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浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 摘要 桩基工程由于其诸多优点而在软土地基的城市建设中获得日益广泛的应 用。但是管桩在沉桩过程中会对桩周土体产生挤压，并产生超静孔隙水压力， 从而影响周围建筑物和地下管线等公共设施的安全。许多学者已从多方面对沉 桩的挤土效应问题进行了研究，但由于这个问题的复杂性，至今还没有获得满 意的结果。本文在总结前人研究成果的基础上采用新的思路对软土地基中管桩 沉桩问题进行了进一步的研究，做了以下工作： 首先，根据实际工程提出本文的研究背景，为此，本文总结了前人对管桩 挤土效应的研究。结果表明：软粘土的结构性对沉桩挤土有着显著的影响，因 此，在软粘土中沉桩时，应考虑土体结构性损伤的影响。根据这些研究成果， 本文采用了三折线软化模型。 其次，依据上述三折线软化模型，同时根据土塑性力学的基本原理，采用 m o h r - c o u l o m b 屈服准则，本文求得了塑性区的应力解答及极限扩张压力值； 为了深入研究，本文通过有限元方法对其进行分析，得出了土体的软化系数变 化及不同的土体参数值变化对塑性区半径和极限扩张压力的影响，并分析了不 同软化系数下桩周土体的应力场及其在空间上的分布规律。同时，根据推导的 沉桩时土体的应力公式，采用h e n k e l 的孔压公式，推求了考虑土的结构性沉桩 过程中产生的超孔隙水压力公式，得出了塑性区损伤系数越大，超孔隙水压力 越大等结论。 再次，本文总结了工程实际中常用的一些沉桩挤土效应防护措施，并结合 萧山某工程的实际情况，证明这些措施的实用性。 最后，通过对台州地区1 1 8 根管桩静载荷试验资料和结果的总结，得出了 随着桩长、桩径和桩端土性质的不同，桩的承载力的变化趋势。 关键词：软土地基；管桩；挤土效应；圆孔扩张；结构性损伤；有限单元法 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究 方万军2 0 0 6 年7 月 a b s t r a c t p i l ea r e n o ww i d e l yu s e di nc i v i le n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l yi ns o f tc l a y f o u n d a t i o n ，b e c a u s et h e yh a v ev a r i o u sa d v a n t a g e s h o w e v e r ，w h e nt h ep i p e d i l ea r ei n s t a l l e di n t ot h eg r o u n d ，t h es a m ev o l u m eo fs o i l w i l l b e d i s p l a c e d ，a n dt h ep o r ep r e s s u r e sw i l lb ed e v e l o p e da r o u n dt h ep i l e s t h a t w i l lr e s u l ti nt h ei n f l u e n c eo nt h es u r r o u n d i n gs o i la n dn e a r b ys t r u c t u r e s m a n yr e s e a r c h e r ss t u d i e dt h ep r o b l e m ，b u tt h e yd i dn o tg e tc o m p l e t e l y s a t i s f i e dr e s u l t su dt on o wf o r t h ec o m p l i c a t i o no ft h ep r o b l e m o nt h e b a s i so ft h ew o r ka v a i l a b l e ，t h ea u t h o rh a sf u r t h e rs t u d i e dt h ep r o b l e m o ft h es o l ls q u e e z i n ge f f e c tw i t hn e wa p p r o a c h e s t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： f i r s t l y ，a c c o r d i n gt o t h ea c t u a le n g i n e e r i n g ，ip u tf o r w a r dt h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，s ot h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ep a s t sr e s e a r c h i n g r e s u l tt ot h ed r i v i n ge f f e c to fp i p ep i l e t h es t a t i s t i c ss h o wt h a ts o f t c l a y ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r sh a v er e m a r k a b l ee f f e c tt ot h ep i p ep i l e s d r i v i n ge f f e c t a c c o r d i n g l y ，w h e nd r i v i n gp i l ei nt h es o f tc l a y ，w es h o u l d c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo f s o i ls t r u c t u r e b a s e do nt h e s es t u d y p r o d u c t i o n ，t h i sp a p e rc h o o s et h et r i l i n e a rs o f t e n i n gm o d e l s e c o n d l y ，b a s e do nt h et r i 一1i n e a rs o f t e n i n gm o d e la n dt h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e so fs o i lp l a s t i cm e c h a n i c s ，i nt h i sp a p e r ，t h es t r e s ss o l u t i o n s o fp l a s t i cz o n ea n dli m i te x p a n s i o n a r yc o m p r e s s i o nv a l u e sh a v eb e e n o b t a i n e d f u r t h e r m o r e t h ev a r i a t i o no fs o f t e nc o e f f i c i e n to fs o i la n d t h ee f f e c to ft h ed i f f e r e n ts o i lp a r a m e t e r so np l a s t i cz o n er a d i u sa n d 1 i m i te x p a n s i o n a lc o m p r e s s i o nu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s t r e s sf i e l d o f s o l la r o u n dp i l eu n d e rd i f f e r e n ts o f t e nc o e f f i c i e n ta n di t ss p a c i a l d i s t r i b u t i o nr u l ea r ea l s oa d d r e s s e d a tt h es a m et i m e ，b a s e do nt h e s o l u t i o n so ft h es t r e s sh a v eb e e nd e d u c e dp r e v i o u s l y ，a n da d o p t i n gt h e h e n k e l sf o r m u l a t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np o r ew a t e rp r e s s u r ea n d c o e f f i c i e n to f s o i ls t r u c t u r a ls t r e n g t hd a m a g ea n dd e p t ha r ea l s o p r e s e n t e d t h i r d l y ，t h i sp a p e rs u mu ps o m ed e f e n d a b l em e a s u r e so fd r i v i n ge f f e c t i nt h ep r a c t i c e a n dc o m b i n i n gae n g i n e e r i n gi nx i a o s h a nc i t yt op r o v et h i s m e a s u r e sa r er i g h ta n da v a i l a b l e f i n a l l y ，t h i sp a p e rc o u n ta n dc o n c l u d e1 1 8c a s e so fs t a t i cl o a dt e s t r e s u l t si nt a i z b o u ，i tp r e s e n t st h ec h a n g et e n d e n c yo fl o a dc a r r y i n g c a p a c i t yw i t hd i f f e r e n tp i l el e n g t h ，p i l er a d i u sa n du n d e r p i l es o i l p r o p e r t y k e yw o r d s ：s o f ts o i lf o u n d a t i o n ；p i p ep i l e ；e f f e c to fs o i ls q u e e z i n g ； c y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n ；s t r u c t u r ed l 腿g e ： f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； i i 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 1 1 引言 第一章绪论 我国地域辽阔，地质条件极为复杂，特别是在沿海地区及内地湖河沉积相地区 存在着许多复杂的软土地基，在这些地质条件下修建各种建筑物都要进行软基处理， 以增加地基的稳定性及减小沉降。目前软基处理中使用的方法主要有搅拌( 粉、浆) 桩、散体材料桩、强夯法、真空预压、超载预压和桩基等加固方法。搅拌( 粉、浆) 桩、散体材料桩加固方法造价低廉，施工速度较快，振动小，无噪音，无污染，但 施工质量难以控制，检测繁琐、费用高，且加固深度有限；超载预压方法可以有效 解决软基的次固结沉降，但由于软基土的强度较低，考虑到软基稳定性问题，不能 快速加载，制约了工程进度，因此施工工期较长，影响了工程投资的经济性。另外 超载预压需要额外土方，将会多占用耕地，影响环境：强夯法虽然施工简单，施工 周期短，但对透水性较强土体的加固效果明显，对软粘土不适宜。而桩基加固软土 地基由于施工速度快，可大大缩短工期，且加固处理深度不受限制，适宜各种地质 条件，可明显提高地基的承载力和减小变形，目前广泛应用于各项工民建工程中。 我国预应力管桩应用最早始于台湾地区，至今约有三、四十年的历史。但大规 模应用是在8 0 年代，管桩的施工工艺和施工技术也有很大的提高，是我国目前各种 预制方桩理想的更新换代产品，越来越受到了广大工程建设者的青睐。 相比于管桩的应用，管桩沉桩机理的研究相对显得较滞后。管桩属于排土置换 桩，在饱和软土地基中沉桩时，桩身将置换同体积的土。如果处理措施不当，会引 起周边的环境问题，严重时还会引发工程事故。由于对此认识不足而造成的工程事 故屡见不鲜。近些年来随着管桩的大规模应用，它的挤土问题显得日益突出，对管 桩挤土机理的研究已成为岩土工程的一个重要课题。 1 2 沉桩挤土机理及沉桩对桩周土体和环境的影响 1 2 1 沉桩挤土机理 沉桩施工时，桩的贯入过程造成了桩周颗粒的复杂运动，使桩周土体发生变化， 桩尖“刺入”土体中时，原状土的初始应力状态受到破坏，造成桩尖下土体的压缩 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 变形，土体对桩尖相应产生阻力，随着桩贯入压力的增大，当桩尖处土体所受应力 超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而达到极限状态，土体产生塑性( 粘性土) 或挤密侧移和下拖( 砂性土) ，桩尖下土体被向下和侧向压缩挤开，桩继续“刺入” 下层土体中。随着桩周土体继续被压缩挤开，反映在地表处，粘性土体会向上隆起， 砂性土则被拖带下沉。在地面深处由于上覆土层的压力，土体主要向桩周水平向挤 开，使贴近桩周处土体结构完全破坏( 桩周土体变化状况见图1 1 ) 。特别是在饱 和粘性土地基中打入大批密集的桩群时，桩周土体会产生比较大的应力和位移，同 时产生很高的超孔隙水压力。由于粘性土体的渗透系数小，因而引起的超孔隙水压 力消散慢，对建设工程或周围环境带来较严重的不利影响，沉桩产生的土体垂直位 移和水平位移，对邻近建筑物或管线的影响也可能达到较严重的程度。 ( 口) 砂性土 ( 6 ) 牯性土 图1 1 桩周土体的变形图 1 2 2 沉桩对桩周土体和环境的影响 挤土桩沉桩时的挤土效应以及对周围环境的影响是多方面的，对于软粘土，概 况起来，主要有以下几点： 1 沉桩时桩对周围土体的挤压作用会导致土体的垂直隆起，同时，在沉桩范围 内有可能造成桩的上浮。在桩基础的旋工过程中，需采取必要的措施将垂直位移控 制在一定的范围内，否则会引发环境问题和工程事故。 2 沉桩时桩对周围土体的挤压是三维方向的，因此，除了引起土体的垂直隆起 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 外，在压桩区一定范围内还产生土体的水平位移。过量的土体水平位移作用在先前 打入的桩上，会造成桩位的偏移、桩身的翘曲，严重时甚至造成桩的折断。 3 沉桩对周围环境的影响最主要的表现是，土体的垂直隆起和水平位移会对沉 桩范围外一定距离内的建筑物造成损坏，如造成邻近建筑物、构筑物、道路、挡土 结构以及地下设施和管线的一定程度的破损等。 4 沉桩过程中特别是在饱和软粘土中的沉桩过程，会产生很高的超孔隙水压力， 当超静孔隙水压力达到一定数值时，环向的有效应力会出现负值，也即拉应力，而 切向有效应力也可能出现负值。当土中某一方向上有效应力为零时，则与之垂直的 方向上会出现裂缝，也即“水裂”现象。 5 沉桩以后由于土中孔隙水压力的消散，桩周土发生再固结，当桩间土的压缩 量大于桩尖的下沉量时，桩侧就要受到负摩阻力的作用。m e y e r h o f g g ( 1 9 7 6 ) 认为负 摩阻力对于摩擦桩一般是无关紧要的，但对于端承桩，可能有很大的影响。当桩间 土的压缩量( 再固结量) 大于桩尖的下沉量时，承台底会出现脱空的现象，这样就 削弱了结构抵抗荷载的能力，桩、土与承台不能共同作用。地基土的再固结也可能 使周围建筑物产生不均匀下沉而破坏。 6 沉桩时桩对土体的扰动，使桩身周围土体的应力状态发生变化，尤其对于具 有一定结构强度的结构性软土，桩周土体实际上是一个被撕裂、破坏、扰动和重塑 的过程。土体的原始结构被破坏，土体工程性质较沉桩前有较大的变化。 以上这一系列问题反映出管桩也有明显的缺点和局限性。事实上，任何一种桩 型都不是完美的，尽管管桩存在挤土效应，但只要掌握其挤土机理，将其危害控制 在安全范围之内，并将其对环境的影响减少到最低点，就能充分发挥管桩的优势， 使之服务于工程建设。因此，研究管桩的挤土机理及其影响规律是十分必要的，这 也是本论文选题研究的由来。 1 3 国内外研究现状 对沉桩所引起的一系列现象，早已引起人们的关注，国内外已有许多工程技术 专家对其进行了研究。研究的方向有桩端阻力深度影响机理、竖向受荷桩之荷载一 沉降关系以及群桩变形性状与沉降关系等，但重点集中在沉桩过程中桩周土体的应 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 力状态变化规律以及桩周土体强度变化规律等方面，尤其在桩的承载力的估算以及 承载力随时间的变化规律方面进行了较多的研究。近年来，随着人们对环境保护意 识的增强，沉桩挤土效应及其对周围环境的影响吸引了更多的注意力，有关这方面 的研究已成为人们关心的一个课题。 从研究方法来看，主要有试验研究和理论分析( 包括数值分析) 两大方面。 1 3 1 现场测试数据分析及室内模型试验的研究 对桩的现场实测研究包括了打桩前后桩周土体强度变化和桩的承载力，超孔隙 水压力的产生和消散以及土体的位移等。 1 打桩前后桩周土体强度变化 根据在粘土中沉桩后不同时刻对桩进行的加载试验的测试结果，h o u s e l ( 1 9 4 8 ) 等人得出了粘土的不排水抗剪强度由于打桩的影响在打桩的初始阶段减小很多，但 随后会随时间的增长而逐渐恢复的结论。这是因为软粘土一般具有一定的结构性， 沉桩过程相当于不固结不排水剪过程，沉桩瞬时桩周土在含水量为常量的条件下重 塑，土体的原状结构受到破坏，抗剪强度下降；之后随着时间的增长和超孔隙水压 力的消散，抗剪强度逐渐恢复，特别是对于具有触变特性的粘土，强度随时间的恢 复更加明显。 q r r j e & b r o m s ( 1 9 6 7 ) 对混凝土桩沉入灵敏土后桩周土体强度随时间的变化进行 的研究表明，土的不排水剪强度在沉桩九个月之后几乎恢复了其原有的值。而且， 当群桩的间距小于四倍的桩径时，随时间的延续，强度恢复的程度很低。在有些情 况下强度甚至会随时间进一步下降。 根据d em e l l o 的研究( 引自李向红，2 0 0 0 ) ，打桩对桩周土体的影响范围是： 沉桩瞬间桩土界面处的重塑量为百分之百，而距离桩表面1 5 2 0 倍直径处，土的 重塑量几乎为零。 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 2 桩的承载力和沉桩阻力的研究 k e r i s e l ( 1 9 6 7 ) 在法国一处饱和粘土中用4 5 c m 、7 5 c m 和1 1 0 c m 直径的圆锥，并 且将一直径为1 0 2 5 c m 的沉井压到地下5 0 m 深处，在沉井上安装有应变片以将基底 压力和侧摩阻力分开，不同尺寸的基底压力如图1 2 中的曲线a 所示。d e b e e r ( 1 9 7 4 ) 在比利时用直径分别为3 6 c m 、5 0 c m 和2 5 c m 的探头在粘土中做了比较试验，所得 结果如图1 2 中的曲线b 和c 。 茕 q 睡 奠 墨 剜 克寞1 c j - i 话节山触! ! i i ；二历癌切 ! 么瞄黟胃逝圣墼h ；矗缀斟则 常邕装 弼 r 一学r l7 卜 一 图1 - 2 粘性土中的试验结果( k e r i s e l ，1 9 6 2 ；d eb e e r , 1 9 7 4 ) s e e d & r e e s e ( 1 9 9 5 ) 和e i d e 等( 1 9 6 1 ) 在工程中发现，当桩打入粘性土后，桩的 承载力会随时间而增加，他们认为这主要是由于打桩时引起的超孔隙水压力的影响。 国内的郑钢( 1 9 9 4 ) 曾对静压桩阻力做了一些工程实例的统计，并提出了预估压桩 阻力的方法。 3 沉桩引起的桩周土体的的超孔隙水压力的研究 沉桩时桩周土体会产生较高的超孔隙水压力，这早已为人们所观测到 ( b o z o z u k ，m ，f e l l e n i u s ，b h & s a m s o n ，l ，1 9 7 8 ；张咏梅，张善明，1 9 8 2 ) 。观测结果显 示：桩周附近土体的超孑l 隙水压力最大，随着离桩表面距离的增加，超孔压急剧降 低且超孔压的消散也比较迅速。超孔隙水压力值有时会很大，甚至大于附加有效应 力值。 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 不同特性土反映出的超孔隙水压力值是不一样的，超孔隙水压力值是士体类型、 土体强度和变形、排水性能的函数( 岩土测试专题资料，1 9 9 2 ) 。随着原位测试技术 的发展，人们将量测超孔隙水压力的装置与静力触探的探头结合在一起，这样在静 力触探测试的同时可以掌握土体超孑l 隙水压力的变化规律。静力触探的过程相当于 简易桩的静压模型试验，探头量测到的超孔压反映出桩侧壁靠近桩端附近孔隙水压 力随深度的变化情况。测试结果显示，超孔压值基本上随深度线形增加。对于具有 一定结构性的软粘土，p o u l o s ( 1 9 8 0 ) 等的研究得出的结论是，超i l 压的大小与土的灵 敏度有关( 图1 3 ) 。 图l 一3 打桩时孔隙水压力的变化情况( p o u l o u s ，1 9 9 0 ) 我国学者也对打桩引起的超孔隙水压力进行了量测和研究，陈文( 1 9 9 9 ) 在 h e n k e l 公式基础上分析了沉桩中超7 l 隙水压力的变化：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 给出的应力变化引起超孔隙水压力公式讨论了结构性软 土中打桩引起的超孔隙水压力，得到的桩周塑性区内孔压力公式；徐永福( 2 0 0 0 ) 认为，天然软粘土颗粒之间的胶结作用抑制了超孔隙水压力的产生，打桩过程中造 成土体原状结构的破损，使之对超j l 压的抑制作用减弱。 4 沉桩过程中桩周土体的位移的研究 沉桩带来的土体位移是沉桩机理研究的主要内容之一。早在2 0 世纪6 0 年代末、 7 0 年代初，国外的一些学者就对沉桩时桩周土体的隆起进行了观测，a d a m s 和 h a n n a ( 1 9 7 0 ) 认为h 型钢桩压入较硬的土体中时，桩周土体的隆起量与桩在土体内的 总体积之比为1 0 0 ；而h a g e r t y 和p e c k ( 1 9 7 1 ) 的量测结果为5 0 ；o r r j e 和 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的排土量为3 0 。 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 r a n d o l p h ，s t e e n f e l t & w r o t h ( 1 9 7 8 ) 和c o o k e & p r i c e ( 1 9 7 3 ) 对桩中段的桩周土体径向 位移( 水平位移) 进行了测量。h a m m o n d ( 1 9 7 9 ) 对桩的上浮做了测量。 张忠苗( 1 9 9 6 ) 在杭州对预应力管桩的应用效果进行统计、分类等工作，并针 对某广场1 0 万m 2 高层建筑在预应力管桩施工程中出现大量浮桩的现象，通过对试 打桩、工程桩的静载荷试验结果进行对比分析，研究软土地基中管桩和挤土上浮对 桩侧阻、端阻和承载力的影响。同时研究了群桩上浮规律和影响因素，提出了相应 的处理措施。 另外，有关一些沉桩旌工现场挤土效应观测，包括土体的垂直隆起和土体的水 平位移的国内外观测资料也较多。 5 室内模型试验研究 在对沉桩的挤土效应进行实测研究的同时，我国的学者还进行了室内模型试验 研究。樊良本( 1 9 9 8 ) 为验证圆柱扩张理论解释单桩周围土的应力状态的适用性， 设计了模型桩试验。徐建平( 2 0 0 0 ) 等通过静力桩压入单桩和双桩的模型试验，研 究了沉桩的挤土效应，获得了沉桩过程中土体位移随水平和深度方向变化的规律， 并对压入单桩与双桩的试验结果进行了比较分析。 1 3 2 沉桩的理论研究 用解析解或数值方法来研究沉桩压力、桩基承载力及沉桩挤土形式及其引起的 土体中的位移、应力、孔压的产生及消散过程的现象由来已久，近几年，随着环境 岩土科学的发展，在国内对此的研究己成为热点。归纳起来，这种研究方法主要集 中在以下几个方面： 1 圆孔扩张法( c a v i t ye x p a n s i o nm e t h o d ，简称c e m ) 圆孔扩张法可分为柱形孔扩张理论和球形孔扩张理论，由于其形式简单，力学 原理明确，因此被广泛地应用于力学及土木工程中。 圆孔扩张法最初被用于金属成形方面的研究( b i s h o p ，1 9 4 3 ) ，后来被应用于土 木工程中的圆锥触探测试( c p t ) ，并取得了与实际情况较为一致的结论( s k e m p t o n e ta l ，1 9 5 3 ；l a d a n y i ，1 9 6 7 ；g i b s o n & a n d e r s e n ，1 9 6 1 ) 。 v es i e ( 1 9 7 2 ) 采用相关流动的m o h r o 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。 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 c a t e r ( 1 9 8 6 ) 采用非相关流动的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7 l 从零半径扩张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( b e e n & j e f f e r i e s ，1 9 8 5 ；b o l t o n ，1 9 8 6 ；y u & h o u l s b y , 1 9 9 l ；c o l l i n se ta l ，1 9 9 2 ；j e f f e t i e s & b e e n ， 1 9 9 5 ；c u d m a n i & o s i n o v , 2 0 0 1 ；c a oe ta l ，2 0 0 1 ；) 。 随后圆孔扩张理论也被用于模拟管桩的沉桩过程。对于饱和的软粘土而言，需 要确定沉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 ) 利用柱形孔 扩张理论，采用数值计算分析t ；f l 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。他采用平面应变轴对称模型，将桩打入土的过程模拟成圆柱型孔的不 排水扩张过程。沉桩刚完成时，桩周围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，由此得出了沉桩引起的一系列影响的数值结果。 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 应用球形孔理论来模拟沉桩过程。他将土视为均质、各向同性、 饱和的无限介质，桩的打入等价为一系列连续的球状体的注入，得到了地面的垂直 隆起( 图l 一4 ) 。 图1 4 土体的垂直隆起( s a g a s e t a ，1 9 8 7 ) 浙江大学硕士学位论文软士中管桩挤土效应分析及影响研究 方万军2 0 0 6 年7 月 c h o w & t e h ( 1 9 9 0 ) 参考s a g a s e t a 的做法，利用球形孔扩张理论，把沉桩过程 作为准静态过程，对每一段桩球形孔，得到桩周土的位移场。计算结果表明，土体 的竖向位移沿深度分布有正有负，表明沉桩对附近桩既有向上的作用力，也有向下 的作用力。根据力的分布可求出邻近桩的上浮量，并可与实测值进行比较。 基于扩张理论来解决沉桩问题实例分析的基础上，我国学者在对该问题的求解 上也作出了一些研究。 邵勇( 1 9 9 6 ) ，黄院雄( 2 0 0 0 ) 利用s a g a s e t a 半无限空间中由于球孔的收缩而产 生的土体位移结果，推广应用于打入桩在沉桩过程中产生的土体向外挤出位移。其 中邵勇( 1 9 9 6 ) 还考虑了周围桩基的存在对土体位移产生的约束作用，以地层中增 加打入桩桩身体积与向外挤压移动的体积相等的几何原理，提出了一个考虑被挤压 移动的土体与邻近结构物桩基共同作用的求解邻近桩基位移的新方法。黄院雄、许 青侠( 2 0 0 0 ) 把s a g a s e t a 的源一汇理论运用于打桩过程，推导了饱和土中打桩引起 的桩周土任意点的水平位移和垂直隆起，并将计算结果与某工程实测位移进行了比 较。 金安石( 2 0 0 1 ) 将考虑桩身侧摩阻力的平面4 , t l 扩张理论的方法应用于实际工 程，该方法是对v e s i c 小孔扩张解法( 1 9 7 2 ) 的基本修正：在假设桩侧摩阻力的分 布后，利用m i n d l i n 解，将无限半弹性体中任意一点土体的位移、应力进行积分求 解，就可以得到侧摩阻力土体位移、应力，再与v e s i c 的解答进行叠加，就可以相 对完善的求解沉桩问题。 李月健( 2 0 0 1 ) 假定桩身沉入时桩尖处各点均按球形孔空穴的扩张，利用源一 源的影像法和用b o u s s i n e s q 解来解决无限体内球形孔扩张的解答结果来模拟半无限 体中沉桩的问题，同时还考虑了桩身侧摩阻力的影响，获得了挤土桩沉桩后在周围 土体内产生的应力场、位移场、孔隙水压力场和土体强度变化规律的分析方法。 姜珂( 2 0 0 3 ) 考虑了土体在沉桩过程中结构性损伤的因素，采用简化的应变软 化模型，应用圆孔扩张理论对桩周土体的应力场、位移场及超静孔隙水压力的产生 和消散进行分解，分析结构性土体不同损伤系数对桩周土体的应力场、位移场及超 静孔隙水压力的影响规律。 综合所述，国内外的学者在圆孔扩张问题的理论研究方面做了很大的贡献。圆 孔扩张理论能较好地给出轴对称或球对称情况下的应力场、应变场和孔隙水压力。 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 2 应变路径法( s t r a i np a t hm e t h o d ，简称s p m ) 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 结出了一种主要用于分析深基础问题的方法一应变路径法( b a l i i g h ，1 9 8 5 ) 。 s p m 法基于这样的假定：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，而 忽略了地表面的边界条件( 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 法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 的应变路径法假定。 随后b a l i g h ( 1 9 8 6 ) 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 g h l e v a d o u x ( 1 9 8 6 ) 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 ) 也将s p m 法 用于旁压仪。 h u a n g ，a b ( 1 9 8 9 ) 采用s p m 法给出了任意形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 ) 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 ) 在原来所做工作的基础上对沉桩产生 的地表面土体位移给予了全面总结。 3 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 采用复杂的土体本构关系和边界条件来求得解析解或近似解往往会遇到很大的 困难；这时数值方法就成为解决问题的有效工具。在过去二、三十年中，有限元法 及边界元法被广泛的应用于分析探讨桩的工作机理，在分析静力沉桩过程方面的研 究集中体现在c h o p r a ，m b & d a r g u s h ，g f ( 1 9 9 2 ) 和m a b s o u tm e & t a s o u l a sj l ( 1 9 9 4 ) 的工作上。 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 c h o p r a ( 1 9 9 2 ) 将土看成是两相的临界状态的弹塑性材料，采用修正的拉格朗日 方法描述了在桩的贯入过程中桩周土体发生大增量的塑性变形和有限旋转，沉桩过 程被模拟成桩尖土的逐渐劈裂过程。土体的应力应变关系服从修正的剑桥模型，土 体中水的流动服从达西定律，采用有效应力原理求出沉桩瞬时和固结后的孑l 隙水压 力场和有效应力场。 m a b s o u t ( 1 9 9 4 ) 对采用有限单元法分析研究打桩问题的可能性进行了详细的分 析。在分析过程中，考虑了不排水粘性土的非线形行为，采用k a l i a k i n 和d a f a l i a s ( 1 9 8 9 ) 提出的边界面模型，用一个周期函数表示锤对桩的作用。桩的入土过程用摩擦接触 滑移线算法来模拟，考虑土体的大变形，并采用修正的拉格朗日方法描述。 鲁祖统( 1 9 9 8 ) 参照c h o p r a 所采用的方法，建立了空间轴对称问题考虑大变形 和弹塑性耦合的有限单元方程和采用修正拉格朗日算法的具体表达式，并应用虚功 原理推导了空间轴对称采用修正拉格朗日格式的b l o t 固结有限元方程，对静压桩挤 土效应进行了数值模拟尝试。 李向红( 2 0 0 0 ) 在基于联系介质力学有限变形理论基础上，采用点和面接触的 物理模型模拟软土地基中静力压桩过程中桩土的相互作用，用拉格朗日乘子法引入 桩土之间的约束条件，用约束变分原理导出静力压桩挤土效应问题的控制方程，并 对空心管桩和实心管桩的挤土效应进行计算和对比。 此外，陈文( 1 9 9 9 ) 采用d e s a i 接触面单元和基于圆孔扩张理论的空间轴对称 有限元对静压桩过程进行了模拟。徐建平等( 2 0 0 0 ) 以平面四边形模拟土体区域， 以接触面单元模拟土与桩间的相互作用，在考虑初始应力的条件下对压入单桩、双 桩情况下的沉桩挤土效应进行了数值模拟。王浩( 2 0 0 2 ) 对平面四结点等参元对表 面约束条件下软粘土中的沉桩挤土效应进行了数值模拟。 1 4 本文主要研究思路 本文从实际工作出发，结合理论分析，研究了饱和软土地基中管桩的沉桩问题， 主要的工作有： 1 对单桩的挤土机理进行了回顾和讨论，在此基础上提出了考虑软土结构性及 其损伤对沉桩挤土影响的计算分析方法。该方法将桩周区域划分为弹性区，软化区 和塑性区三个区域，采用简化的应变软化模型，基于m o h r - c o u l o m b 屈服准则，由 浙江大学硕士学位论文 软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 此可以求得弹性区、软化区和塑性区的位移解和应力解。 2 根据推导的沉桩孑l 压公式，推求了考虑土体结构性的沉桩过程中产生的超静 孔隙水压力的分布公式，并分析了在塑性区损伤系数对超静孑l 压的影响。 3 通过对实际工程的现场观测及对实测数据的分析，研究群桩施工所引起的土 体位移及超孑l 隙水压力的产生、分布和消散情况，并总结了沉桩挤土效应的防护措 施。 4 分析台州地区管桩静载荷试验数据，得出沉桩终压力和极限承载力的一般关 系。 5 文章最后提出了还有待于解决的问题及进一步工作的建议。 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究方万军2 0 0 6 年7 月 第二章结构性软土中沉桩的柱孔扩张理论分析基础 2 1引言 我国沿海，内河两岸及湖泊等地区，广泛分布着海相，河相和湖相沉积层，其 强度低，压缩性大，渗透性能差，承载力低，不能满足工程建设要求。许多大型建 筑物如高速公路，机场和油罐等建在软土地基上，软粘土一般具有高含水量，大孔 隙比，低强度，高压缩性，灵敏性和触变性等特点，一般含水量高达4 5 6 0 ， 高于液限，孑l 隙比大于1 0 ，塑性指数约2 0 左右，强度c u = 1 0 - - 3 0 k p a , 灵敏度系数约 4 8 ，压缩系数o v3 0 5 1 2 m p a ，固结系数为1 0 3 1 0 4c m 2 s 量级。此类土压缩 量大，排水固结缓慢，地基稳定性差，在建筑物等长期荷载作用下的变性特征是竖 向变形不均，且变形趋于稳定的时间长，竣工后沉降问题突出，在外来因素的作用 下土体破坏表现比较大的突发性，给工程建设造成极大的危害，因此对软土工程性 质的研究具有十分重要的实际意义。 2 2 土体结构性及损伤力学在沉桩的柱孔扩张理论的应用 2 2 1 软土结构性的概念 从土力学的角度，土的结构性可以看是土中颗粒的排列特征( 几何特征) 和联 结特征( 力学特征) 。在实际中，该词常被用来概况地指土体所有的不同于相应的重 塑土的力学性状。 结构性对土的力学性状的影响很早就被认识到( c a s a g r a n d e ，1 9 3 2 ； m i t c h e l l ，1 9 7 6 ) 。l e r o u e i l ，s ( 1 9 9 0 ) 通过讨论结构性对天然土和软岩性状的影响， 提出广泛的“结构性”概念。l e r o u e i l ，s ( 1 9 9 0 ) 指出正确描述土体材料客观本性的 概念性数学模型是工程科学在土体性状研究中得以应用的必要前提。土力学的经典 模型往往只涉及到土体的初始多孔性以及应力历史修正。由于颗粒间的粘结力引起 的强度和刚度一直认为是只是岩石力学中的基本特性，而在土力学中未予以考虑。 然而，结构性不仅在软岩和风化岩石中存在，而且在软土、粒状土和硬粘土中也同 样存在( l e r o u e i l & v a u g h a n ，1 9 9 0 ) 。结构性的作用随岩化而增加，与软岩中的现象类 似。只有考虑结构性，上述土体材料在实验室和现场所表现出的力学性状才能被正 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究 方万军2 0 0 6 年7 月 确表述。因此，结构性和初始孔隙比、应力历史一样对土体力学性状的确定具有同 样的重要性( r o w e ，1 9 7 2 ；s i l v a , 1 9 7 4 ；s k e m p t o n ，1 9 8 5 ；b u r l a n d ，1 9 9 0 ；l e r o u e i l & v a u g h a n 1 9 9 0 ；) 。关于结构性的一系列现象应作为土力学中的基本内容。 这种不能为多孑l 性和应力历史所解释的强度和刚度分量可以由多种原因引起： 高压力下颗粒间的粘结，受天气、含水层的改变而引起的碳酸盐、氢氧离子和有机 物质的溶解、再结晶，粘土中颗粒间的相互吸引力等。l e r o u e i l ，s 通过对大量的实验 室数据进行归纳总结，得出尽管结构性由许多不同的因素引起，但其对土体力学性 状的影响是相同的，受力过程中都涉及到同样的一个由刚性变形到屈服的变形模式， 都表现出类似于超固结土的屈服硬化。因此，尽管涉及到不同的变形机理，但这种 屈服行为仍可以采用由于超固结所引起的结构性的描述框架。在此之前对结构性影 响的研究，土力学中往往将不同土体视为一个个特例，分别考虑它们不同的起因所 带来的不同影响。因此，建议应在一个统一的框架中对不同成因的结构性土的屈服 面给予描述。用于形容由沉积土的考虑应力历史的屈服概念同样可以用于反映结构 性的效应。但是，应注意采用一种不同的术语来形容这种结构效应。目前，还没有 统一的术语用来描述上述强度和刚度分量所引起的效果。为避免涉及其不同的起因， l e r o u e i l ，s ( 1 9 9 0 ) 提出用“结构性”一词来形容这种现象。而由于应变或重塑所引 起的这些性状的消失，称之为“结构性丧失”。 结构性软土在应力应变关系上变现为明显的超过峰值应力后应变发生软化的现 象( 图2 1 ) ，即应力随应变的增长而逐渐降低，最后到达残余强度；在压缩曲线 上，结构性软粘土的初始阶段较为平缓，一旦固结压力超过土体的结构屈服强度时， 曲线便会出现陡降( 图2 2 ) ；由于结构性软粘土的大孔隙比状态，软粘土的固结 图2 1 灵敏土的应力应变曲线( c r o o k s ，1 9 7 6 ) 浙江大学硕士学位论文软土中管桩挤土效应分析及影响研究 方万军2 0 0 6 年7 月 在软粘土结构破坏之前可以是结构破坏之后的数倍( 图2 - - 3 ) ；固结不排水剪三轴 试验显示，结构性软土的初始孔隙水压力值随应变增加而增长缓慢，至较大的应变 才到达最大值，在固结压力较低的条件下，会出现孔隙水压力降低的现象( 图2 - - 4 ) 。 、 图2 2 灵敏土压缩曲线( s a n g r e y , 1 9 7 2 ) 图2 3 淤泥土的固