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成层地基中静压桩挤土效应及防治措施 摘要 静压桩产生的挤土效应容易对周边环境造成不利的影响，严重者可能引起邻 近的建筑物开裂，道路隆起以及地下管线断裂等工程事故。因此，有效预估静压 桩产生的挤土效应以及采取减少挤土效应的各种措施具有非常重要的工程意义。 本文首先较详尽地叙述、分析了有关静压桩挤土方面的各种研究方法和现状，指 出它们的优缺点，并在此基础上做了如下工作： 1 采用位移贯入法，建立了接近工程实际的二维轴对称有限元模型。该模 型能够较好地解决如下问题：有限变形问题；接触非线性问题；弹塑性本构关系； 计算机的耗时问题；地基初始应力场问题。由此，更真实全面地实现了对单桩连 续压入土体全过程的模拟，具有仿真效果。 2 对均质地基中静压单桩施工过程及施工结束后的土体应力场和位移场， 以及不同参数( 桩土模量比、土体泊松比、士体粘聚力及内摩擦角、桩土摩擦、 考虑与不考虑地基初始应力场) 条件下的土体位移场进行了详细的有限元模拟和 分析。 3 对不同土层分布情况下的成层地基中静压单桩产生的应力场、位移场进 行了详细的有限元模拟和分析。指出：( 1 ) 压桩使较硬土体向位于其上、下的较 软土体中“挤迸”。( 2 ) 软硬土层交界处，土体水平位移发生骤变，要明显大于 均质软土情况时的水平位移。( 3 ) 软硬土层交界处，土体水平挤压应力发生应 力间断，硬土层的挤压应力要显著大于软土层的挤压应力。 4 对横观各向同性土中、考虑土体剪胀性、双排桩平面应变条件下、考虑 桩机作用、设置防挤槽等情况下的静压桩挤土效应进行了详细的有限元模拟、分 析，得到一些规律性的认识。指出；硬层土的存在将使桩身产生更大的拉应力， 并使桩体产生反复挠曲，从而使桩身开裂，甚至折断。 5 、通过对一例实际工程中桩周土体位移的观测，详细分析了桩周土体位移 的分布情况及随时间的变化规律，得到一些具有工程意义的结论。首次指出，静 力压桩是桩身在压桩力作用下挤压土体和桩机压土二者共同作用的动态过程，静 压桩机作用于土体所形成的附加位移场是不可忽略的。 6 总结了各种可采用的减少静压桩挤土效应的措施，指出其优缺点。 关键词：静压桩，挤土位移场，挤土应力场，有限元法，位移贯入法，圆孔扩张 法，成层土，应力间断，横观各向同性，剪胀性，桩机，桩土界面，防挤槽 s t u d yo nc o m p a c t i n ge f f e c t so fj a c k e dp i l ei nl a y e r e d g r o u n da n di t sp r e d i c t l 0 na n dp r e v e n t l 0 n t h eo b v i o u sc o m p a c t i n ge f f e c t sc a u s e db yt h ep e n e w a t i o no fj a c k e dp i l em a y h 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 ge n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t s oi ti si m p o r t a n tf o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nt h a tc o m p a c t i n ge f f e c t so f j a c k e dp i l ea r ee f f e c t i v e l yp r e d i c t e d a n dm e s e a u r e st h a tc a nd e c r e a s et h ec o m p a c t i n ge f f e c t so f j a c k e dp i l ea r et a k e n t h i s p a p e rf i r s t l yr e c i t e sa n da n a l y z e st h er e s e a r c h i n gm e t h o d so fc o m p a c t i n ge f f e c t s ，a n d p o i n t so u tt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nd e t a i l t h e nb a s e do nt h ea b o v e a n a l y s e s ，s o m em a i no r i g i n a lw o r ka r em a d ea sf o l l o w s 1 at w o - d i m e n s i o n a la x i s y m m e t r i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lw h i c ha c c o r d sw i t h a c t u a lp r o c e s so fj a c k e dp i l ei se s t a b l i s h e d ，a n dd i s p t a c e m e mp e n e t r a t i o nm e t h o d w h i c hi sm o r er e a l i t ya n dh a st h ee f f e c to fa n i m a t e ds i m u l a t i o ni sa p p l i e d s ot h e f o l l o w i n gp r o b l e m sa r e s o l v e d i n c l u d i n g f i n i t ed e f o r m a t i o np r o b l e m ，c o n t a c t n o n l i n e a rp r o b l e m , e l a s t o p l a s t i cc o n s t i t u t i v e1 a wc o n s u m i n gt i m eo fc o m p u t e r , f o u n d a t i o n si n i t i a lg e o s t a f i cp r e s s u r ef i e l d 2 c o m p a c t i n gd i s p l a c e m e n tf i e l da n dc o m p a c t i n gs t r e s s f i e l di nh o m o g e n e o u s s o i ld u r i n ga n da f t e rs i n g l ep i l ec o n s t m c t i n na 圮s i m u l a t e da n da n a l y z e d a n dt h e e f f e c t so fd i s p l a c e m e n tf i e l d sa r ep u tf o r w a r di n d e t a i lc a u s e db yd i f f e r e n tm o d u l u s r a t i o ，f r i c t i o nb e t w e e np i l ea n ds o i l ，p o s s i o nr a t i oo fs o i l ，s o i li n d e xo fca n d 由， f r i c t i o nb e t w e e np i l ea n ds o i l ，c o n s i d e r i n gf o u n d a t i o n si n i t i a lg e o s t a t i cp r e s s u r ef i e l d o r n o t 3 c o m p a c t i n gd i s p l a c e m e n tf i e l da n dc o m p a c t i n gs t r e s sf i e l di nl a y e r e dg r o u n d a r es i m u l a t e da n da n a l y z e di i ld e t a i l ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r cp o i n t e do u t ：( 1 ) t h e h a r d e rs o i ll a y e rw i l lb ep u s h e di n t ot h es o f t e rs o i ll a y e rw h i c hi sl i e da b o v eo r b e n e a t hi t ( 2 ) t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tn e a rt h eb o u n d a r yb e t w e e nt h eh a r d e rs o i l l a y e ra n dt h es o f t e r s o i l l a y e rw i l li n c r e a s ea b r u p t l y ( 3 ) t h eh o r i z o n t a ls t r g s s d i s e o m i n u i t ya tt h eb o u n d a r yw i l lh a p p e n 4 s e v e r a lc o n d i t i o n s c o m p a c t i n gd i s p l a c e m e n tf i e l da n dc o m p a c t i n gs t r e s sf i e l d w h i c hi n v o l v et r a n s v e r s e l yi s o t r o p i cs o i l ，s o i l sd i l a t i o n , t w o - l i n e - # l e su n d e rp l a n e s t r a i nc o n d i t i o n ，c o n s i d e r i n gp i l el n a c h i n e sr o l e ，e x c a v a t i n ga l la n t i c o m p a c t i n g g r o o v ea r es i m u l a t e da n da n a l y z e di nd e t a i l i ti sp u tf o r w a dt h a tb e c a u s eo f t h eh a r d e r s o i ll a y e r se x i s t e n c em o l et e n s i l es t r e s sw i l la p p e a ri np i l eb o d ya n dt h ep i l eb o d y w i l lb e n dr e p e a n ya n db ep r o n et oc r a c ko rb r e a ke v e n 5 b yai n - s i t et e s t , c o m p a c t i n gd i s p l a c e m e n tf i e l dd u r i n ga n da f t e rp i l e s c o n s t r u c t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r eb r o u g h tu p i ti s f i r s t l yp u tf o r w a r dt h a ts q u e e z i n ge f f e c t so fs t a t i cp i l i n gi sai n t e g r a t e dr e s u l to f v e r t i c a lp r e s so ns o i lb ys t a t i cp i l i n gm a c h i n ea n dt h ep r e s s e d p i l e sd r i v i n gi n t os o i l 6 m e a s u r e st h a tc a nd e c r e a s et h ec o m p a c t i n ge f f e c t so f j a c k e dp i l ea r es u m m e d u pa n di l l u m i n a t e di nd e t a i l k e y w o r d s ：j a c k e dp i l e ，c o m p a c t i n gd i s p l a c e m e n tf i e l d ，c o m p a c t i n gs t r e s sf i e l d ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，d i s p l a c e m e n tp e n e t r a t i o nm e t h o d ，c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d , l a y e r e d s o i l ，s t r e s sd i s c o n t i n u i t y , t r a n s v e r s e l yi s o t r o p i c ，d i l a t a n c y , p i l em a c h i n e ，i n t e r f a c e b e t w e e np i l ea n ds o i l ，a n t i c o m p a c t i n gg r o o v e 浙江大学博士学位论文 成层地基中静压桩挤土效应及防治措施 1 1 引言 第一章绪论 与其它桩型相比，静压桩具有如下优点【1 3 9 l ： ( 1 ) 施工无噪音，适合于市区作业。目前有些城市已禁止在市区内锤击打 桩，静压桩施工法是一种理想选择。 ( 2 ) 施工无振动，适宜在有危房、精密仪器房附近及河口岸边等地区施工。 ( 3 ) 可工厂化预制，加早强剂后5 天左右就可以压桩，时间周期短，且施 工前的准备期也可缩短。 ( 4 ) 静压桩压入施工时不像打桩那样在桩身产生动应力，减少了对桩的破 坏力，从而可以降低对桩身的强度等要求，节约钢材和水泥。 ( 5 ) 施工过程中的压桩阻力能自始至终地显示和记录，可定量观察整个沉 桩过程，桩的承载力有保障，这一点技术人员特别感兴趣。 ( 6 ) 施工文明，场地清洁，桩头布置整齐。自动化程度高，劳动强度低。 ( 7 ) 适用于岩溶地区施工，而打入式预制桩一般不适用于这些地区。 ( 8 ) 送桩深度比打入式要深，且送桩后桩身质量较可靠，因此特别适用于 带有多层地下室的高层建筑。 ( 9 ) 接桩方便，桩长不像沉管灌注桩那样受施工机械的限制，在深厚软土 地区使用，有较大优势。 ( 1 0 ) 经济效益高。静压预制桩本身的工程费用，可能比灌注桩高，但如果 考虑其承载力高( 单方传力比大) 、桩身质量有保障、承台可减小、施工周期短 等方面的因素，设计合理时的综合效益比灌注桩要高。一般而言，静压桩单方混 凝土的传力比灌注桩的高1 6 2 ，0 倍。 基于以上优点，静压桩己在我国得到了广泛而大量的应用。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。这种影响主 要表现在以下4 个方面1 1 2 5 1 ： ( 1 ) 对邻近建筑物和地下管线的影响。在密集的建筑群中间打桩时，经常 使邻近的建筑物和地下管线受到损害。例如，上海某高层建筑桩基施工时，由于 附近民房结构较差，基础埋深较浅，因打桩造成基础开裂，居民不得不被迫搬迁。 打桩附近的地下煤气管道也因土体受挤位移而破裂，造成泄漏和火灾。又如上海 建国西路某高层住宅大楼桩基施工时，为了避免噪音而采用静压桩施工，结果由 于挤土作用引起高的孔隙水压力，使3 0 多米开外的一口井的水质变得混浊。 ( 2 ) 桩的抬高、挠曲和折断。在饱和软土中打桩时，由于桩要置换相同体 第一章绪论 积的土，因此打桩区内及附近的地面会隆起。如果在灵敏性土中打桩，桩周土会 产生很高的孔隙水压力，有可能使土液化，使先打入的桩向上浮起。太沙基( 1 9 4 2 ) 曾报道过，把一根2 1 米长的木桩打入到一种褐色软土中，发现每击一下，邻桩 升起最大达1 5 2 0 c m ，打桩结束时，邻桩浮起量达l o 3 0 c m 。 由于地面隆起，已打入的桩上抬，造成桩尖脱孔，载荷试验时会发生突沉现 象。这种假极限现象常给确定单桩承载力时造成困难。对于不出土的挤压沉管灌 注桩来说，危害更大，这类桩配筋很少，前桩刚刚初凝，由于后桩的挤土作用， 常使前桩发生断裂。上海某工程破坏实例，地面大量隆起，桩体断裂破坏，经挖 开观察，最多的断裂成5 节，试桩后承载力仅为几吨，整个工程6 0 0 多根桩不得 不报废。 ( 3 ) 在边坡或边坡附近打桩时的影响。在港工建设中，常需要打大量的桩， 由于临江面的边坡阻力小，桩位常向江面移动，更严重的会导致边坡失稳，所以 要特别小心。如上海某电厂在黄埔江边建一煤厂，由于打桩没有控制，使原有码 头桩向江面移动并发生断裂，防洪墙损坏。不得不中断施工，改变桩型。 ( 4 ) 打桩和基坑开挖相互影响，有两种情况： 第一种情况是指打桩区附近开挖基坑时，由于侧卸载，常造成邻近基坑维护 体系移动，以及桩本身向基坑方向移动。桩越密，基坑越深，影响越严重。例如， 1 9 7 9 年上海某厂的热风炉和高炉基础桩基底板刚浇注完毕，在靠近热风炉一侧5 米左右，降水开挖电缆沟及地下管线沟槽时，结果热风炉基础向电缆沟方向水平 位移量2 0 m m 。 第二种情况是基坑工程本身大量卸载，由于大量桩打入地下，储存着的很大 的挤压应力释放，工程桩本身会发生位移。移动方向往往与挖土方向一致。如浙 江杭州某大楼基础施工，打桩后基坑开挖时，最大一根桩的顶部位移达1 米多。 除桩的位移外，由于桩周土被扰动以及开挖时应力释放，基坑边坡容易失稳。桩 群周围士体的扰动程度主要取决于土的性质、桩的密度等。因此，在边坡开挖设 计时，通常把土的不排水强度降低2 0 3 0 左右来考虑。 ( 5 ) 桩承载力的后期效应。打桩过程，对周围土体来说，是一个不排水的 挤压过程。因此，在桩周土体中必然会产生较高的孔隙水压力。打桩结束后，孔 隙水压力消散，桩周土体发生再固结，再固结导致土体有效应力增加，因此桩的 承载力会随着时间而增加。另外，再固结导致桩间土下沉，使得土面和承台脱开， 同时可能也对桩产生负的摩擦力。 上述打桩对环境和工程本身造成的严重影响，是桩的挤土效应和周围环境的 共同作用的问题，它的涉及面非常广，问题的双方都非常复杂，这使本课题的研 究具有非常迫切的现实意义。 浙江大学博士学位论文成层地基中静压桩挤土效应及防治措旌 1 2 静压桩的沉桩挤土机理及软土地基中的沉桩特性 i 2 1 静压桩的沉桩挤土机理n 嘲 当预制桩在静压力作用下贯入土层中时，桩 周土体会受到剧烈的挤压，桩尖首先直接使土产 生冲剪破坏，孔隙水受此冲剪挤压作用形成不均 匀水头，产生急剧上升的超孔隙水压力u ，扰 动了土体结构，这种破坏和扰动随着桩的贯入会 连续不断地向下传递，使桩周一定范围内的土体 形成塑性区( 见图l _ 1 ) ，从而很容易使得桩身 继续贯入。压桩的阻力大部分来自桩尖向下穿透 土层时直接冲挤桩端土体的端阻力，其余来自桩 第一章绪论 一定程度的挤土效应。桩的入土体积越大，土的密度提高越高，挤土效应的影响 范围就越大。 1 2 2 粘性土地基中的沉桩特性n 删 在粘性土中沉桩时，压桩阻力主要来自桩尖向下穿越时冲剪土体产生的阻 力，而此时的桩侧阻力比较小。当桩尖穿越不同土层时，压桩阻力会发生突变。 桩尖处在某一土层中时，压桩阻力基本保持不变或略有波动。压桩后随时间推移， 单桩承载力显著提高。 静压桩后期承载力增加主要是因为：( 1 ) 土的触变时效。施工初期，桩周土 经沉桩挤压，土体产生裂缝，土中的部分吸附水变成自由水，强度降低。而在施 工结束后，土粒、离子和水分子体系，随时间推移而逐渐趋于新的平衡，土体建 立新的结构，使损失的强度随时间的推移逐步恢复。( 2 ) 固结时效。压桩完成后， 沉桩引起的超孔隙水压力逐渐消散，同时桩侧土在自重应力和沉桩扩张应力的共 同作用下固结，土的有效应力和密实度逐渐增大，强度逐渐恢复甚至超过其原始 强度。( 3 ) 桩周一小部分土体由于受竖向剪切和径向挤压丽完全重塑。这使桩在 贯入时阻力变小，但随时间推移，这部分土体的剪切强度会慢慢提高，最终大于 外围的土体剪切强度，形成了附着于桩表面的一层“硬壳”，相当于增加了桩体 产生摩擦承载力的表面积，从而使桩侧摩阻力显著增长。 1 3 静压桩挤土效应研究现状 自二十世纪五十年代以来，开始有人对静压桩进行研究，压桩力、承载力、 挤土效应及其对周围土体和环境的影响是研究的主要课题，主要的方法有现场实 测和室内试验研究、理论分析和有限元数值模拟三种。本文主要对有关“挤土效 应及其对周围土体和环境的影响”作较全面的介绍、分析。 1 3 1 现场实测和室内试验研究 ( 1 ) 桩周土体的位移 一些学者直接用桩周土体的隆起量占桩压入土体的总体积的百分比来衡量 桩挤性的大小。即，平均隆起量= 口x 磋囊盖淼。式中， g 为排土 量占整个桩体积的百分比。a v e r y w i l s o n ( 1 9 5 0 ) 测 ! 导| 搿为6 0 ；o r r j e b r o m s ( 1 9 6 7 ) 发现钢筋混凝土预制桩在灵敏的软粘土中口仅为3 0 ；a d a m s h a n n a ( 1 9 7 1 ) 发现，h 型钢桩压入较硬的士体中时，口为l o o ；h a g e r t y p e c k ( 1 9 7 1 ) 浙江大学博士学位论文 成层地基中静压桩挤土效应及防治措施 发现非灵敏粘土中口为5 0 左右，并基于桩身受力平衡对邻桩上浮量作了估计。 土体隆起量测量结果差异既与土体的特性有关，也与测量技术差等因素有关。 r a n d o l p h ，s t e e n f e l t w o r t h ( 1 9 7 8 ) 和c o o k e p r i c e ( 1 9 7 3 ) 等对桩 中段的桩周土水平位移进行了测量；谢新宇等( 1 9 9 7 ) 在施工现场对静压桩的挤 土效应进行了观测。学者们对桩周土的水平位移的变化规律的观点基本一致，认 为随着距桩中心的距离的增大，水平位移减小，且呈指数形式衰减。 我国的工程技术人员还从实测资料中总结了一些规律，提出了一些估算沉桩 挤土的水平位移和垂直隆起的经验公式。上海市市政工程管理局编制的软土市 政地下工程施工手册中给出了水平位移和垂直隆起的简单计算公式： a h = 屯如岛 a v = 毛尼2 k 3 a ( 1 3 1 ) ( 1 3 2 ) ( 1 3 3 ) 式中k 、如、如、e 为经验系数；f 为桩的截面积；矗为计算点距桩中心的距 离；埘、a v 分别为计算点的水平位移和垂直位移。 学者们还通过室内模型试验对沉桩挤土作了研究。樊良本( 1 9 9 8 ) 设计了模 型桩试验，在一组一定直径的土样中分别沉入不同直径的模型桩，分别测定土样 周界上总径向应力的增量，并与圆孔扩张理论解进行了比较，验证了圆孔扩张理 论的有效性；徐建平等( 2 0 0 0 ) 通过静力压入单桩和双桩的模型试验，获得了沉 桩过程中土体位移在水平和深度方向的变化规律；丁佩明( 2 0 0 3 ) 通过砂土中沉 桩模型试验，研究了沉桩对砂性土的挤密效应。由于对土体中静力贯入问题的严 格分析难度较大，所以人们纷纷借助于模型槽试验，以建立贯入阻力和土体性质 之间的经验关系式，上述经验关系式可分为三类：1 ) 与相对密度的关系；2 ) 与 摩擦角的关系；3 ) 与状态参数的关系。模型槽试验中，一个重要问题是土体位 移和超孔压的量测，人们已在这方面取得了许多实际经验。b a n e r j e e 在桩体上 安装摩擦力和侧压力测量元件，测定模型槽中桩体贯入过程中的应力；至于土体 位移的量测，刘祖德等( 1 9 8 9 ) 提出了显微镜跟踪法，应用于模型槽试验中；河 海大学岩土工程研究所已于1 9 9 6 年建造起一座大型多功能模型试验槽，侧面设 有有机玻璃窗。丁佩明利用该模型槽进行了砂土中的静压桩试验，通过在土体中 按一定的距离在垂直于试槽玻璃方向埋设长度小于5 m 的大头针，取得了有关压 桩产生的士体位移的一些成果。 第一章绪论 陈文( 1 9 9 9 ) 通过静压桩在不同粘土中贯入的离心模型试验，对桩体贯入饱 和粘土时的土体位移和初始超孔压进行了研究。试验得出以下结论：1 ) 同深 度处，径向位移随径向距离的增加而呈对数减小趋势；2 ) 同一径向距离处，在 地面以下2 3 桩长的深度范围内土体径向位移近似线性增加，在约2 3 桩长深度 以下径向位移急剧衰减，至桩尖以下5 - 1 0 倍桩半径处减小到零，在此范围内可 认为径向位移里线性递减分布。3 ) 在静压桩贯入过程中，发生土体拖带下沉和 隆起现象，该部分体积可达桩入土体积的3 0 ，这将减小压桩对水平方向土体位 移的影响。试验中单桩贯入时对土体的水平向影响范围约6 - 1 0 倍桩半径，远小 于通常采用的平面应变圆孔扩张理论所得出的2 0 倍桩半径。4 ) 孔隙水压力分布 具有空间性。初始超孔压随测量点至桩周水平距离的加大而呈对数衰减。5 ) 大 部分桩长范围内，初始超孔压随深度增大而增大，在桩尖处达到最大，桩尖以下 逐渐减小，直至为零。6 ) 初始孔压的影响范围大约在2 0 倍半径。7 ) 静压桩挤 土是一个空间课题，只有采用空间分析的方法才能解决。 ( 2 ) 土中应力和超静孔隙水压力 沉桩时会产生较高的超静孔隙水压，一般倩况下，桩侧附近超静孔压最大， 随着离开桩心距离的加大而急剧降低。超静孔压及其消散与土的性质尤其是渗透 性质、土层深度、桩距、桩体材料等因素有关。 l a m e h o r n ( 1 9 6 5 ) 在m l t 的材料中心楼施工过程中，测出桩长范围内 土体内超静孔压随深度增大而增大较快；l o s t e r m a c ( 1 9 6 5 ) 测出桩体附近的 孔压值接近整个上覆土体的自重压力；p o u l o s ( 1 9 8 0 ) 等研究得出结论：超静孔 压大小与土的灵敏度有关；桩侧附近超静孔压较大，大约为上覆土层有效应力的 1 5 - 2 。0 倍，桩尖处超静孔压最大，大约是上覆土层有效压力的3 4 倍； e i g e n b r o d i s s i g o n i s ( 1 9 9 6 ) 将钢桩由软弱的灵敏度高的粘土穿过坚硬的粘 土及砂土，根据实测结果得知：在软弱粘土中，只有较低的孔压产生，而在坚硬 的粘或砂土中会产生大得多的孔压；j i n g - h u n g ，e ta l ( 2 0 0 1 ) 通过一个大尺 寸的桩压入试验得出结论：砂性土与粘性土中的孔压变化存在差异：当桩压入孔 压仪下方4 倍桩径时，孔压达到最大；在砂土中，距桩中心3 倍桩径，地面以下 6 m 处，超静孔压为有效上覆压力的1 5 倍，1 5 倍桩径以外几乎没有超静孔压。 b o n d 和j a r d i n e ( 1 9 9 2 ) 对在重度超固结伦敦粘土中压桩进行了观测，得出如 下一些结论：1 ) 桩的贯入速率对贯入过程中和荷载试验中产生的摩擦有显著影 响，但对桩体的径向总应力没有影响，快速压入桩的承载力远大于慢速压入桩； 2 ) 随着桩体的贯入，桩尖以上给定深度的土体的径向总应力迅速减小，这种现 象在其它土中类似存在，因此，土体应力松弛的程度主要与桩体施加于土体的变 形状态有关，而与土性和初始应力场无关。简而言之，维持圆孔张开的应力远小 于开始时使圆孔扩张的应力。应力松弛现象对解释挤土桩性质具有关键作用；3 ) 浙江大学博士学位论文 成层地基中静压桩挤土效应及防治措施 圆孔扩张法和应变路径法均不适合预测重度超固结粘土中压桩的特性；4 ) 压桩 结束的初始阶段，土体中孔压上升、总应力下降，导致有效应力下降，这段时间 内，桩的承载力最小，值得重视。 c o o p 和w r o t h ( 1 9 9 0 ) 对在重度超固结粘土和正常固结粘土中压桩进行了观 测，得出与b o n d 和j a r d i n e ( 1 9 9 2 ) 类似的结论。他们还指出：在不排水加载时， 靠近桩边的粘土并没有达到许多现在的理论所假定的极限状态，而是在桩的贯入 时土体产生的残余面上破坏。 l e h a n e 和j a r d i n e ( 1 9 9 3 ) 采用帝国理工学院的测量桩在b o t h k e n n a r 的敏感 性海洋软粘土中压桩，记录观测结果，并与其他粘土中的观测进行了对比，得出 以下结论；1 ) 桩贯入时产生的作用于桩身的径向总应力和剪切应力直接反映了 土体的初始连贯性，它们随深度的剖面图与触探试验的端阻力类似：2 ) 存在应 力松弛现象，应力减小的比率依赖于土体类型，这一条修正了b o n d 和 j a r d i n e ( 1 9 9 2 ) 结论中的第( 2 ) 条；3 ) 土体类型不同，则贯入速率对贯入阻力 的影响明显不同，桩土接触面的快速环剪试验可以预测这种率效应；4 ) 压桩结 束后短期内孔隙水压上升到最大值，随后单调减小至与周围水压一致。孔压消散 过程可以用线性径向固结理论大致模拟；5 ) 整个孔压消散过程中，径向总应力 减小，敏感性软土中减小值大；6 ) 压桩结束后短期内径向有效应力出现最小值， 硬的剪胀性粉土中表现明显；7 ) 孔压消散结束后，土中有效应力可能大于、等 于、小于压桩刚结束时的有效应力，士体的超固结比越大，有效应力再建的程度 越低；8 ) 孔压消散结束后，土侧向压力系数主要与超固结比和土体的灵敏度有 关，并随桩尖的相对深度增大而减小；9 ) 桩土间的摩擦角对土和桩的类型非常 敏感，可用适当的环剪试验预测。 徐永福( 2 0 0 0 ) 等在室内试验的基础上，利用s k e m p t o n 孔隙水压力计算公 式讨论了结构性软土中沉桩引起的超静孔压力。他认为天然软粘土颗粒之间的胶 结作用抑制了超静孔压的产生，打桩过程造成土体原始结构破坏，使之抑制作用 减弱。 s o d e r b e r g ( 1 9 6 2 ) 不考虑孔压在竖向的变化，而径向方向上，假定孔压与 距桩心的距离成反比关系，结合圆孔扩张理论和达西定律，利用有限差分技术得 出了孔压在径向方向上随时间的消散规律；r a n d o l p h w r o t h ( 1 9 7 9 ) 假定土骨 架在固结过程中处于弹性变形，且在土单元中只有径向位移的情况下，给出了孔 压消散规律；樊良本( 1 9 8 1 ) 分析了打桩过程中产生的超静孔压；陈文( 1 9 9 9 ) 在h e n k e l 公式的基础上，分析了沉桩时超静孔压的变化；w e i d o n g - g u o ( 2 0 0 0 ) 假定土骨架为粘弹性体，采用m e c h a n t 粘弹性模型，运用对应性原理，分析了沉 桩后桩周土的径向固结，得出结论：土的粘弹性性质会延缓超静孔压的消散，延 长桩周土的再周结时间。桩周土再周结引起的剪切模量变化和桩土界面处孔压消 第一章绪论 散以及土体强度提高是一致的。 唐世栋等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 通过对桩基础施工中实测资料的分析，探讨了沉桩 时单桩、群桩情况下土中产生的孔隙水压力的大小、分布及影响范围，得到如下 结论，单桩：1 ) 超孔压沿径向随距离呈对数衰减，与圆孔扩张的理论解相比， 其规律比较吻合，但靠近桩身处，实测值小于理论值。2 ) 5 k p a 的孔隙水压力影 响半径是圆孔扩张理论塑性区半径的1 2 i 5 倍；群桩：3 ) 目前群桩的桩距大 多小于临界桩距，桩间土已基本上进入塑性区。受多根桩的施工影响，桩间土的 孔隙水压力值是消散和累积综合作用的结果。4 ) 软土地基中，施工初期孔隙水 压力随施工过程逐渐增加。由于“水裂”作用的存在，孔压达到有效上覆压力即 基本趋于稳定。在桩群内部，埋深相同的备点稳定值基本上一致。5 ) 施工桩的 紧邻处孔隙水压力会超过稳定值达到峰值，深层土中的孔压最大值可达到有效上 覆压力的1 4 倍。6 ) 桩群以外，孔隙水压力随距离呈线性衰减，影响范围大约 是1 5 倍桩长。 唐世栋等( 2 0 0 4 ) 同样基于分析实测资料，又对桩基施工中对土的挤压力进 行了研究。其结论如下：1 ) 桩端的挤压力是施工时的最大影响力，它比桩身摩 擦力的影响大得多；沉桩贯入时一般在桩尖水平处的土中挤压力最大；与球孔扩 张的理论值相比，挤压力最大值与理论解基本接近，但影响半径比塑性区半径大 得多。2 ) 向着被影响物渐进的桩产生的影响比背着被影响物远去的桩产生的影 响要大得多。3 ) 群桩施工时的土中压力会累计增大，但不会无限增大，一般保 持在一个稳定水平。这一稳定值与该深度处土单元达到塑性破坏所需的最大主应 力基本接近。但施工过程中也会出现大于稳定值2 倍的峰值。 ( 3 ) 桩周土体的强度变化 h o u s e l ( 1 9 4 8 ) 通过在粘性土中沉桩后不同时刻对桩进行加载试验，得出粘 性土的不排水强度由于打桩的影响，在打桩的初始阶段降低很多，但随着时间增 长而逐渐恢复。这是由于粘土一般都具有一定的结构性，沉桩过程使土体原始结 构性发生破坏而强度下降，由于粘性土的触变性，随时间增长，土的结构性逐渐 有所恢复，使得土强度有所提高，另一方面，压桩过程中产生的超静孔压随时间 消散，土中有效应力增加，抗剪强度随之提高；o r r j e b r o m s ( 1 9 6 7 ) 将混凝 土桩沉入灵敏土中，对桩周土的强度进行动态观测，结果表明，土的不排水剪强 度在沉桩九个月后几乎恢复到其原有值。而当群桩间距小于4 倍桩径时强度随时 间恢复很少；m e l i od e 研究表明，打桩瞬间桩土界面处的土百分百得到重塑， 而1 5 2 0 倍桩径以外土扰动很小。 我国学者张明义围绕静力压桩及其承载力问题进行了一系列试验，包括层状 地基上的压桩阻力现场试验、利用自制的压力传感器测试桩端阻力的现场试验、 现场测桩的动摩阻力的试验、桩的隔时复打试验、桩的静载试验、土的应力应变 浙江大学博士学位论文成层地基中静压桩挤土效应及防治措施 关系三轴试验、以及室内桩一土动摩擦试验等。他将桩端土与桩侧土分开，提出 了球孔扩张一滑动摩擦计算模式，并首次将人工神经网络应用于静压桩沉桩阻力 的分析。他认为，沉桩过程中桩侧存在滑动摩擦，而且这种摩擦不同于常规摩擦 是研究贯入阻力的关键所在。张明义的研究有独到之处，其缺点在于依赖于试验 较多，若能总结试验成果和工程经验，提出一个简单适用的公式则比较理想。 现场试验反映的是真实情况，观测数据更加可信。但是，由于各个试验现场 的条件差异很大，各种复杂的因素都会对最终的试验结果产生影响，因此现场试 验中的结论有一定局限性，同时，现场试验成本较高，不能广泛开展。 模型槽试验结果依赖于其尺寸和采用的边界模型，具有以下不足之处：1 ) 模型槽尺寸有限，在未对其结果作修正之前，无法应用于工程实际；2 ) 在建立 基于模型槽试验结果的关系式时，土体刚度常被忽略；3 ) 一种土体中所得的模 型关系式不能直接用于另一种土体；4 ) 模型缩小后，土体自重的影响与实际情 况不符，因此只能作为定性分析，而无法得到精确的定量成果。 相对于模型槽试验，离心模型试验能够很好地解决土体自重的模拟问题，因 而其成果更可信，是一种较好的研究方法，有条件应优先采用。但该试验同样有 尺寸受限问题，且成本较高。 1 3 2 理论分析 ( 1 ) 土体位移模式研究 对沉桩挤土引起土体位移的模式有诸多的探讨，代表性的有以下几种： 1 t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 针对浅层贯入而提出的位移模式( 如图1 2 ) 。桩尖下土 体破坏面一直延伸到地表，从桩侧呈楔形破坏挤出。 2 m e y e r h o l f ( 1 9 5 9 ) 针对深层贯入而提出的位移模式( 如图1 3 ) 。桩尖下土 体破坏呈李形破坏，近地表处土体隆起比深部土体隆起大。 3 ，z e e v a r e r t ( 1 9 4 9 ) 指出当桩尖刺入不可压缩介质中时，土体可能按图1 4 的模式移动，此类模式类似球形孔的扩张。 4 m a s s a r c h ( 1 9 7 4 ) 对打入硬密粘土中模型桩周围的土体位移进行了描述，如 图1 5 。近桩表面土体，由于粘聚力的作用，其运动主要是在垂直面上向下位移， 然后从桩两侧挤出。近地表处，土体主要向上隆起，随着桩的深入，土体主要沿 径向位移。观测表明，除桩尖和地面附近的绝大部分桩身周围，土体变形类似于 一个圆柱形孔扩张所引起的变形。小孔扩张理论就是建立在这一位移模式的基础 e 。 第一章绪论 圈i j m 基y e r i d f ( 1 9 5 9 嫩穆模式 衄7 鸳 i i i 圈14z i 趣慷e r g l 鲥钟位移模式 图15 m s s m 嘲t 卵4 ) 位移饭式 ( 2 ) 三种主要的理论研究方法 用理论来研究沉桩引起的桩周土体的应力状态变化、孔压的产生和消散、桩 周土体的强度变化、桩的极限承载力的变化以及沉桩挤土效应等现象由来已久， 从上世纪七十年代起，国内外在这方面做了不少工作。归纳起来，主要有以下三 种方法：圆孔扩张理论、球形孔扩张理论、应变路径法。 1 圆孔扩张法 圆孔扩张理论最初用于金属成形方面的研究( b i s h o p ，1 9 4 5 ；h i l l ，1 9 5 0 ) ， 后来应用于岩土工程中的旁压试验、园锥触探试验等，并取得了与实际较一致的 结论( c r i b s o n & a n d e r s o n ，1 9 6 1 ；l a d a n y i ，1 9 6 7 ：p a l m e r ，1 9 7 2 ；h u g h e s 等，1 9 7 7 ； h o u l s b y 等，1 9 8 6 ) 。 v c s i c ( 1 9 7 2 ) 采用相关流动的m o h r - c o u l o m b 屈服准则，给出可压缩理想弹 塑性土的圆孔扩张问题的基本解，并于1 9 7 7 年将其用于深基础承载力方面的研 究。 r a n d o l p h 等( 1 9 7 9 ) 采用平面应变轴对称模型，将桩打入土的过程模拟成圆柱 形孔的不排水扩张过程。沉桩刚完成时，桩周围土体进入剑桥模型临界状态，打 桩过程中引起的超静孔隙水压力通过水流的径向流动来消散；桩施工完成后土体 的固结采用加工硬化弹塑性模型，结合有限元分析得出一系列数值结果。 c a t e r 等( 1 9 8 6 ) 采用非相关联流动的m o h r - c o u l o m b 屈服准则，考虑塑性 区的大变形，给出了极限压力的解析解。 篷一 翟 嫱 浙江大学博士学位论文成层地基中静压桩挤土效应及防治措施 上世纪八十年代开始，圆孔扩张理论成为求解沉桩对周围土体影响应用最广 泛的一种方法，因为该方法有以下优点：1 ) 将桩模拟为一维扩张问题，易于求 解；2 ) 由于求解的简单，可以考虑更复杂的土体模型以及大应变等其他方面；3 ) 由于圆孔扩张理论所用的参数可为一般标准试验得到或间接得到，易于在工程中 得到应用。但经典的圆孔扩张理论有一个致命的缺点，就是将一维的圆孔扩张解 应用于桩体贯入这样一个三维问题，导致其解只与径向坐标r 有关，而与坐标深 度无关，并忽略孑l 壁摩擦力的影响。 近年来，圆孔扩张理论在本构关系、屈服面模型、大小应变等方面都取得了 较大进展，考虑了土体非线性弹性、应力历史的影响及塑性区的大应变等( c o l l i n s & s t i m p s o n ，1 9 9 4 ：b o l t o n & w h i t n e ，1 9 9 9 ；c a o e ta l ，2 0 0 1 ：y u & c a t e r ，2 0 0 2 ； m a n t a r a s & s c h n a i d ，2 0 0 2 ：s c h n a i d & m a n t a r a s ，2 0 0 3 ) 。 胡中雄、侯学渊( 1 9 8 7 ) 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时的桩周土体的应力和变形。 王启铜、龚晓南( 1 9 9 4 ) 采用拉压不同模量，建立了桩周土体应力和位移的表达 式，其分析表明土体拉压模量的差异性对应力、位移及塑性区发展有较大影响。 蒋明镜、沈珠江( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 分别就考虑剪胀的线性软化、弹脆塑 性软化的柱形孔扩张问题给出了应力场、应变场、位移场和最终扩张压力的显示 表达式。其结论是：不同剪胀特性对应力场没有什么影响，对位移场影响非常大， 对最终扩张压力也有影响；不同的软化程度、中主应力系数、初始地应力场，则 柱形孔扩张问题的应力场、位移场、塑性区开展规律不同。各种因素交叉影响， 需全面考虑。 姚笑青，胡中雄( 1 9 9 7 ) 分析了小孔扩张理论的不足，认为可将沉桩过程近 似为土受水平向挤压而破坏。假定土体是理想弹塑性体，服从m o h r - c o u l o m b 破 坏准则，提出了用土压力理论来估算沉桩引起的超静孔隙水压力，给出了压桩过 程中弹塑性区的孔压计算式，并与实测进行了比较，结果吻合较好。该观点最大 的优点是能反应挤压力、孔隙水压力随深度增大这一实情。其假定是将竖向她应 力作为第三主应力，土体在竖向平面内破坏，便于公式的推导，但实际上，环向 应力为第三主应力，土体先在水平面内破坏。因此，其理论有待于进一步完善。 王晓鸿、王家来、梁发云( 1 9 9 9 ) 根据试验结果，对岩土类材料的剪胀和应 变软