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西安建筑科技大学硕士论文 排土桩挤土效应研究 专业：岩土工程 硕士生：胡伟 指导教师：刘明振教授 摘要 排土桩广泛用于饱和土和非饱和土地基中，但其产生的挤土效应会对周边环境 造成不利的影响，严重时可能造成邻近建筑物的开裂、道路隆起以及地下管线断裂 等工程事故，这一直是困扰工程界的一个难题。因此，对排土桩的挤土效应及其防 治措施的研究无疑具有非常重要的工程意义。本文分析总结了前人的研究成果，并 在此基础上做了如下工作： l 、基于球形孔扩张理论，在大变形假定下，结合修正剑桥模型及水力压裂理论， 通过最小耗能原理从能量角度推导出了饱和土中受排土桩挤土效应影响所形成的弹 性区、塑性区、破坏区内应力、位移及超孔隙水压力分布的解析解，并分析了土的 超固结比的影响。 2 、分析比较了t e r z a g i 固结理论和b i o t 固结理论，并在弹性变形及上述解析解 的基础上，结合b i o t 固结理论分析了理想弹塑性土体中排土桩按球形孔扩张后，桩 周土体在固结过程中任意时刻土体内应力、位移及超孔隙水压力的变化和分布情况。 3 、基于半球形孔扩张理论，在大变形假定及考虑士体体积变化的前提下，结合 修正剑桥模型推导出了非饱和土中排土桩按半球形孔扩张后，土体中应力，位移分 布的解析解，并分析了土的超固结比的影响。 4 、在前面分析的基础上，将非饱和土在扩张过程中的弹塑性界面上的扩张速度 分为两部分，通过引入塑性波的概念求出了t 时刻位于弹塑性界面上土体单元的位 移速度，并推导出了塑性区内任意一点的位移速度与弹塑性界面上土体单元的位移 速度比，在小应变的基础上给出了非饱和土中，匀速扩孔情况下，排土桩按半球形 孔扩张至最终半径时，桩周围土体破坏区、塑性区半径的表达式以及任意一点应力、 位移的表达式。 5 、介绍了目前比较常用的减少排土桩挤土效应的工程措施，并在理论推导的基 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 础上着重分析了预钻孔这项施工措施的有效性。 最后指出了文中理论推导所存在的不足之处，并对进一步的研究工作提出了一 些建议。 关键词：排土桩、挤土效应、圆孔扩张理论、应变路径法、有限元法、超孔隙水压 力、修正剑桥模型、相关联流动法则、超固结比、大变形、固结理论、扩孔速度、 预钻孔 n 西安建筑科技大学硕士论文 s t u d yo nc o m p a c t i n ge f f e c t s o fd i s p l a c e m e n tp i l e s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：h u w e i l n s t r u c t o r ：l i um i u z h e n a b s t r a c t d i s p l a c e m e n tp i l ei sw i d e l yu s e di nb o t hs a t u r a t e da n du n - s a t u r a t e ds o i l s h o w e v e r , t h ec o m p a c t i n ge f f e c t sc a u s e db yi tm a yh a v es e v e r ei n f l u e n c eo ns u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n tw h i c h w o u l dr e s u l tt ot h ec r a c k i n go fn e i g h b o r h o o db u i l d i n g s ，t h e u p h e a v i n go fr o a d s ，t h er u p t u r eo fu n d e r g r o u n dc a n a l sa n ds of o r t h i ti sa l w a y sa d i f f i c u l tp r o b l e mw h i c hp u z z l e se n g i n e e r sa n dr e s e a r c h e r s s ot h es t u d yo nt h e c o m p a c t i n ge f f e c t so fd i s p l a c e m e n tp i l ea n dt h em e a s u r e m e n t sw h i c hc a nd e c r e a s ei tw i l l b ev e r ym e a n i n g f u lt op r a c t i c e t h i sp a p e r ，f i r s t l y ，a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ew o r k h a sb e e nd o n eb yf a ro nt h i sp o i n t ，a n dt h e n ，o nt h eb a s i so ft h a t ，f u r t h e rw o r k sw h i c h r a n ka sf o l l o w sh a v eb e e nd o n e f i r s t l y ，o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fs p h e r i c a lc a v i t ye x p a n s i o na n dl a r g e - s t r a i n p r e s u p p o s i t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht h em o d i f i e dc a m b r i d g em o d e la n dt h et h e o r yo fw a t e r p o w e rc r a c k i n ga n df o l l o w i n gt h el e a s tc o n s u m p t i o np r i n c i p l et og of r o mt h ev i e w p o i n t o fe n e r g y ，t h ea n a l y t i e a le x p r e s s i o n so ft h es t r e s s ，d i s p l a c e m e n t ，e x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r ea r ed e d u c e da f t e rt h ee x p a n s i o no fs p h e r eg a y i t yi nt h ew h o l ef i e l do fs o i l a r o u n dt h ep i l e ，w h i c hc o m p r i s e st h ee l a s t i cz o n e ，p l a s t i cz o n ea n df a i l u r ez o n e m o r e o v e r ，t h ee f f e c to fs o i l so v e r c o n s o l i d a t i o nr a t i oo nt h er e s u l ti sa n a l y z e d s e c o n d l y ，c o m p a r i n g t h et e r z a g i s c o n s o l i d a t i o n t h e o r yw i t h t h eb l o t s c o n s o l i d a t i o nt h e o r y ，o nt h eb a s i so fe l a s t i cd e f o r m a t i o np r e s u p p o s i t i o na n dt h ef o r g o i n g r e s u l t ，c o m b i n gw i t h t h eb i o t sc o n s o l i d a t i o nt h e o r y ，t h ec h a n g i n go ft h es t r e s s ， d i s p l a c e m e n t ，e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ei nt h ei d e a le l a s t i c p l a s t i cs o i la r o u n dt h ep i l e i nt h ec o u r s eo fc o n s o l i d a t i o na r ea n a l y z e d t h i r d l y ，c o n s i d e r i n gt h et r a n s f o r m a t i o no fs o i l sv o l u m e ，t h ea n a l y t i e a le x p r e s s i o no f t h es t r e s s 。sa n dd i s p l a c e m e n t sd i s t r i b u t i n gi nu n s a t u r a t e ds o i la f t e rt h ee x p a n s i o no f h l 西安建筑科技大学硕士论文 s e m i s p h e r ec a v i t ya r ed e d u c e do nt h eb a s i so ft h ec a v i t ye x p a n s i o nt h e o r yc o m b i n i n g w i t ht h em o d i f i e dc a m b r i d g em o d e l ；a n dt h ee f f e c to fs o i l so v e r c o n s o l i d a t i o nr a t i oo n t h er e s u l ti sa n a l y z e d f o u r t h l y ，o nt h eb a s i so ff o r g o i n ga n a l y s i s ，s u p p o s ei nt h ec o u r s eo fe x p a n s i o no f s e m i s p h e r ec a v i t yi nt h eu n s a t u r a t e ds o i l ，t h ee x p a n s i o nv e l o c i t yo ft h ee l a s t i c - p l a s t i c b o u n d a r yc o m p r i s e st w op a r t ，a n dt h r o u g hi n t r o d u c et h ec o n c e p to fp l a s t i cw a v e ，t h e v e l o c i t yo fd i s p l a c e m e n to ft h ee l a s t i c - p l a s t i cb o u n d a r yi si n d u c e di nt h ep a p e r , a sw e l l a st h er a t i oo fd i s p l a c e m e n t s v e l o c i t yo fa n yp o i n ti np l a s t i c z o n et ot h a to f e l a s t i c - p l a s t i cb o u n d a r y m o r e o v e r ，o nt h ep r e s u p p o s i t i o no fs m a l ls t r a i na n de v e ns p e e d o fe x p a n s i o n ，t h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so ft h er a d i u so fp l a s t i cz o n e ，f a i l u r ez o n ea n dt h e s t r e s s ，d i s p l a c e m e n to fa n yp o i n ti nt h es o i la r o u n dt h ep i l ea r ed e d u c e da f t e rt h es p h e r e e x p a n s i o n f i f t h l y ，s o m ec o n s t r u c t i o nm e a s u r e m e n t st h a ta r eu s e dt od e c r e a s et h ec o m p a c t i n g e f f e c ta r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ev a l i d i t yo fam e a s u r e m e n tn a m e l yp r e b o r e dh o l eh a sb e e n a n a l y z e do nt h eb a s i so ff o r g o i n gt h e o r i e s f i n a l l y ，t h es h o r t a g e so ft h ei n d u c e dt h e o r i e si nt h ep a p e ra r ep o i n t e do u t ，a n ds o n i c a d v i c e sf o rt h ef a r t h e rr e s e a r c ha r es u g g e s t e d k e y w o r d s ：d i s p l a c e m e n tp i l e ；c o m p a c t i n ge f f e c t s ；c a v i t ye x p a n s i o nt h e o r y ；s t r a i np a t h m e t h o d ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e ；t h em o d i f i e d c a m b r i d g em o d e l ；a s s o c i a t e d f l o wr u l e ；t h eo v e r c o n s o l i d a t i o n r a t i o ； l a r g e - s t r a i n ；c o n s o l i d a t i o nt h e o r y ；e x p a n s i o ns p e e d ；p r e b o r e dh o l e i v 声明 y 9 7 0 g $ 1 、 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导卜- 进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 铆jf 衫 关于论文使用授权的说明 日期：纱衫歹 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 蝴一：勃j 中翩签名铡馓蹶蒯f 7 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 引言 1绪论 桩基工程是一种比较古老的基础形式，也是目前应用最为广泛的基础形式之一。 早在新石器时代，人类就已经在湖泊和沼泽中用木桩搭台作为水上住所，在我国，汉 朝已经出现了采用木桩修建的桥，在英国，至今还保留着一些罗马时代修建的以木桩 为基础的桥和民居。随着科学技术以及建设事业的迅速发展，高层、超高层、大型和 重型建筑物不断出现，由于天然地基一般已满足不了上述建筑对地基承载力和沉降量 的设计要求，所以在基础形式的选用上一般多采用桩基础，这样桩基础就得到了大规 模的应用。随着桩基础类型的日益增多，各种桩基的施工技术也应运而生。 在工程中，根据挤土效应把桩分为三类：即部分排土桩、排土桩和非排土桩。排 土桩一般指预制混凝土桩，木桩，沉管灌注桩等；非排士桩一般如挖孔桩，钻孔灌 注桩等；部分排土桩的概念不够明确，通常认为如h 型钥，开口钢管桩等属于此类。 桩和桩基的问题，至今已做过大量的研究。对于桩的承载力和桩基的变形问题，在 工程实践中已经积累了大量的经验，但对于挤土效应造成对周围环境的影响问题， 却研究的比较少。 在现代化城市，大量的市政设施埋在地下，如地铁、给排水管道、煤气和供电 管线、通讯管线等等，在已有的建筑物附近或在这些市政设旋附近设置挤土桩时， 常常由于桩的挤土作用对其造成很大的威胁。桩的挤土效应对周围环境及工程本身 的影响，主要表现在以下几个方面： 1 ) 入桩在桩周土中引起的排土应力使周围土体破坏，产生很大的侧向应力，从 而对临桩产生诸多不良后果，如桩身弯曲甚至断裂，同时产生较大的位置移动，可 能使桩位发生偏移，对工程质量产生影响，甚至发生工程事故。 2 ) 饱和土中，排土应力和由其引起的超孔隙水压力可能对地下市政管道造成挠 曲变形，甚至发生破裂、断裂现象。 3 ) 群桩施工时，后置入桩引起的排土应力和超孔隙水压力对先置入桩可能产生 不利影响。 近几年来，城市建设中对公害污染的限制越来越严格。但排土桩往往由于有其 独到之处，在工程中经常采用，如静压桩。静压桩是利用静压力将桩压入土中而成 桩的。在我国已得到越来越多的应用。其具有以下优点： 1 ) 可以消除噪音和振动的骚扰与危害，没有油烟污染； 2 ) 节约材料，降低成本。压桩避免了锤击应力，桩的断面可以减小，主筋和局 西安建筑科技大学硕士论文 部加强筋都可以大大节省，混凝土强度等级也可降，此外，静力施工还可以节省锤 垫，桩垫等缓冲材料，桩项也不会碎裂； 3 ) 施工质量容易得到保证。不易出现桩身开裂、桩顶被锤碎等锤击施工中易出 现的问题。 4 ) 压入过程中可及时调整桩身位置以保证精度，沉桩速度快，可达到1 8 m m i n 。 静力压桩可直接显示压桩力，也可自动记录；现场施工人员可以大致估算出单桩承 载力； 5 ) 不像钻孔桩那样产生大量泥土，污染环境。 由于静压桩的上述优点，在我国越来越受到重视。在江、浙、沪、粤等沿海软 土分布较广的地区以及人口密集的大城市的应用很广，取得了良好的效果，是一项 很有发展潜力的施工技术。此外，随着高层建筑物的大量兴建，特别是在用地紧张 的地区和密集建筑群中建造高层房屋时，沉桩造成的临近建筑物和地下公用设施破 坏的事例时有发生，由此引起的纠纷、诉讼等常迫使工地停工，延误工期，沉桩对 周围环境的影响问题受到越来越多的关注。因此，了解并掌握挤土效应对桩周围环 境的影响，不仅有利于减少沉桩对周围环境的危害，也有利于提高工程本身的质量 和施工进度，在工程建设中具有重要的现实意义。 1 2 排土桩问题的研究内容 尽管人们很早就对排土桩的挤土效应问题开展了研究，但由于问题的复杂性， 至今人们对挤土效应对桩周围环境的影响规律仍在探索中。 1 2 1 桩周土体的变化 1 、位移场的变化 桩在贯入过程中，会对周围土体产生挤压作用，从而使土体产生隆起和水平位 移。许多研究者以桩周土体的隆起量与桩压入土体内的总体积之比作为度量，如式 ( 1 1 ) 所示： 平均隆起量= 口面曩妄淼 ( 1 1 ) 式中盯排土量占整个桩的体积百分比。 o r r j e & b r o m s ( 1 9 6 7 ) l q 发现钢筋混凝土预制桩在灵敏的软粘土中排土量为约 3 0 ；a d a m s & h 锄a ( 1 9 7 1 ) 团发现，h 型钢桩压入较硬的土体中时，盯为1 0 0 ；h a g e r t y p e e k ( 1 9 7 1 ) 1 3 1 发现不灵敏土中a 为5 0 。 对于土体中侧向位移的变化规律，学者们的观点比较一致：随着距桩中心的距离 增大，侧向位移减小，呈现指数形式的变化规律( h a g e r t y & p e e k ，1 9 7 1 ；c o o k & p r i c e ， 西安建筑科技大学硕士论文 1 9 7 3 ：r a n d o l p h e la l ，1 9 7 9 ) 【4 l 【5 1 。 以上数据表明，在饱和土中压桩时，存在着地表面的隆起和侧向位移问题。 2 、孔隙水压力的变化 由于桩的挤土效应，在沉桩过程中，桩周土中应力会发生很大变化，若土中的 孔隙水来不及排出，将会产生很高的超孑l 隙水压力；在沉桩完毕后，随着土体的固 结，超孔隙水压力逐渐消散。对于不同的土体，超孔隙水压力消散速度有较大的差 异。一般来讲，在粘性土中，孔压的消散与其渗透系数、厚度、桩距等因素有关。 对于桩周的超孔隙水压力，l a m b e & h o r n ( 1 9 6 5 ) 1 6 1 在m i t 的材料中心楼施工过 程中进行了测量，得出桩体范围内垂直方向的孔压随着离地表面距离的增加其增长 较快的结论；l o & s t e r m a c ( 1 9 6 5 ) 州测出桩体附近的孔压接近整个上覆土体的重量； e i g e n b r o d & i s s i g o n i s ( 1 9 9 6 ) 1 8 l 根据钢桩经软弱的高灵敏度粘土穿进坚硬的粘性土 及砂土时的实测结果得知：在软弱土层中，只有较低的孔压产生，而在坚硬的粘土 及砂土中，会产生高的多的孔压；j i n - h u r t g ，h u a n g ，e t a l ( 2 0 0 1 ) 9 通过一个大尺寸的压 入桩试验得出如下结论：( 1 ) 砂性土与粘性土中的孔压变化存在着异同；( 2 ) 当 桩压入孔压仪下方4 倍的桩径时，两种土中孔压均达到最大；( 3 ) 在砂土中，在距 桩心三倍桩径处，低于地面6 m 的地方，超孔压为有效上覆应力的1 5 倍；( 4 ) 在 1 5 倍的桩径之外几乎都不存在超孔隙水压力。 桩周超孔隙水压力的消散方面，s o d e r b e r g ( 1 9 6 2 ) t o l 假定桩周孔压在垂直方向 上没有变化，而径向的孔压与桩中心的距离成反比，结合圆孔扩张理论及达西定律， 利用有限差分法给出了孔压沿径向方向随时间的消散规律。r a n d o l p h & w r o t h ( 1 9 7 9 ) 1 5 假定土骨架在固结过程中的变形为弹性变形，且在土单元中只有径向位 移的情况下，给出了孔压的消散规律。 樊良本( 1 9 8 1 ) b i 分析了打桩过程中产生的超孔隙水压力；姚笑青，胡中雄 ( 1 9 9 7 ) p 2 1 也给出了土体在压桩过程中弹塑性区内超孔隙水压力的计算式。 1 2 2 周边环境受到的影响 1 ) 、对已入桩的影响 当桩被压或打入到土中时，会在桩周土体内产生较大的附加应力及水平和竖向 位移，这些应力及位移的变化对已置入的邻桩会产生轴力和弯矩，由此可能产生如 下几个方面的结果： ( 1 ) 产生的弯矩可能造成桩体破坏、开裂； ( 2 ) 产生的轴向力可能引起桩体受拉破坏； ( 3 ) 由于土的竖向位移可能引起桩体上抬，拔断桩体，形成断桩；桩端也可能 与持力层脱离，造成悬桩，极大地影响单桩承载力。 西安建筑科技大学硕士论文 上述三种情况对于近桩距、多桩数、大直径的排土桩会造成更为严重的不利影 响。h a g e r t y & p e c k ( 1 9 7 1 ) p j 根据现场实测，认为土的隆起近似为桩所排开土体体 积的一半，并在桩身受力平衡的基础上给出了邻桩上浮量的估计；c h o w & t h e ( 1 9 9 0 ) 在利用s a g a s e t a ( 1 9 8 9 ) 1 4 】的方法得到桩周土体位移场的情况下，采用 弹性理论给出了邻桩隆起量的矩阵形式，并分析了隆起量随着桩与土的模量比及长 径比的变化规律；p o u l o s ( 1 9 9 4 ) 1 1 4 】采用边界元的数值方法分析了挤土效应造成的 轴向力和桩身弯矩，并给出了桩距、桩长、桩数等对其影响。 樊良本( 1 9 9 8 ) i l 副分析了打桩抬高的机理，认为打桩挤压产生的士体位移是邻 桩被抬高的主要原因，但没有给出邻桩上浮量的计算方法。 2 ) 、对临近建筑物、管线及道路的影响 排土桩常用在城市建设中，由于建筑红线距离邻近建筑物、管线及道路较近， 群桩施工可能会造成邻近建筑物基础上抬、结构变形、地坪和墙面开裂、附近地下 管线及设施的破坏等工程事故。国内外的文献在这方面的报道较少，王浩，魏道垛 ( 2 0 0 2 ) 1 1 6 】采用数值方法分析了表面约束下的沉桩挤土效应问题，讨论了周边环境 与沉桩的相互作用对地表隆起及水平位移的影响。 1 1 2 3 群桩的挤土效应 挤土效应分析方法有其特殊性和复杂性，既包括几何非线性和材料非线性，又 包括接触非线性。因此，在群桩挤土应力、挤土位移的解析及数值解方面的进展都 比较缓慢。周健等( 2 0 0 0 ) 【】在平面应变条件下，采用圆孔扩张的有限元方法对群 桩的挤土效应进行了数值模拟，所得的结果与实测相差很大，但趋势是一致的。 1 3 排土桩问题的研究方法及其评价 排土桩问题的性质比较复杂，涉及到有限变形、摩擦接触、本构关系、固结理 论等问题。从5 0 年代起，排土桩问题就成为许多学者的研究重点，从前人研究的思 路来看，大致可分为试验研究和理论研究两大方面。 1 3 1 试验研究 由于早期计算手段、计算方法以及人们对这一问题的认识水平等因素的限制， 一些学者试图通过实验的方法来研究这个问题，希望能从大量的实测数据中寻找到 规律，总结出经验公式，以便推广到实际情况中去。这类试验研究方法又可分为原 位试验研究和模型试验研究两种。 1 3 1 1 原位试验研究 t e r z a g h i i l 副曾报道了将2 1 m 长的木桩打入软粘土中，每锤一击，相邻的桩会升 起1 0 - - 1 2 c m ，这即是沉桩引起的上覆土层隆起的问题。h a g e r t y & p e e k l l 埘通过调查 4 西安建筑科技大学硕士论文 1 3 个涉及到土体位移和桩身位移的工程实例，对土体位移和地表隆起做了分析研 究，其结论如下：a 、打桩过程中，灵敏粘性土的体积压缩导致所排土体体积的减少， 而对饱和的、非灵敏粘性土，在打桩过程中，其不可压缩性使所排土体的体积就等 于打入桩的体积，地表隆起要比前者大得多；b 、当打桩顺序是从周边向中间退缩时， 桩基中间的地表隆起要比按逐行顺打时的地表隆起量大；c 、对饱和的、非灵敏粘性 土，按规定的顺序打桩并假定地面水平时，打桩范围内地表隆起量可按下列过程估 算：先将打入桩的桩身体积v 。除以它们所包围的土体体积v 。得到体积置换比；土 体隆起的归一化( 等于土体隆起h 。除以桩身长度l ) 按经验估算，对于常见的型号 和尺寸及基础布局，归一化的土体隆起近似等于体积置换比的一半；归一化的土体 隆起与桩的平均长度的乘积，就是土体隆起的估算值。m a r s s a c h 通过对实际沉桩工 程中单桩周围土体的观测，得到以下结论：桩身周围的土体主要向下运动，然后从 周围挤出；接近地表的土体主要发生向上运动；深层土体主要发生水平向的运动。 h o u s e l & b u r k c y ( 1 9 4 8 ) 1 8 】，c v u m m i n g s 、k e r h o f f & p e c k ( 1 9 5 0 ) d g j 较早调 查了沉桩对粘土性能的影响。根据在沉桩后不同时刻对桩进行的持续加载到桩失效 的试验结果，推断出粘土的不排水强度在沉桩的初试阶段下降很多，但随后会随时 间的消逝而显著恢复。这是由于沉桩瞬时桩周土被严重重塑，使桩周土的不排水剪 切强度有显著下降。最后的强度增长是由于粘土的触变性和桩周土中的局部固结所 产生的强度恢复；o n j e & b r o m s ( 1 9 6 7 ) 叫调查了灵敏土中沉入混凝土桩对桩周土 体强度恢复所需的时间。他们认为土的不排水强度在沉桩9 个月之后几乎恢复到其 原有值( 指未受扰动之前的c u 值) 。他们还发现，当群桩中桩的间距小于四倍的 桩径时，随时间的消逝，强度恢复程度很低。 l a m b e & h o r n ( 1 9 6 5 ) ，o r r j e & b r o m s ( 1 9 6 7 ) i i 刈等研究了沉桩过程中产生的 超孔隙水压力，结果显示：超孔隙水压力等于甚至大于土体的有效应力。然而，产 生的超孔隙水压力随着与桩距离的增加而急剧降低，且随着这个距离的增大孔压也 消散加快。另外，土的灵敏度对孔压的大小有显著的影响，灵敏度高的土中的孔压 值也高。 在国内，上海工业建筑设计院与南京水利科学研究所1 9 7 5 年对上海二区散粮筒 仓工程的群桩基础进行了原位观测，并作了定性分析。樊良本在杭州某教学大楼桩 施工阶段，观测孔隙水压力分布，发现了孔隙水压力在打桩过程中起伏变化的过程。 另外，上海工业建筑设计院从噪音，振动及挤土三方面结合实际工程论述了沉桩对 周围环境的影响。 1 3 1 2 模型试验研究 c a n e r j e e i l 州等利用模型固结试验箱做了粘土挤土效应试验，桩体上装有器件可 测轴力、侧向土压和超孔隙水压力，将沉桩过程及再固结过程中观测到的桩周土体 西安建筑科技大学硕士论文 的应力，超孔隙水压力与大应变有限元( 贯入分析) 计算结果、圆孔扩张结果相比 较，皆较为吻合。俞季民在6 0 c m x 6 0 c m x l 2 0 c m 的刚性槽中，将模型桩压入砂土中， 观测了桩贯入后桩周土体附加应力的情况。结果表明：桩贯入后，土体应力主轴由 垂直转向水平向；桩径大小与挤土作用消失的快慢密切相关。樊良本等设计了k o 仪进行桩模拟试验，测定了模型桩沉桩引起的土中径向应力增量，验证了圆孔扩张 理论解释单桩周围土中应力变化的适用性，为研究人员提供了一个较好的试验方法。 粘土中典型的沉桩试验还有a z z o u z 等用装有p l s 压力盒的模型装沉入两种粘 土层中，这种压力盒可以同时测量作用在桩身上的水平总应力，孔隙水压力和剪应 力。其结果表明：应变路径法比圆孔扩张更好地接近实测，而土的敏感度对作用在 桩侧的有效应力影响较大，该试验着重于对桩体侧摩阻力性状的分析。 1 3 2 理论研究 用理论来研究沉桩引起的土中孔压的产生及消散过程，桩周土体强度变化和桩 的极限承载力的变化等现象由来已久。大约从七十年代起，国外开始采用理论分析 和数值模拟的方法来研究压桩问题，并在这方面作了不少工作，归纳起来，对沉桩 引起的应力、孔压及土体位移的计算有以下几种方法：圆孔扩张理论( c a v i t y e x p a n s i o nm e t h o d ，简称c e m ) 、应变路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ，简称s p m ) 、 有限元分析法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 。 1 3 2 1 圆孔扩张理论( c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ) b i s h o pr e h i l lr 与m o hn f ( 1 9 4 5 ) 卜在压痕硬度试验理论中讨论了无摩 擦介质( 剪切内摩擦角为0 0 ) 中的圆柱形与球形小孔扩张问题，随后该理论被引入 岩土工程中并广泛用于分析桩的承载力，桩孔扩张等。圆孔扩张理论首先假设土体 是理想弹塑性体，材料服从t r e s e a 或m o h r - c o u l o m b 屈服准则，根据弹塑性理论给 出无限土体内，具有初始半径的柱形孔或球形孔被均匀分布的内压力p 所扩张的一 般解。由于桩体贯入时，一定深度处的土体逐渐出现半径为桩径的孔洞，周围一定 范围土体进入塑性状态，因此，一般忽略地表与桩尖的影响，将其简化成轴对称平 面应变问题，把桩沉入土中看作为土中扩张出一个与桩径相同的圆柱形小孔，扩张 过程中，内应力不断增大，直到扩张形成塑性区和弹性区，然后利用力学平衡方程 和假定的土体本构关系，进行总应力分析，从而求出塑性区的增量，孔隙水压力增 量等。 b u t t e r t i e l d & b a n e r j e e l 4 l 首先提出用平面应变条件下的柱形孔扩张来解决饱和 土中桩体贯入问题。他们假设：1 ) 土是均匀的、各向同性的理想弹塑性材料；2 ) 土体饱和、不可压缩：3 ) 土体屈服满足m o h r - - c o u l o m b 强度准则；4 ) 小孔扩张前， 土体具有各向等同的有效应力。随着内压p 的增大，围绕柱形孔的部分区域将由弹 性状态进入塑性状态，塑性区随p 的增大而不断扩大，以外土体仍保持弹性状态。 6 西安建筑科技大学硕士论文 之后v e s i e ( 1 9 7 2 ) 1 2 0 l 采用相关联流动的m o i l r c o u l o m b 屈服准则，给出了理想弹 塑性圆孔扩张问题的基本解，并于1 9 7 7 年将其用于了深基础承载力方面的研究； c a r t e r ( 1 9 8 6 ) 1 2 l j 采用非相关联流动的m o h r - - c o u l o m b 屈服准则，并考虑了塑性区 的大变形，得到了圆孔从零半径到有限半径的极限应力解。接着圆孔扩张理论在屈 服面模型、本构关系、大小应变及数值解方面都取得了较大的进展。随后圆孔扩张 理论也被用于模拟静压桩的沉桩过程。对于饱和的软粘土而言，需要确定压桩阻力 及压桩过程中产生的超孔隙水压力。r a n d o l p h ( 1 9 7 9 ) 1 5 利用柱形孔扩张理论，采 用数值计算分析了孔隙水压力消散的规律，并给出了孔压消散后桩的极限承载力； s a g a s e t a ( 1 9 8 4 ) 应用圆孔扩张法模拟了沉桩过程并推导出地面隆起量的计算表达式； c h o w ( 1 9 9 0 ) 1 1 3 i 利用圆孔扩张法把沉桩过程当作一个准静态过程，求出了桩周土体 的位移场。在国内，樊良本( 1 9 8 1 ) i 应用桩基模型试验对理论进行了验证；胡中 雄，( 1 9 8 5 ) 1 2 2 1 ；姚笑青，胡中雄( 1 9 9 7 ) 1 2 3 1 将饱和土中压桩的挤土效应问题视为半 无限土体中柱形小孔的扩张问题，应用弹塑性理论求出了沉桩瞬时的应力和变形； 近年来，c e m 还发展到可以考虑材料应变硬化，应变软化等。这反映在土体本构模 型的采用由简单的m o h r - - c o u l o m b 模型发展为可以考虑应变硬化的修正剑桥模型 和应变软化的应力一次跌落模型，从而有利于考虑土体的实际变形特性，如剪胀等。 这是c e m 的一大进步。王启铜，龚晓南( 1 9 9 4 ) 1 2 4 采用拉压不同模量，建立了桩 周围土体的应力和位移表达式；蒋明镜，沈珠江( 1 9 9 6 ) 给出了考虑应变软化的桩 周土体应力与位移的关系式；另外，施建勇等还拟将损伤概念引入沉桩研究中，这 也是其发展方向之一。 c e m 之所以会得到如此广泛的应用，这与其形式简单，易于求解是密不可分的。 总的说来，c e m 具有以下优点：1 ) 径向对称的平面应变假定将问题简化为一维问 题，未知变量数目很少；2 ) 控制方程由一套复杂的偏微分方程简化为一个一次微分 方程，可直接求解；3 ) 由于求解方法的简单，可以对该贯入问题的许多复杂方面进 行考虑，如大应变，高梯度，多重介质等。但是，应当指出，经典的c e m 具有一 个很大的缺点，即其将一维的圆孔扩张解应用于桩体贯入这样一个三维轴对称问题， 它假设应力只与径向坐标r 有关，而与竖向坐标z 无关，忽略孔壁竖向摩擦力的影 响。然而，在沉桩过程中，孔壁竖向摩擦力是显然存在的，它对土体中应力和位移 必定要产生影响，c e m 对之未加考虑即予以忽略，这是不恰当的；另外，严格地说 来，圆柱形孔扩张理论的平面应变假设和球形孔扩张理论的无限空间假设都是和实 际情况不相符的，其不能很好地模拟压桩过程。c e m 模拟静压桩沉桩有其合理的内 核，但尚存在上述问题，应当在以后的发展中对其进行改进。 1 3 2 2 应交路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ) 根据压桩产生的土体变形规律，麻省理工学院b a l i g h 等学者经过十年的研究总 西安建筑科技大学硕士论文 结出了一种主要用于分析深基础问题的方法应变路径法( b a l i g h ，1 9 8 5 ) l 4 j 。s p m 基于这样的假定：土体不排水，刚性体处于稳定的压入过程，且在土体中产生的变 形及应变不是由剪应力控制，而是由不旋转的无粘性理想流体来决定的。但是b a l i g h 的模型是用点源和竖直方向的流场来模拟光滑圆头桩的沉入过程，忽略了地表边界 条件( 自由面) 因此，应变路径法只适用于桩端附近的应变场，而对于远离桩端 的应变场则很难得到一个合理的结果，且没有实际的物理意义。例如。用s p m 分析 桩的压入过程时，所有的土体单元都具有向下的位移，但是许多已有的现场观测资 料表明地表面有隆起，特别是对于桩的长径比比较小时，压入过程受地面的影响更 大，已不符合b a l i g h 的假定。随后b a l i i g h ( 1 9 8 6 ) 引在利用应变路径法得出位移及 应变场基础上，也推导出了相应的剪应力及孔压规律。b a l i 曲& l e v a d o u x ( 1 9 8 6 ) h 分析了桩压入后的土体固结过程，并给出了孔压的消散规律。d a n z i g e r ，a l m e i d a & s i l l s ( 1 9 9 6 ) p 1 也将s p m 用于旁压试验。h u a n g ，a b ( 1 9 8 9 ) p 1 采用s p m 给出了任意 性状的旁压仪在刺入过程中产生的位移及应变场。由于采用许多平面四边形的组合 来代替实际压入体的表面，因此只能利用数值解法。s a g a s e t a ( 1 9 8 9 ) h 为了解决地 表面无约束的情况，利用源与汇的相互作用得到了地表面的位移解。c h o w & t h e ( 1 9 9 0 ) 利用s a g a s e t a ( 1 9 8 9 ) 的计算方法得到了桩周土体的竖向位移场，然后利 用弹性理论法讨论了邻桩的上抬规律，并研究了参数变化对邻桩上抬产生的影响。 s a g a s e t a ( 2 0 0 1 ) 弘叫在原来所做工作的基础上对沉桩产生的地表土体位移给予了全 面总结。虽然压桩力对于不同的地基土而言存在较大的差别，但对于刚度较大的桩 体而言，沉桩在土中产生的变形具有相似的地方。而且应变路径法能得到较为合理 的解析解，使计算结果简单合理，因此有较大的发展空间。上述学者在应变路径法 的提出及其深化方面都做出了较多的工作，但是s p m 还有以下几方面的问题： 1 ) 整个桩身范围内的土体位移：大多数研究者所关心的是地表的隆起及径向位 移，对于土体内部的位移场没有给予太多的关注，而土体的内部位移场对周围环境 的影响较大。因此，如何有效地利用s p m 计算土体内的位移场显得尤为重要； 2 ) 桩型问题：多数利用应变路径法的学者只是对圆截面实心桩的挤土效应进行 研究，但实测表明桩型对压桩的挤土效应存在着较大的影响。因此，如何考虑桩型 的影响也是一个重要的问题； 3 ) 大应变与小应变的问题：上述学者利用s p m 得到的解只是远桩处的情况， 也就是在小应变的假定基础上得到的。而在实际桩的压入过程中，桩附近一定范围 内存在大应变，这样会造成在一定的桩径范围内利用小应变的假定所计算的结果与 实际不符； 4 ) 土体不可压缩的问题：应变路径法假定土体为均匀的，不可压缩的。但对于 挤土桩而言，由于桩周土的大变形，会在桩周土中产生塑性区，也就会产生塑性体 积应变。因此，为了能很好地利用s p m ，则需要考虑塑性区的体积变化； 8 西安建筑科技大学硕士论文 s ) 桩土界面摩擦的影响：沉桩过程中，桩与土界面相互挤压，并发生滑移。因 此，桩土截面的接触摩擦势必会对土体的位移场产生影响，应变路径法没有考虑这 种影响。 总的来说，应变路径法由于没有考虑土体的本构关系，所以它始终只能是一种 近似方法。 1 3 2 3 有限元分析法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 应用有限元法模拟桩体的贯入过程，可以解决沉桩过程中的几何非线性和材料 非线性双重非线性问题。当采用较复杂的土体本构模型和边界条件时，求解析解是 比较困难的，应用有限元法可以解决这方面的问题。在采用有限元法分析沉桩过程 的研究中，有以下两种类型：小变形和大变形有限元。 1 ) 小变形有限元：沉桩模拟的有限元分析首先由c a r t e rjp e t a l ( 1 9 7 9 ) u q 提 出，在研究中采用的土体模型有理想弹塑性和修正剑桥模型，并将土视作两相介质， 用b i o t 理论分析其固结过程。由于小孔从零扩张会造成计算中应变无穷大，所以小 孔的扩张从初始半径扩张至最终半径；由于只考虑平面应变问题，其有限元单元采 用了环形单元。用此方法可求解排水或不排水沉桩过程中及沉桩