静压桩挤土效应现场试验及数值模拟分析
静压桩挤土效应现场试验及数值模拟分析
朱丽红1，陈晨1，殷琨1，李红慧2
（1. 吉林大学建设工程学院，吉林 长春130026；2. 辽宁省工程勘察研究院，沈阳110000） 摘要：由于桩基础的大规模应用，静压桩挤土效应对周围环境产生的影响引起了人们广泛的注意。针对挤土效应难监测等方面存在的问题，本文给出了符合长春地区土层的现场数据监测技术，并将该技术应用于长春明珠会所静压桩施工工程。结合工程实例，建立有限元模型，采用数值模拟方法，通过桩土界面的接触及施加位移载荷来实现压桩过程，运用得到的数值模拟结果对静压桩产生的位移场进行了分析，给出了随着深度的增加沉桩位移的变化规律，同时验证了该监测技术的准确性。为今后提高工程综合效益具有较大的意义。 关键词：静压桩；挤土效应；现场试验；数值模拟
联系方式：吉林大学朝阳校区建设工程学院2007级博士，朱丽红
电话：[1**********] 信箱：[email protected]
作者简介：朱丽红（1982—），女，吉林省桦甸市人，吉林大学2007级博士，地质工程专业，从事多工艺冲击回转钻进技术研究。
通信地址：吉林大学朝阳校区建设工程学院2007级博士 邮编130026。
【基金项目】建设部科技项目（05-k1-22）
Field Test and Numerical Simulation on Soil Compaction Effect
of Static pressure pile
ZHU Lihong, CHEN Chen, YIN Kun, LI Honghui
(1 College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun, Jilin 130026, China； 2 .Liaoning institute of geotechnical investigation, Shenyang 110000, China)
Abstract : Due to the large-scale applications of the pile foundation, the influence on its surrounding environment caused by the compaction effect of static pressure pile has been drawn widely attentions. In the view of the uncontrollability of auditing process, the paper mainly expounds a field data monitoring technology which is specialized in accord with the soil of Changchun area, and the technology has been used for the ChuangchunMingZhuhuisuo static driving piles construction. Joining the engineering example, by building the finite element model and using numerical simulation method, the pile driving process is obtained through the pile-spoil interaction and displacement loads. It is analyzed the displacement field in terms of numerical simulation results, and got the variation law of sinking pile displacements with the increased depth which is proven that the monitoring technique is of the most reliability. It is meaningful to improve the engineering comprehensive benefit in future.
Key words: static pressure pile; compaction effect; field test; numerical simulation 1前言
在城市基本建设过程中，一些工程活动对工程环境所产生的不良影响引起了人们越来越多的关注。静压桩施工由于其噪音小、无泥浆污染、沉桩速度快等优点而获得日益广泛的应
用。然而，静压桩施工过程所产生的挤土效应会对周围的工程环境造成相当严重的影响（陈文等，1999）。基于静压桩挤土效应的负面影响，人们迫切需要对静压桩的挤土效应有较为明确的认识。因此了解并掌握静压桩的挤土效应对桩周围工程环境的影响规律，以便采取有效的防范措施，不仅有利于减小静压桩对周围工程环境的不良影响，也有利于提高静压桩工程本身的质量和施工进度，在地基工程建设中具有重要的现实意义（屠海青等，2004）。本文将结合位于卫星广场东南角的长春明珠会所静压桩工程，研究静压桩挤土效应的监测方法，控制其对周围环境产生的影响。
2现场监测
2.1 工程概况
长春明珠会所超市位于长春市卫星广场交汇处东南角，长春明珠居住小区内，总建筑面积约为26942.6平方米。包括A 座和B 座两个部分，其中A 座地上一至四层，为餐饮中心和写字楼，B 座地上一至五层，为专业商店、洗浴中心和游泳馆，地下室两层，最深处垫层底标高为-10.500 m，整个基坑平面呈长134m ，宽50m 的不规则形状，地下室二层车库入口处开挖深度为-10.500 m，其余部分为-9.300 m。周边场地平面布置图如图1所示。
图1 长春明珠会所静压桩工程周边场地布置图
2.2 工程地质条件
建筑场区位于长春市波状平原前缘和伊通河一级阶地交汇带，区域内冲沟极为发育，场区内现地势较平坦，相对最大高差2.71米。该场地勘察控制性钻孔最大深度为22m ，根据
钻孔揭露情况，按照沉积年代、成因类型及岩性，勘察深度范围内地层自上而下依次为：
杂填土①层：杂色，大部分上部地段结构松散，含较多的炉渣、碎砖、块石等，层厚1.00～12.70 m；
粉质粘土②层：灰黑色，主要为原腐植质老耕土，软塑，高压缩性，层厚0.00～2.70 m； 粉质粘土③层：灰绿色，有的地段为黄褐色，可塑，中压缩性，层厚0.00～5.10 m； 粘土④层：黄褐色，褐黄色，硬塑～坚硬，中低压塑性，层厚：7.00～13.00米。 粘土⑤层：褐黄色，坚硬，有的为高粘性土，低压缩性。层厚：8.00～9.00米。
泥岩：强风化，棕红色，上部0.50～1.00米为全风化层，坚硬，低压缩性，最大揭露厚度5.00米。各土层物理力学指标见表1。
表1 各土层物理力学性质指标
土层名称
杂填土1
杂填土2
粉质粘土1
粘土 比重 KN/m³ 17.00 18.00 19.20 20.00 粘聚力 KPa 5.00 10.00 40.00 50.00 内摩擦角 ° 9.0 18.0 24.0 25.0
2.3现场监测方案
在长春明珠会所静压桩基础工程中，静压PHC 管桩410根，桩型为PHC-A400（95）-22，计8668m 。基坑根据地层变化情况可分为AB 、BC 、CD 、CD-1、CD-2、DE 、EA 和EA-1段。其中CD-1、CD-2段靠近长春明珠小区的两栋11层居民楼，CD 段与东西走向的轻轨邻近，这几段的挤土效应影响尤为严重。其余部分则正对着卫星广场，比较空旷，挤土效应的影响不是很严重。本次观测从2005年3月10日至2005年6月28日，经历了开始静压桩直到场地开挖前的整个过程，共设置测斜管4根。
根据岩土工程勘察报告中记录，勘察取样时采用的是DPP-100汽车钻机。所以钻孔直径定为Φ=100mm ，测斜管选为CX-92。其规格参数见表2。
表2 测斜管规格参数表 单位：mm
外径
型号 内径 梯形导槽 导 外面不对称二凹槽 槽
上口 下口 深
6 4.5 2 宽 深 基本 允许 基本 允许 尺寸 偏差 尺寸 偏差 CX-92 92 +0.2
0 80 +0.2
0 3 2
由于该地层变化复杂，基坑分为八段。以CD 段（长89米紧邻轻轨）为例来设计观测点剖面图。静压桩孔口如图2所示。
图2 静压桩孔口图
2.4 测斜仪的安装
从地表算起静压桩入土深为12.3m ，根据地层条件及长春地区经验确定桩端以下0.7m 处土的位移值为零，即钻孔深为13m 。成孔偏斜度不允许大于1度，然后将测斜管底部装上底盖，逐节组装，并放入钻孔内。安装测斜管时，随时检查其内部的一对导槽，使其始终分别与坑壁走向平行。管内注入清水，沉管到孔底时，即向测斜管与孔壁之间的空隙内由下而上逐段用细砂填实，固定测斜管。测斜管固定完毕后，用清水将测斜管内冲洗干净，将探头模型放入测斜管内，沿导槽上下滑行一遍，以检查导槽是否畅通无阻，滚轮是否有滑出导槽的现象。由于测斜仪的探头十分昂贵，在未确认测斜管导槽畅通时，不允许放入探头。测量测斜管管口坐标及高程，做出醒目标志，以利保护管口。现场测量示意图见图3。
图3 测斜仪埋设剖面图
2.5 土体位移监测
长春明珠会所超市静压桩基础工程的静压桩质量检查结果在六月末才能出来，其中包括静载试验和基坑开挖土的变形关测。目前为止所做的试验桩有74号桩、186号桩、233号桩，所有试验桩的沉降量均满足要求。连接探头和测读仪，将探头插入测斜管，使滚轮卡在导槽上，缓慢下至距离孔底0.5m 处，探头应在该处停留5分钟，以便在孔底的温度下稳定。注意不要把探头降到套管的底部，以免损伤探头。测量自下而上地沿导槽全长每隔0.5m 测读一次。为提高测量结果的可靠度，每一测量步骤中均需一定的时间延迟，以确保读数系统与环境温度及其他条件平稳。 测量完毕后，将探头旋转180°，插入同一对导槽，按以上方法重复测量，前后两次测量时的各测点应在同一位置上；在这种情况下，两次测量同一测点的读数绝对值之差应小于10%，且符号相反，否则应重测本组数据。用同样的方法和程序，可以测量另一对导槽的水平位移。 侧向位移的初始值应取基坑降水之前，连续3次测量无明显差异之读数的平值。 观测间隔时间取定为3d 。当侧向位移的水平位移速率有明显加大时，加密观测次数。
3 静压单桩挤土效应的数值模拟分析
3.1. 基本假定
(l)采用总应力法进行分析计算（谢贻权等，1981）；
(2)根据实际沉桩过程，为简化计算，以二维轴对称问题模拟；
(3)钢筋混凝土桩，采用八节点二维轴对称单元；
(4)各层土体都是均质的连续的弹塑性体，符合Drucker-Prager 模型，考虑几何非线性和接触非线性，采用八节点二维轴对称单元（高晋，2000）；
(5)桩与土界面采用的是面-面摩擦接触单元，接触面的摩擦类型为库仑摩擦；
(6)桩与土一旦接触，法向就不再分离，切向可以滑动（吴湘兴等，1997）；
(7)计入土体自重应力场的影响；
(8)土层交界面处位移连续，即土层间不发生错动或脱开。
以桩与土间渗透不超过0.755%桩半径(200mm),即1.5mm 为控制标准。计算收敛，且达到上述标准，则认为计算结果可用。
3.2 数值计算
如前所述选择CD 段的静压桩作为分析对象建立参数模型。地基计算深度根据地质资料取为13.0m, 计算半径为10 .0m。边界条件为：底面和右侧面的径向位移和竖向位移为零；上表面自由；左侧面为对称轴，压桩之前其上各点的位移为零，压桩过程中对称轴上各点没有给定位移和力，由位移协调条件和平衡条件自动调节。
4 监测与计算数据
将模拟值与监测值进行分析比较，以74号静压桩的四米和十米的比较结果为例（图4和图5），表示了压桩到不同深度时，各测点的计算值和监测值在竖直方向的不连续动态分布规律。
图5 压桩10米水平位移沿深度分布规律 图4 压桩4米水平位移沿深度分布规律
5 结语
利用数值模拟分析计算基本验证了侧斜管监测技术的可靠性，并有效的模拟了桩与桩侧土之间滑移破坏由上至下的发展状况。采用测斜仪监测静压桩的挤土位移，对其影响进行分析，是静压桩施工必不可少的施工工序。依靠现场观测提供动态信息反馈来指导施工全过程，并可通过观测数据来了解基坑设计的可靠程度，为今后降低工程成本提供设计依据。并在此
感谢辽宁省工程勘察研究院给我提供的这次现场实习机会。
参考文献：
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[3] 谢贻权，何福保. 弹性和塑性力学中的有限元法[M]. 北京：机械工业出版社，
1981:115-212.
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[5] 吴湘兴主编，杨小平副主编．建筑地基基础[M]. 广州：华南理工大学出版社，
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