李富榮,王照宇
(鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇鹽城224051)
在我國(guó),隨著城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市化發(fā)展呈現(xiàn)房屋高層化、立體交通化及市政管線密集化等趨勢(shì),且大量的市政設(shè)施埋置在地下,如污水渠道、煤氣和供水供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。與此同時(shí),靜壓樁以其樁身的質(zhì)量易于保證和檢查,價(jià)格相對(duì)較低,以及施工工效高,無(wú)泥漿、無(wú)噪音污染等優(yōu)勢(shì),成為目前我國(guó)工業(yè)與民用建筑中,特別是軟土地基上的建筑廣泛采用的樁型之一。
靜壓樁沉樁過(guò)程中,樁周土體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,樁身端部以下土體產(chǎn)生壓縮變形。隨著樁貫入壓力的增大,當(dāng)樁端處土體所受壓力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí),土體發(fā)生急劇變形而破壞,樁側(cè)土體產(chǎn)生塑性流動(dòng)(粘性土)或擠密側(cè)移和拖帶下沉(砂性土),樁端下土體被向下和側(cè)向壓縮擠開。地表處粘性土體向上隆起,地面深處由于上覆土層的壓力,土體主要向樁周擠開,使貼近樁周土體結(jié)構(gòu)完全破壞,周圍土體亦受較大的擾動(dòng)影響,而樁身受到土體強(qiáng)大的法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁端阻力的抵抗。
可見,靜壓樁作為擠土樁,在施工過(guò)程中,擠土效應(yīng)的影響范圍和擠土的力是相當(dāng)大的,對(duì)周圍環(huán)境的影響是不可忽視的,特別是在飽和軟土地區(qū),對(duì)基礎(chǔ)埋深淺,結(jié)構(gòu)較差的建筑物和對(duì)變形敏感的地下管線,如地鐵、隧道、煤氣管道、自來(lái)水管道等危害更大,經(jīng)常發(fā)生房屋開裂煤氣泄漏等事故。如南京金陵飯店(37層),當(dāng)中央塔樓下64根樁沉樁施工完成后,發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地兩側(cè)隆起44 cm,樁上浮2 cm,最大上浮為7.3 cm,樁頂水平位移26.5 cm。南京長(zhǎng)江大廈采用擠土樁基礎(chǔ),施工中就發(fā)現(xiàn)將其西側(cè)人行道擠抬起,圍墻擠傾斜。
由于沉樁擠土效應(yīng)對(duì)周圍工程環(huán)境的顯著影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從單樁擠土效應(yīng)到群樁擠土效應(yīng),從理論研究到試驗(yàn)研究,從擠土效應(yīng)本身到擠土效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境的影響等多方面對(duì)沉樁擠土效應(yīng)問(wèn)題開展了大量研究工作。
沉樁時(shí)產(chǎn)生的擠土效應(yīng)以及對(duì)周圍環(huán)境的影響是多方面的,對(duì)于軟土地基,主要有以下幾點(diǎn):
(1)沉樁導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生變形,包括水平位移和垂直隆起。沉樁時(shí),由于樁要置換相同體積的土,對(duì)周圍土體產(chǎn)生側(cè)向擠壓,引起土體水平位移,過(guò)量的土體水平位移作用在先前打入的樁上,會(huì)造成樁位的偏移、樁身的翹曲,嚴(yán)重時(shí)甚至造成樁的折斷。同時(shí),還會(huì)在一定范圍內(nèi)造成地面的垂直隆起和抬高,在沉樁范圍內(nèi)有可能造成已沉入樁的上浮。
(2)靜壓樁擠土效應(yīng)引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題。土體的水平位移和垂直隆起會(huì)對(duì)沉樁范圍外一定距離內(nèi)的建(構(gòu))筑物造成損壞,如造成鄰近建筑物、構(gòu)筑物、道路、擋土結(jié)構(gòu)以及地下設(shè)施和管線的一定程度破損等。常常表現(xiàn)為:地坪開裂、已打入樁的樁頂偏位、道路開裂、鄰近建筑物上抬、門窗開啟困難、工業(yè)廠房行車?yán)щy、地下管線變位和開裂等。
(3)沉樁過(guò)程中,特別是在飽和軟粘土中沉樁,會(huì)產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力。當(dāng)超孔隙水壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),環(huán)向的有效應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,也即拉應(yīng)力,而切向有效應(yīng)力也可能出現(xiàn)負(fù)值,影響樁基的承載力;過(guò)高的超孔隙水壓力也妨礙施工的速度,甚至威脅鄰近建筑物和構(gòu)筑物的安全;當(dāng)土中某一方向上有效應(yīng)力為零時(shí),則與之垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)裂縫,也即“水裂”現(xiàn)象。
(4)沉樁時(shí)土體的原始結(jié)構(gòu)被破壞。樁對(duì)土體的擾動(dòng),使樁身周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化,尤其對(duì)于具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性軟粘土,樁周土體實(shí)際上是一個(gè)被撕裂、破壞、擾動(dòng)和重塑的過(guò)程,土體工程性質(zhì)較沉樁前有較大的改變。
用理論來(lái)研究沉樁引起的樁周土體的應(yīng)力狀態(tài)變化、孔壓的產(chǎn)生和消散、樁周土體的強(qiáng)度變化、樁的極限承載力的變化以及沉樁擠土效應(yīng)等現(xiàn)象由來(lái)己久,從20世紀(jì)70年代起,國(guó)內(nèi)外在這方面做了不少工作。歸納起來(lái),主要有以下三種方法:圓(球)孔擴(kuò)張法、有限單元法、應(yīng)變路徑法。
前人通過(guò)對(duì)模型樁和真實(shí)樁沉樁過(guò)程的觀察,發(fā)現(xiàn)在沉樁過(guò)程中,樁尖處土的變形類似一球形孔擴(kuò)張引起的變形。而在除樁尖和地面附近外的絕大部分樁身周圍,土的變形類似一個(gè)圓柱形孔擴(kuò)張引起的變形。
圓孔擴(kuò)張理論于1945年被首先提出[1],用于研究金屬壓痕問(wèn)題。隨后開始用這種理論解決巖土力學(xué)問(wèn)題,如用于解釋旁壓試驗(yàn)機(jī)理,并得到了很大的發(fā)展。
20世紀(jì)70年代以來(lái),圓孔擴(kuò)張理論成為求解沉樁對(duì)周圍土體影響應(yīng)用最廣泛的一種方法[2-5]。近20 a來(lái),國(guó)內(nèi)不少學(xué)者利用圓孔擴(kuò)張理論對(duì)沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行研究,也取得了不少成果[6-10]。
圓孔擴(kuò)張法可以考慮樁體擴(kuò)張對(duì)土體的影響,形式較為簡(jiǎn)單,可以較好地給出軸對(duì)稱或球?qū)ΨQ情況下的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和孔隙水壓力,并得到了廣泛的應(yīng)用,具體來(lái)說(shuō)有以下三大優(yōu)點(diǎn):①將樁模擬為一維擴(kuò)張問(wèn)題,易于求解;②由于求解的簡(jiǎn)單,可以考慮更復(fù)雜的土體模型以及大應(yīng)變等其他方面;③由于圓孔擴(kuò)張理論所用的參數(shù)可為一般標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得到或間接得到,易于在工程中得到應(yīng)用。但它只是平面應(yīng)變的假定,土體的變形僅限于徑向,將一維的圓孔擴(kuò)張解應(yīng)用于樁體貫入這樣一個(gè)三維問(wèn)題,導(dǎo)致其解只與徑向坐標(biāo)r有關(guān),而與坐標(biāo)深度無(wú)關(guān),并忽略孔壁摩擦力的影響,對(duì)于壓樁引起的變形分析不盡合理。
麻省理工學(xué)院Baligh[11]領(lǐng)導(dǎo)的小組經(jīng)過(guò)10 a的研究,提出了應(yīng)變路徑法。這種方法假定,土體中產(chǎn)生的變形不是由應(yīng)力控制,而是由不旋轉(zhuǎn)的無(wú)黏性理想流體來(lái)決定的,在不考慮土體本構(gòu)關(guān)系的情況下,推廣對(duì)速度積分求得變形,然后由微分求出應(yīng)變,將樁體貫入模擬為單個(gè)邊界以速度v擴(kuò)大的球形孔沿豎向勻速運(yùn)動(dòng),通過(guò)對(duì)應(yīng)變路徑的描述,即三個(gè)偏應(yīng)變的分析,從而得出樁體貫入過(guò)程中土體位移和應(yīng)變的變化情況,并得到了一些有意義的結(jié)論:①發(fā)現(xiàn)樁周一定范圍內(nèi)土體存在“應(yīng)變反轉(zhuǎn)”和主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,土體有可能由“壓”變?yōu)椤袄?這種現(xiàn)象將對(duì)應(yīng)力和孔壓產(chǎn)生顯著影響;②證實(shí)了沉樁時(shí)土體可分為“塑性區(qū)”和“彈性區(qū)”兩部分;③指出了考慮土體“擾動(dòng)”后性質(zhì)變化的重要性。所以,Baligh等人的研究有其獨(dú)到之處,它可以給出貫入過(guò)程中土體應(yīng)力、位移分布的大致情況。但是,Baligh提出的應(yīng)變路徑法也有其缺點(diǎn),它忽略了地表面是自由面的邊界條件,得出所有的土體單元都具有向下的位移,這與沉樁時(shí)地表面會(huì)發(fā)生隆起的實(shí)際情況不符合,因此,這種方法只適合樁端附近的應(yīng)變場(chǎng),而對(duì)于遠(yuǎn)離樁端的應(yīng)變場(chǎng)則很難得到一個(gè)合理的結(jié)果。隨后Baligh(1986)[12-13]在利用應(yīng)變路徑法得出沉樁時(shí)位移及應(yīng)變場(chǎng)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了相應(yīng)的剪應(yīng)力及孔壓規(guī)律。
在沉樁過(guò)程中,應(yīng)變路徑法是一種非常有效的方法。Poulos(1994)[14]應(yīng)用該方法分析了單樁沉入過(guò)程中樁周土體的水平和垂直位移以及土體位移對(duì)己打入樁的影響。
由于沉樁問(wèn)題的復(fù)雜性,求得解析解或近似解往往會(huì)遇到很大困難,這時(shí)數(shù)值方法就成為解決問(wèn)題的有效工具。在過(guò)去20 a、30 a中,有限元法被廣泛應(yīng)用于分析樁的工作機(jī)理。在分析靜力沉樁過(guò)程方面的研究集中體現(xiàn)在Chopra[15]和Mabsout[16]的工作上。
有限元分析方法在一定程度上能夠考慮土體的本構(gòu)關(guān)系、大變形和樁土相互作用。但還存在如下的問(wèn)題:①編制能夠考慮幾何大變形、材料非線性、樁土摩擦的三維的符合實(shí)際情況的程序很難,并且還要考慮壓樁機(jī)的作用和重力初應(yīng)力場(chǎng)等,目前研究人員所用的程序都是在某些方面作了簡(jiǎn)化處理;②貫入過(guò)程難于精確模擬,在真實(shí)情形下,樁周圍土體與靜止不動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不同的豎向和側(cè)向應(yīng)力,并且隨貫入的進(jìn)行,土體應(yīng)力亦發(fā)生變化。目前的有限元還難于模擬;③有限元計(jì)算精度嚴(yán)重依賴于本構(gòu)模型的選用和參數(shù)的確定,在現(xiàn)有土工試驗(yàn)水平的基礎(chǔ)下,常規(guī)的原狀土的三軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系尚不普遍,更不要說(shuō)模擬受擠壓后土體的本構(gòu)關(guān)系了;④邊界條件的模擬:理想條件下地表面下無(wú)窮遠(yuǎn)處土體豎向位移和距樁邊水平無(wú)窮遠(yuǎn)處土體水平位移為零,但有限元分析中必須指定有限遠(yuǎn)處的土體位移為零,由此必然產(chǎn)生誤差;⑤群樁的擠土效應(yīng)分析目前難以模擬;⑥土體裂縫問(wèn)題:實(shí)際壓樁過(guò)程中,在地表面和土體中都有裂縫產(chǎn)生,目前的有限元方法還無(wú)法有效模擬;⑦計(jì)算機(jī)耗時(shí)問(wèn)題:雖然計(jì)算機(jī)的性能得到了大幅度提高,但沉樁涉及幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等復(fù)雜問(wèn)題,如采用不適當(dāng)?shù)姆治龇椒〞?huì)耗時(shí)過(guò)多,從而不能很有效地分析和解決問(wèn)題。
可見,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在沉樁擠土效應(yīng)方面取得了豐碩的研究成果,但理論研究仍存在一些難度或問(wèn)題,要更好地解決沉樁擠土效應(yīng)問(wèn)題,應(yīng)將理論研究與試驗(yàn)研究相結(jié)合,大型模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究成果更具指導(dǎo)意義,從而推動(dòng)沉樁擠土效應(yīng)理論的發(fā)展。
實(shí)測(cè)結(jié)果表明,沉樁的初始階段黏土的不排水剪切強(qiáng)度減小很多,隨后會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而顯著恢復(fù)。沉樁瞬時(shí)樁周土在含水率為常量的條件下重塑,土體的原狀結(jié)構(gòu)受到破壞,不排水抗剪強(qiáng)度大幅度下降,隨后由于土體的觸變性和超靜孔壓的消散,抗剪強(qiáng)度逐漸恢復(fù)[17-18]。
沉樁時(shí)樁周土體會(huì)產(chǎn)生較高的超靜孔隙水壓力,一般情況下,樁周附近土體的超靜孔壓最大,隨著離樁表面距離的增加,超靜孔壓急劇降低且消散也比較迅速。超靜孔隙水壓力值有時(shí)會(huì)達(dá)到一個(gè)很大的值,甚至大于土體的附加有效應(yīng)力[19]。
一些學(xué)者直接用樁周土體的隆起量占樁壓入土體的總體積的百分比來(lái)衡量樁擠土性的大小。即,平均隆起量=α×樁的體積/樁基礎(chǔ)所占的面積。式中,α為排土量占整個(gè)樁體積的百分比。Avery&Wilson測(cè)得 α為60%;orrje&Broms[20]發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土預(yù)制樁在靈敏的軟粘土中 α僅為 30%,Adams&Hanna[21]發(fā)現(xiàn)H形鋼樁壓入較硬的土體中時(shí),α為100%;Hagerty&Peck[22]發(fā)現(xiàn)非靈敏粘土中α為50%左右,并基于樁身受力平衡對(duì)鄰樁上浮量作了估計(jì)。土體隆起量測(cè)量結(jié)果差異既與土體的特性有關(guān),也與測(cè)量技術(shù)差等因素有關(guān)。
Randolph等[23]和 Cooke&Price等[24]對(duì)樁中段的樁周土水平位移進(jìn)行了測(cè)量;Hmamond[25]對(duì)樁的上浮做了測(cè)量。學(xué)者們對(duì)樁周土的水平位移的變化規(guī)律的觀點(diǎn)基本一致,認(rèn)為隨著距樁中心的距離的增大,水平位移減小,且呈指數(shù)形式衰減。
在對(duì)沉樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究的同時(shí),國(guó)內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)研究。國(guó)外學(xué)者中典型的沉樁試驗(yàn)有[28]:Banerjee等利用模型固結(jié)試驗(yàn)箱做粘土擠土效應(yīng)試驗(yàn),樁體上裝有器件可測(cè)軸力、側(cè)向土壓和孔壓,土體內(nèi)離土體一定范圍的不同深度埋設(shè)4只孔壓儀,將沉樁過(guò)程及再固結(jié)過(guò)程中觀測(cè)到的樁周土體的應(yīng)力、孔壓與大應(yīng)變有限元(貫入分析)和小應(yīng)變有限元(固結(jié)試驗(yàn))計(jì)算結(jié)果及圓孔擴(kuò)張結(jié)果作了比較,結(jié)果皆較為吻合。Azzouz等用裝有PLS(Piezo-Letaral Stress)壓力盒的模型樁沉入兩種粘土層中,這種壓力盒可以同時(shí)量測(cè)作用在樁身上的水平總應(yīng)力、孔隙水壓力和剪應(yīng)力。主要結(jié)論:應(yīng)變路徑法比圓孔擴(kuò)張更好的接近實(shí)測(cè),而土的敏感度對(duì)作用在樁側(cè)的有效應(yīng)力影響較大。當(dāng)然該試驗(yàn)著重對(duì)樁體側(cè)摩阻性狀的分析。
我國(guó)學(xué)者中,劉祖德等提出了顯微鏡跟蹤法,應(yīng)用于模型槽試驗(yàn)中;河海大學(xué)巖土工程研究所已于1996年建造起一座大型多功能模型試驗(yàn)槽,側(cè)面設(shè)有有機(jī)玻璃窗;丁佩明利用該模型槽進(jìn)行了砂土中的靜壓樁試驗(yàn),通過(guò)在土體中按一定的距離在垂直于試槽玻璃方向埋設(shè)長(zhǎng)度小于5 mm的大頭針,取得了有關(guān)壓樁產(chǎn)生的土體位移的一些成果[29]。樊良本、朱國(guó)元[30]為驗(yàn)證圓孔擴(kuò)張理論解釋單樁周圍土的應(yīng)力狀態(tài)的適用性,設(shè)計(jì)了模型樁試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置采用K0儀,并將其加荷帽作了改進(jìn)。K0儀試驗(yàn)原是在無(wú)側(cè)向膨脹條件下對(duì)土樣施加軸向荷載的同時(shí)測(cè)定其側(cè)向應(yīng)力,從而可求出土的側(cè)壓力系數(shù)K0值。改進(jìn)后的加荷帽有利于在對(duì)土樣施加軸向固結(jié)荷載的同時(shí)沉入模型樁。通過(guò)在直徑為D的土樣中沉入不同直徑的模型單樁(鋼樁),測(cè)定土樣周界上(p=D/2)的總徑向應(yīng)力增量,用以與理論值比較。陳文[31]通過(guò)靜壓樁在不同粘土中貫入的離心模型試驗(yàn),對(duì)樁體貫入飽和粘土?xí)r的土體位移和初始超孔壓進(jìn)行了研究。徐建平等[32]通過(guò)靜力壓入單樁和雙樁的模型試驗(yàn),研究了沉樁的擠土效應(yīng),獲得了沉樁過(guò)程中土體位移隨水平和深度方向變化的規(guī)律,并對(duì)壓入單樁與雙樁的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。丁佩明通過(guò)砂土中沉樁模型試驗(yàn),研究了沉樁對(duì)砂性土的擠密效應(yīng)。何杰等[33]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn),比較分析了靜壓楔形樁及等截面樁的擠土效應(yīng)。張述濤等[34]比較分析了均質(zhì)地基和雙層地基的最終土體位移場(chǎng),得出靜壓樁在雙層地基中,由于軟硬土層間的相互作用,所產(chǎn)生不同于均質(zhì)地基情況下的土體變形規(guī)律。張建新等[35]基于室內(nèi)模型試驗(yàn),分析了群樁順序壓入土體后所引起的土體變形規(guī)律、超孔隙水壓力的變化和沉樁前后土體的微觀結(jié)構(gòu)特征。詹樂(lè)等[36]研究邊坡坡頂鄰近處群樁的壓入對(duì)邊坡土體位移的影響規(guī)律,得出了群樁壓入過(guò)程對(duì)邊坡土體位移的影響規(guī)律。
靜壓樁在工程應(yīng)用方面優(yōu)點(diǎn)較多,其擠土效應(yīng)的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,但尚存在以下一些問(wèn)題:
(1)理論研究相對(duì)滯后,不能更好的指導(dǎo)工程實(shí)踐。通過(guò)理論研究沉樁擠土效應(yīng)問(wèn)題由來(lái)己久,但仍然相對(duì)滯后。
(2)擠土效應(yīng)研究基本局限于單樁或單排樁的研究。在實(shí)際樁基工程中,擠土效應(yīng)引發(fā)的工程問(wèn)題大部分是由于群樁擠土效應(yīng)引起的。目前,對(duì)沉樁擠土效應(yīng)的研究主要集中在單樁或單排樁,對(duì)群樁擠土效應(yīng)研究較少。
(3)在試驗(yàn)研究中,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反映的是工程實(shí)際情況,觀測(cè)數(shù)據(jù)更加可信。但是,由于各個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的條件差異很大,各種復(fù)雜的因素都會(huì)對(duì)最終的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)論有一定局限性,且現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本較高,不能廣泛開展。
模型槽試驗(yàn)過(guò)于依賴其尺寸和采用的邊界模型,但存在尺寸受限、邊界效應(yīng)、相似比等問(wèn)題,其成果只能作為定性分析,而無(wú)法得到精確的定量成果。而離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫亟鉀Q土體自重的模擬問(wèn)題,是一種較好的研究方法,但成本較高,有條件應(yīng)優(yōu)先采用。
(4)研究只限在擠土效應(yīng)機(jī)理的本身,基本忽略了群樁擠土效應(yīng)和相鄰建(構(gòu))筑物、市政道路、地下管線等周圍工程環(huán)境的相互作用,實(shí)際上,這才是研究擠土效應(yīng)的最終目的。
(5)控制擠土效應(yīng)基本都是被動(dòng)措施,這無(wú)形中增加了工程造價(jià),甚至?xí)斐梢欢ǖ睦速M(fèi)。
本文介紹了沉樁擠土效應(yīng)對(duì)工程環(huán)境的影響,并分析了擠土效應(yīng)在理論研究、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)等方面的研究成果以及存在的問(wèn)題。隨著靜壓沉樁的廣泛應(yīng)用,出現(xiàn)的問(wèn)題也必將逐步得到解決。為此,作者做如下建議:①通過(guò)大型模型試驗(yàn),特別是破壞性試驗(yàn),研究擠土效應(yīng)問(wèn)題;②充分重視群樁擠土效應(yīng)及其與周圍環(huán)境相互作用問(wèn)題的研究;③在新型樁基方面,提出擠土效應(yīng)的主動(dòng)控制措施;④收集資料,總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn),與理論相結(jié)合,研究擠土效應(yīng)問(wèn)題。
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