerical Analysis of Heave and Driving

ZHOU Jian , XU --(Department of G , , Shanghai 200092, China )

Abstract :Building No. 551, Jiangning R oad , Shanghai , the FE M is used to anal 2yse ground , displacements of s oil around piles , stress of pushing against s oil and the in flu 2ences on the are studied in detail.

K ey words :piles ; numerical simulation ; ground heave ; lateral displacement ; stress of pushing against s oil

　　目前在群桩挤土效应理论研究尤其是群桩挤土应力、应变及位移场的解析方法的研究方面的进展较缓慢. 本文结合某群桩工程, 采用普通弹塑性模型来模拟土体的本构关系, 并设置G oodman 接触面单元, 具体分析了群桩挤土过程中土中的应力和位移变化规律.

1　工程概况

上海市江宁路551号高层住宅楼主体15层, 局部16层, 占地约800m 2. 基础为预制钢筋混凝土方桩, 桩尖嵌入暗绿色硬粉质粘土层. C30混凝土桩身断面45cm ×45cm , 桩基分别为2416m (294根) 、2312m (29根, 其第二节为1019m ) , 电焊接桩. 桩距一般为116m 和210m , 桩身总断面约占场地面积8%.采用K-35型柴油锤锤击沉桩, 自1986年7月1日开始, 至8月26日结束, 日沉桩最高达15根. 沉桩流水见图1.

该工程距离最近相邻建筑仅5～7m , 与康定路上

率, 一般限制在6根・d -1内. 为保护上水管道, 打桩采用由南向北、由西向东的流水. 监测目标主要为地面水平线、建筑物水平位移及标高、自来水管线标高、地基土深层侧向位移及孔隙水压力. 部分测点布置如图1所示.

场地土层特性如表1[1]所示, 地下水位埋深约018m. 地层剖面中第3层淤泥质粉质粘土和第4层淤

收稿日期:1999-

07-13

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(59738160)

) , 男, 浙江临海人, 教授, 博士生导师, 工学博士. 作者简介:周　健(1957-　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　同　济　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第28卷722

泥质粘土是受沉桩挤压影响的关键层位, 其厚达12～13m , 含水量超过50%, 密度1170g ・cm -3左右, 孔隙

φ=7°比1140以上, 液性指数大于110, 饱和度接近100%, 压缩系数大于011cm 2・kg -1, ～8°,C =0109kg ・

-2

cm 。具有饱和、流动、高压缩性、低强度特点的这两层土, 总厚度较大, 在一定量混凝土桩挤入的情况下, 很可能由于孔隙压力急剧上升而进入完全流动状态, 且固结较慢。因此, 监测工作的重点应集中在这两层土上。同时, 在淤泥质粘土、粉质粘土层中夹有薄层粉砂, 在沉桩过程中, 沿桩身四周和观察孔壁都有粉砂颗粒冒出, 证明了该层土的孔隙压力升高是明显的。泥质粘土是受沉桩挤压影响的关键层位, 其厚达

-3

12～13m , 含水量超过50%, 密度1170g ・cm 左右, 孔隙比1140以上, 液性指数大于110, 饱和度接近

2-1

100%, 压缩系数大于011cm ・kg φ, =7°～8°, C =01009MPa. 具有饱和、流动、高压缩性、低强度特点的这两层土, 总厚度较大, 在一定量混凝土桩挤入的情况下, 很可能由于孔隙压力急剧上升而进入完全流动状态, 且固结较慢. 因此, 监测工作的重点应集中在这两层土上. 同时, 在淤泥质粘土、粉质粘土层中夹有薄层粉砂, 在沉桩过程中, 沿桩身四周和观察孔壁都有粉砂颗粒冒出, 证明了该层土的孔隙压力升高是明显的.

表1　地基土的物理力学性质指标

T ab. 1　Physical and dynamical indexes of found ation soil

层序

123

土层名称填土褐黄色粘土灰色淤泥质粉质粘土

灰色淤泥质粘土暗绿粉质粘(硬)

草黄粘质粉土砂质粉土褐灰色粉质粘土

厚度/m

112～218016～212217～518

层底标高/m

1141～-0. 16

含水量/

%密度/塑性压缩系数/

-3孔隙比(g ・指数(cm 2・cm ) kg -1) 压缩模量/内摩擦角/

(°) 内聚力/

MPa

-0159～-0182　3519-4149～-6. 501　1185

[1**********]01

4121426

　1013

813

　01016

01009

　

7. -121-00

6

1. 691. 852. 01

1. 450. 970. 67

22. 114. 816. 1

0. 1080. 0420. 024

2. 2504. 6917. 310

7. 012. 714. 9

0. 0090. 0110. 034

4561

5024. 30～-24. 9933. 42. 0～4. 7

-27. 99～-29. 1923. 1

　

2. 0～4. 59. 9～12. 0

-30. 36～-32. 9931. 2-40. 41～-42. 3629. 9

1. 871. 881. 84

0. 910. 861. 04

19. 76. 717. 0

0. 0170. 0150. 030

10. 68011. 7606. 810

22. 826. 313. 8

0. 00800. 018

6278

未穿透未穿透36. 7

　　监测共设3个孔隙水压力测孔, 采用钢弦式孔隙水压力计、数字式频率仪测定孔压变化; 设3个测斜

孔, 用测斜仪量测深层土体的侧向位移, 孔C1

,C2深8m , 孔C3深16m ; 设水管管线标U1,U2观测自来水管线的标高变化; 同时还布置了若干位移沉降标. 在沉桩过程中, 对场地及西侧印染机械厂厂房还进行了振动监测; 同时, 在沉桩过程中还对周围建筑物的裂缝及损坏情况进行了调查与监测.

图1　沉桩流水图

　Fig. 1　Sketch of construction flow process of driving piles

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2　数值模拟的简化

211　计算网格的划分

根据现场条件, 本文取图1中的I —I 断面进行有限元计算. 为了更好地对比计算结果与监测结果, 在此选用了1986年7月30日(第五排桩施工结束) 和1986年8月11日(第七排桩施工结束) 的监测数据. 为克服有限元程序的局限, 计算中作了近似处理, 因第六排桩与第七排桩桩数较少, 且桩间距较大, 可将两排桩视作一排, 桩位设于中点. 计算区域向下延伸到地表以下50m 处, 侧向扩展到离沉桩中心线80m 处. 计算模型及计算边界条件如图2所示, 有限元分析时划分了332个单元,991个结点, 其中八结点等参单元239个, 接触面单元93个. 具体有限元网格划分情况略. 212　施工过程的数值模拟

可按下述步骤模拟施工过程:①施加自重应力, 计算初始应力场; ②工况1:6m , 则第1工况由地下-610～-1213m 水平挤土2215cm ; ③工况2:-12132215cm ; ④工况3:由地下-

18. 3～2416m 水平挤土2215cm.

3　:; ②土体侧向位移; ③挤土应力. 地表隆起、

土体侧移对, 而挤土产生的应力会使已施工桩产生折断或上拔, 故也应受到重视. 311　图3中的折线为计算所得之土体位移曲线示意图, 由该图可清楚地看出挤土时的位移趋势.

图4为测斜孔C1处的计算结果曲线及监测成果曲线. 由于测斜管较短, 可能随土体的侧移而整体移动, 因此测得的侧向位移是相对于测斜管底部的位移

, 只能比较两组曲线的趋势. 对比表明, 两组侧移曲线的趋势基本一致. 有限元计算结果比实测结果大得多, 且最大侧移的发生面也相应下移. 引起误差的原因是多方面的, 如监测误差、计算时的某些假定与简化条件、原始参数的离散性和参数的输入误差等. 计算结果还表明, 侧向位移主要产生于第3层淤泥质粉质粘土及第4层淤泥质粘土中, 其主要原因为:①在打桩前预钻孔6m ; ②部分土体隆起, 故侧向位移主要发生在6～16m 范围内, 而预钻孔范围内的侧向位移明显减小. 这一点也与测斜管C3测得的结果相似.

图2　计算模型及边界约束示意图(单位:m)　Fig. 2　Sketch of calculation model and constraint condi 2

tion (unit :m)

图3　计算所得的土体位移曲线

　Fig. 3　C alculated curves of soil displacement

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　同　济　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第28卷724

312　地表隆起

31211　地面隆起曲线的模拟

图5为实测和计算的地表隆起曲线. 实测得到最大隆起为41100mm , 计算得到最大隆起为51338mm. 图5表明, 地表隆起量的变化规律都是近桩处大, 远桩处逐渐减小. 计算的隆起曲线在桩区范围内起伏较大, 主要是因为在桩体和土体之间设有接触面单元, 土体与桩体之间存在相对滑移, 因而地表变形的计算结果受到了影响. 这与实际情况相符, 实际工程统计结果表明[2], 一般情况下, 当桩距较小时, 打桩会出现一根桩打下而另一根桩上拔的现象, 桩侧土体随之变形, 地表隆起曲线将呈现不规则性

.

图4　土体侧移实测及计算曲线

　Fig. 4　Measured and calculated curves of soil

placement

ment

图　heave of soil lateral displace 2

31212　明[1], , 打桩区南侧(康定路一侧) 位移梯度较大, 而东侧(江宁路一侧) 位移梯度较小, 这主要是由地面约束条件的差异造成的. 也就是说, 地表变形受周围建筑物的影响, 建筑物较密集的江宁路一侧变形较小, 而沿康定路方向路面较宽, 位移梯度较大, 对该方向上的管线非常不利. 本沉桩工程中先打入的桩对后打入桩的挤土作用的阻隔不明显, 这是因为现场厚达12～13m 的淤泥质粘土、粉质粘土的土质条件差, 由于打桩的扰动使得桩体附近土层呈浆状(已由现场冒出的泥浆所证实) , 先打入的桩对涨浆的流动阻隔作用微小, 此时地表隆

起将主要取决于测点与打桩位置之间的距离, 这也是康定σx 等值线图(单位:kPa) 图6　路一侧地表产生较大隆起的原因. Fig. 6　Isogram of σx (unit :kP a) 31213　水平位移及其规律

实测资料[1]及计算结果(见图3) 表明, 尽管本打桩工程的施工采取了钻打方式(预钻深度为6m ) , 且在工地周围挖了防挤沟, 防挤沟外侧地表的水平位移仍较大, 且随着至打桩部位距离的增大而减小. 这主要是因为地表6m 下的土体由于桩的侧向挤压作用产生了斜向上方的位移, 使得地表也产生了相应的水平位移. 此外, 水平位移与地表约束密切相关. 在图1中⑤、⑥位置附近为一栋五层砖混结构, 约束作用较强, 故水平位移值较小; 而在图1中①、③位置附近为二层砖木结构, 水平约束作用较弱, 故水平位移较大. 313　土体中的应力分布

桩体挤土结束后, 土中应力重新分布. 以土体水平应力σx 为例, 如图6所示, 沉桩结束后的土体水平应力场σx 等值线仅在压桩范围内产生较严重的应力集中现象, 在桩体范围外除离桩较近处略有起伏外, 其它地方σ“屏障”作用,

所以x 均大致与地面平行. 这是由于相邻桩的影响, 其刚度较大, 对应力场起到了压桩范围内外的应力场差异较大. 竖向应力场σ剪应力场τy 、xy 的等值线与σx 的分布规律基本类似. 314　挤土对周围桩体的影响31411　桩体中的应力分布

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στ图7～图9分别为桩体受到的σx , y , xy 随深度变化的曲线图. 图7表明, 有邻桩压入时, 与之相邻的已压入桩除桩顶部位外, 均受到压应力作用, 且压应力随深度的增加而增加; 图中显示桩顶侧面受到了拉

σσ应力的作用, 而事实上桩侧σx 不可能大于零, x 大于零说明桩与土已完全脱开. 图8表明, y 的数值在13

m 深度以上为拉应力, 其下为压应力, 这是桩侧摩阻力与桩体自重应力叠加的结果. 在桩体上部, 土体的竖向位移小于桩体的竖向位移, 土体对桩体施加了向上的摩阻力, 故受到拉压力的作用; 而在桩体下部, 土体的向下位移或其隆起比桩体的轴向变形小, 可以认为土体对桩体施加了向下的侧摩擦力(即抗拔力) , 故受到轴向压力的作用. 图9则进一步证明了以上的判断, 即在桩体的上部(图中为815m 以上) 受到向上的剪应力作用, 而在815m 以下则受到向下的剪应力作用. 31412　桩体的侧向变形

由图10可见, 桩体侧向变形在桩体的1/2桩长处最大, 且其变形有一折点. 综合考虑桩体的轴向变形和侧向变形可知, 用沉桩前预钻孔的方法将使得桩体的易断部位下移, 故实际施工过程中预钻孔6m , 对桩体的影响不大, 其作用主要是减少沉桩对浅层地基的不利影响

.

x

Fig. 7of σx ch anging with

depth

σy 随深度变化曲线图图8　

Fig.

8　Curves of σy ch anging with depth

τ图9　xy 随深度变化曲线图

Fig. 9　Curves of τxy ch anging with depth

图10　桩体侧向变形曲线图

Fig. 10　Curves of lateral displacements of piles

4　结论

通过对比数值模拟结果和实测资料, 可以得到群桩挤土效应的几点结论:

(1) 施工前预钻孔可以明显地减少浅层土体的侧移和隆起, 以及相邻桩的隆起.

(2) 地表隆起量的变化规律是近桩处大, 远桩处逐渐变小; 地表隆起量还受到相邻建筑物的影响.

(3) 侧移主要产生于第3层淤泥质粉质粘土夹淤泥质粘土及第4层淤泥质土中; 侧移与地表约束密切相关, 约束作用强, 侧移小, 反之则大.

(4) 由于刚度较大的邻桩对应力场的屏障作用, 造成桩范围内外的应力场差异较大, 且仅在压桩范围内存在应力集中现象.

(5) 有邻桩压入时, 与之相邻的已压入桩体除桩顶部位外, 在水平方向上均受到压应力作用, 且压应力随深度增加而增大; 在垂直方向上, 由于已压入桩的桩侧摩阻力与桩体自重应力的叠加作用, 其上部将受到拉应力的作用, 而下部则受到压应力的作用; 桩体的侧向变形在1/2左右桩长处最大. 参考文献:

[1]　许朝阳. 软粘土中沉桩挤土效应的模型试验研究及数值模拟[D].上海:同济大学地下建筑与工程系

,1999. [2]　樊良本. 关于打桩引起的土体位移及土中应力状态变化的探讨[D].上海:同济大学地下建筑与工程系,1981.