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浅谈静压桩在软土区施工带来的影响 秦继英 周兴华(河南省建筑工程学校 郑州煤炭设计院) 摘要：本文通过对静压桩在软土区施工引起土体变形进行的探讨，为类似工程提供了一些建议。 关键词：弹塑性体；刚度比；塑性区；有效应力 中图分类号：TU473 文献标识码：A Elementary Introduction to the Infection Produced by the Static Pressure Pile Construction in Soft Earth Area Qin Jiying Zhou Xinghua(Henan School of Architectural Engineering Zhengzhou 450007,China) Abstract: The essay has been written to discuss the change of earth causedby static pressure pile construction in soft earth area, and puts forwardssome proposals for the similar engineering. Key words：elastoplastic body; stiffness ratio; plastic zone; effectivestress 1 引 言 学生通过对专业课的学习已经对各种土性及各种桩的施工有了一定的认识，知道软土地基广泛采用预制桩基础，用柴油锤击入桩时噪声大且拌有浓烟油污，尤其在市中心区和居民区内的施工中，有悖于环境和文明施工要求。以液压法压入式施工桩（静压桩）工艺替代锤击，既克服了钻孔灌注桩环境污染大、造价高、施工工期长的特点，也克服了沉管灌注桩承载力低、施工质量难以保证、噪音大的缺点，具有广泛的应用前景。经过人文分析得出：无噪音、无震动、无环境污染等优点，特别适用于市区施工。当地基土为深厚的软土时，用静压桩作为建筑物的基础有优越的技术经济指标。 然而，在城市建筑密集区域进行施工时应注意沉桩所产生的挤土效应，诸多工程实践表明，饱和软土地区静压桩施工，使一定距离内的土体产生显著变形，如不事先预防，将导致孔隙水压力增加，土体隆起，常常影响邻近建筑物或地下管线的安全与正常使用。 2 沉桩机理 通常，桩在压入土体的过程中，桩尖刺入土体使桩端附近的土体产生剪切和压缩，剪切破坏面大致呈对数螺旋线。且伴随发生沿桩身土体的剪切破坏和对桩周围土体进行排挤，引起地基土的侧向应力增加，导致桩侧土的密度增大，引起桩周土结构破坏和孔隙水压力骤增。 一般情况下，在密实砂层内压入到一定深度后，阻力增大到一定程度，桩就难以继续压入。但在软土体的结构，使桩周一定范围内土体的抗剪强度大幅度降低，产生严重软化（粘性土）或液化（松散粉土或粉细砂），桩侧摩擦力随之大幅度降低形成滑动摩阻，因而能将桩送入很大深度的地基中。 压桩过程中止后，土体中孔隙水压力随时间的延续逐渐消散，桩周土随之产生径向固结，土的密度增大，导致侧摩阻力恢复和增加，故一根桩的压入应一次完成，中间停歇时间不宜过长，否则当桩侧摩擦力恢复到一定程度后将难以继续压入。 3 软土区工程地质概况 以郑州市为例，郑州市位于河南省西部黄土丘陵与东部黄河冲积平原的交接地带，为华北平原的一部分，地势由西南向东北倾斜。地表均为第四纪松散堆积物覆盖。市区东北部为泛滥平原，含水层由全新世上更新世粉土、粉细砂、中细砂、粗砂组成，分布稳定，厚2530m，局部地段大于30m，水量丰富，单位涌水量2050m3(h.m)，地下水位埋深一般小于5m，局部小于2m。 其软土(相对软土)范围主要位于京广铁路以东，东西大街、郑汴路以北的地区。地表浅层土体为全新世黄河泛滥堆积物，具典型的“二元”结构，上部地层主要为：全新世上段（Q34）冲洪积稍密粉土、软流塑的粉质粘土；全新世中段（Q24）冲湖积稍中密粉土、软可塑粉质粘土，色暗，富含有机质，有机质含量一般为38；这部分土多为软弱土，天然含水量高，一般均接近或大于25，近液限；天然孔隙比一般在0.80.95之间，属高压缩性，承载力一般为70-110kPa左右，且土层不均匀，夹层互层较多。全新世下段（Q14）冲积粉细砂，分布在地表下16m20m，厚度较大且密实，砂层下部的粘性土均为硬塑状态，无软弱下卧层，因此这一深度的砂层属较理想的桩尖持力层。 4 压桩施工引起土体变形 饱和土体并非一般弹塑性体，研究其变形在将其中的孔隙水压力作为重要因素加以考虑。封闭条件下，饱和土体的较小体积应变增量，将会引起孔隙水压力的很大变化。一般情况下，桩沉入渗透性很低的饱和软土中，可认为是一个不排水过程，即可按封闭系统考虑。 1）单桩贯入时扩张压力与塑性区 同济大学樊良本认为：影响半径为R；桩径为r；桩土界面上的总径向力，即扩张压力为Pu；设定塑性区大于r而小于R，大于R区域为弹性区；塑性区任一点的应力为r、v,应用弹塑性力学理论解得： PuCuln +1 E土的弹性模量；Cu土的不排水剪强度 Rr E/Cu土的刚度比； 土的泊松比，饱和土的为0.5。 从上式可见，Pu和R均只与土的刚度比有关。 图1 扩张压力与刚度比关系 图2 塑性区半径和桩径之比与刚度比关系 在上方图看出，当E/Cu较小时，Pu变化较大；E/Cu600，Pu变化很小；E/Cu2000，则Pu/Cu越接近极限值7.5。从而可以估计桩对土的最大挤压力Pu7.5Cu。 郑州市软粉质粘土粉土E/Cu60400，R约（611.5）r。由此可以估计，桩群内部全部进入塑性区的临界半径。 有关研究证实，微小的体积变化会大大减小土的刚度比E/Cu，从而影响R及Pu，的变化对E/Cu修正的影响很小。 2）单桩周围孔隙水压力 桩贯入过程中，桩周土产生较高的孔隙水压力，它随时间逐渐消散，随距桩身距离的增加而减小，桩侧有效应力n随时间逐渐增大。 3）土体变形机理分析 对郑州软土区，R有（611.5）r，平均8.5 r左右，考虑到桩周土体结构被破坏，实际上塑性区范围比上述值要小，不致产生对邻近环境有实际影响的变形。但对密度较大的群桩来说，土体变形并非上述变形的简单叠加，实际上，群桩密度足够大（全进入R区）和施工快（超孔隙水压力来不及消散）时，桩群内附加应力与超孔隙水压力逐渐积累，使每根桩桩侧的土体剪切破坏面（包括软弱面）不断扩展而贯通，形成更大的剪切破坏面，群桩周围的土体（邻近环境土体）的变形就是剪切变形与压缩变形综合作用下的结果。显然，这种对环境有实际影响的土体变形的产生，群桩内土体中孔隙水压力是很重要的因素。 5 施工挤土扰动效应 静压桩压入土中使桩身附近土孔隙减少，由于是瞬时作用，被排挤的土体不可能完全填充土的孔隙，首先造成土体上涌，而桩周土体上涌则带动桩向上运动。随着施工的继续，原来土体对桩的部分水平挤压力逐渐转化为向上的负摩擦力。桩尖越近持力层桩向上运动越明显，有时桩土之间的负摩擦力甚至可使桩尘与持力层“脱离，造成桩底空虚，导致桩周阻力减少，荷载作用在桩顶后要先将桩压“实”才能发挥桩端持力层的作用。若设计采用群桩布置时，其挤土与桩底“悬桩”现象就更加严重。 施工对软土地基的扰动主要表现在：一是沉桩施工破坏了土的天然结构，二是桩周土受到急剧挤压，致使孔隙水压力迅速上升，有效应力减小。这两种作用促使桩周及桩端土的强度大为降低，此时桩的承载力最低。但随着时间的推移，土的强度逐渐恢复，甚至于超过原来的强度。其原因有：软土具有触变性，受扰动后损失的强度可以逐渐恢复。在现场埋深条件下，静止几天后可以恢复原始强度的40%50%。随着桩周土中水分的逐渐排出，孔隙水压力逐渐消散，土体重新固结，有效应力相应增大，桩周土强度得以恢复。这种变化机理表明，软土层中桩的承载力与桩周土和桩端土的扰动、压密和固结作用密切相关，承载力变化随土体内孔隙水压力的增大和消散以及有效应力的减小和增大而定，成桩后，承载力随时间的增长而增大。 施工扰动的另一表现是施工区内外地表隆起，桩及桩周土的侧向位移，这是软土地基中挤土桩施工的必然现象，地表隆起与侧向位移将给桩基和已建工程带来严重危害，轻则造成设计实施偏差，影响了桩基的设计功能；重则导致桩、基础、相邻建（构）筑物和周围地面的隆起、沉降、侧向位移甚至坍塌。 6 结束语 我们分析探讨了静压桩在郑州市东北部软土区的运用过程中土体变形性状，得出如下结论： 1）设计时应尽可能扩大桩距、减少桩数，从而降低沉桩引起产超静孔隙水压力值和地基变位值，缩小其影响范围。 2）施工时采用预钻孔等辅助沉桩法来减少桩的排土量以减少沉桩对地基土体的挤土影响程度，并达到降低超静孔隙水压力的目的。 3）合理安排沉桩施工顺序、进度。 4）降低地基中地下水位或改善地基土的排水特性，减少和加快消散沉桩引起的超孔隙水压力，提高邻近地基土体的强度以增大其对地基变位的约束作用，从而减少地基变位及其影响范围。 5）设置防渗防挤壁、防挤土槽、防挤孔等措施，以减少地基浅层土体的侧向位移和隆起范围，适当控制超孔隙水压力的影响范围。 6）建议在郑州软土区使用预应力混凝土管桩，这也是今后发展的一个方向。外地实践