道路约束条件下静压群桩挤土效应.pdf

第 3 3卷第 2期 2 0 1 6年 3月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v il En g i n e e r in g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 3 3 N o 2 Ma r 2 O1 6 道路约束条件 下静压群桩挤土效应 李富荣 孙厚超 盐城工学院土木工程学院 江苏盐城2 2 4 0 5 1 摘要 在分析静压沉桩挤土机理的基础上 采用室内模型试验 研究了道路约束条件下静压群桩挤土效应引 起的地表土体变形 包括水平位移和隆起变形 并与工程实测进行了比较分析 试验结果表明 沉桩过程中 仅 桩区内地表土体水平位移是先增大后减小 其余各处土体变形均是不断增大的 只是道路外侧土体变形较小 可忽略不计 受道路约束影响 距桩区较近处地表土体水平位移减小 隆起变形增大 且桩区 一道路间距离越 小 该处土体变形越小 而距道路较近处地表土体变形越大 距道路越近 桩区 一道路间地表土体变形越小 在 道路另一侧 地表土体最大变形明显减小 工程实测表明 与室内试验结果相比 桩区 一道路问土体变形呈现 相同的变化规律 但受实际道路约束的影响 实测时道路另一侧土体基本未有变形 因此 静压桩施工必须考 虑周边道路 建筑物等约束的影响 关键词 道路约束 静压群桩 挤土效应 模型试验 工程实测 中图分类号 T U 4 7 3 1 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 9 8 5 2 0 1 6 0 2 00 1 1 07 S q u e e z in g E ffe c t s o f J a c k e d Gr o u p Pil e s b y Ro a d Co n s t r a in t L l Fu r o n g SUN Ho u c h a o C i v il E n g in e e ri n g D e p a r t me n t Y a n c h e n g I n s t it u t e o f T e c h n o l o g y Y a n c h e n g 2 2 4 0 5 1 C h in a A b s t r a c t B a s e d o n t h e a n a l y s is o f s q u e e z in g e f f e c t s me c h a n is m o f j a c k e d p il e s t h is p a p e r u s e d l a b o r a t o r y mo d e l t e s t r e s e a r c h e d t h e s u r f a c e s o il d e f o r ma t io n c a u s e d b y t h e s q u e e z in g e f f e c t o f j a c k e d g r o u p p il e s b y r o a d c o n s t r a in t i n c l u d in g h o r iz o n t a l d is p l a c e me n t a n d u p h e a v a l d e f o rm a t io n a n d c o mp a r e d w it h t h e e n g in e e ri n g t e s t T h e r e s u l t s s h o w t h a t o n l y t h e s u rf a c e s o il h o ri z o n t a l d is p l a c e me n t o f p il e a r e a in c r e a s e s a t fi r s t t he n d e c r e a s e s t h e o t h e r s o il d e f o rm a t i o n a r e i nc r e a s in g o n t he p r o c e s s o f p il e d ri v i ng b u t t he s o il o u t s id e t h e r o a d h a s t h e s ma l l de f o r ma t i o n t h a t i t c a n b e n e g l e c t e d Th e s u rfa c e s o il h o fi z o n t M d is pl a c e me n t b e c o me s d e c r e a s e s a n d u p h e a v a l d e f o rm a t io n in c r e a s e s a wa y f r o m t h e D il e a r e a a f f e c t e d b y t h e r o a d c o n s t r a in t a n d t h e s ma l l e r t h e d is t a n c e b e t we e n t h e p il e a r e a a n d r o a d t he s ma l l e r t h e d e f o r ma t io n b u t t h e b ig g e r t h e s o il d e f o rm a t io n a wa y fro m t h e r o a d Th e c l o s e r t o t h e r o a d t h e s u rfa c e s o il d e f o r ma t io n i S s ma l l e r b e t we e n t h e p il e a r e a a n d r o a d Th e s u rfa c e s o i l ma x i mu m d e f o r ma t io n is s ig n i fi c a n t l y r e d u c e d o n t h e o t h e r s id e o f t h e r o a d T h e e n g in e e ri n g t e s t s h o ws t h a t c o mp a r e d wi t h t h e l a b o r a t o ry t e s t r e s u l t s t h e s o il d e f o rm a t io n s ho we d t h e s a me v a ri a t i o n b e t we e n t h e p il e a r e a a n d r o a d b u t t h e s o il h a s n o t d e f o r me d o n t h e o t h e r s id e o f r o a d b e c a u s e o f t h e a c t u a l r o a d c o n s t r a in t Th e r e f o r e t h e s u r r o u n di n g r o a d b ui l d in g a n d o t h e r c o ns t r a in t s mu s t be c o n s id e r e d a t t h e t i me o f j a c k e d p il e c o n s t r u c t io n Ke y wo r d s r o a d c o n s t r a in t j a c k e d g r o u p p il e s s q u e e z in g e f f e c t m o d e l t e s t e n g in e e ri n g t e s t 近年来 国内外学者对静压桩挤土效应课题 进行 了大量的研究 取得 了显著的研究成果 卜 并形成了一个共识 即建立既符合实际又便于分 析研究 的静压桩施工模型是研究静压桩挤土效应 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 1 8 修 回日期 2 0 1 5 1 2 0 3 作者 简介 李富荣 1 9 8 2一 男 江苏 盐城人 副教授 博士研究生 研究方向为桩基 工程 E m a i l l i f u r o n g y c 1 6 3 c o rn 基金项 目 国家 自然科学基 金 5 1 3 7 8 2 5 7 住房和城乡建设 部科技项 目 2 0 1 3一K 3 1 8 1 2 土木工程与管理学报 的关键 目前 静压桩挤土效应的研究基本基于 平面应变轴对称假定 不考虑周围环境的约束 仅 限于研究挤土效应本身 然而 在实际工程中 很 多静压桩施工不可避 免地受到施工 场地周边道 路 建筑物等表面约束的影响 对周围环境约束条件下沉桩挤土效应 尚缺乏 充分的研究 文献 9 1 0 采用数值模拟方法研究 了道路约束 静压桩机表面约束下沉桩挤土效应 引起土体变形 的变化规律 并与工程实测进行 了 比较分析 文献 1 1 建立了静压沉桩全过程 的三 维差分数值分析模型 研究了沉桩挤土对既有隧 道位移和附加 内力的影 响规律 文献 1 2 采用现 场测试方法分析了人工挖孔桩施工对紧邻基坑围 护结构的影响 文献 1 3 采用静压沉桩三维实体 模型 不仅分析了有无道路情况下土体位移的变 化 还探讨了存在道路时路面板的位移及应力变 化情况 然而 上述研究 主要是基于实际工程采 用数值模拟方法开展研究 个别结合或采用工程 实测 且采用桩型及沉桩施 工的影响对象均不尽 相 同 研究 内容也缺乏系统性 为此 本文以道路 约束为条件 采用室内模型试验 研究静压沉桩挤 土过程中地表土体水平位移和隆起变形的变化规 律 并与工程实例测试进行 比较 以期为实际工程 的设计与施工提供有益 的参考 也为环境保护提 供必要的技术支持 1 挤土效应机理 在饱和软土 中静 压沉桩时桩侧 土易受 到挤 压 扰动 重塑 产生超孔 隙水压力 对于群桩而 言 其挤土效应是各单桩挤土效应的累积 当中小 桩距 的群桩沉桩达到一定数量后 常出现 土体隆 起和侧移 基桩连 同上涌 对于预制桩可能导致接 头被拉断 甚至造成二节桩之 间出现数 十厘米 的 间隙 对于灌注桩则可能导致缩径 断桩等质量事 故 为 了分析道路约束下沉桩挤土效应 有必要 对挤土效应的机理进行分析 这里 将饱和软土 中的挤土沉桩视为半无限土体 中柱形小孔扩张问 题 应用弹塑性理论求解其沉桩瞬时的应力和 变形 假定 1 土是均匀各向同性的理想弹塑 性材料 2 饱和软土是不可压缩 的 无排 水 固 结的瞬间挤土 3 土体符合库仑 一 莫尔强度 理论 4 小孔扩张前 土体的各向有效应力均 等 则小孔扩张的塑性区半径为 一 墨 一 2 1 z c 径向挤土应力为 c 2 ln 争 竖 向挤土应力为 2 cu l n 桩土界面的最大挤压应力为 R P c I 2 1 n 二 旦 1 I 式中 c 为桩周饱和土的不排水抗剪强度 r 为离 桩中心径 向距离 T O为扩张孔 桩 的半径 E为 桩周饱和土 的弹性模量 为桩周饱和土的泊松 比 可见 沉桩挤土效应有如下特性 1 挤土塑性区半径 R随土的弹模增大和不 排水抗剪强度减小而增 大 对 于具体工程 塑性 区半径 尺 与扩张孔即桩径成正 比 桩径越大 塑 性区半径越大 挤土范 围越大 对于群桩挤土 其 塑性区则是相互叠加的 其挤土效应更加明显 2 径向挤土应 力和竖 向挤 土应力随着径 向 距离的增大而递减 竖向应力在塑性区外边界上 递减为零 可以认为 理论上 若桩距大于塑性区 半径时 后沉桩对先沉桩不产生竖向挤土应力 桩 不易产生 浮桩 现象 从桩中心开始 沿径向向外至 R e为孔隙 比 处 O 也就是说 理论上 假如桩距大于尺 时 后沉桩对先沉桩不产生径向挤土应力 先沉桩 不会因后沉桩施工而产生偏位或倾斜等情况 3 在沉桩过程 中桩表面 出现最大挤土压应 力P 伴随着最大超孔压 出现 两者近似相 等 当超孔压值超过土的有效压应力和土的抗拉 强度时 便会发生裂缝 而消散 沉桩过程 中超孑 L 压一般稳定在土的有效 自重范 围内 瞬时偶 尔可 超过土有效 自重的 2 0 一 3 0 沉桩停止后 孔 压消散初期较快 以后变缓 近表层土和近砂 砾 土孔压消散较快 同时 沉桩速率愈快 土体因超 孔压产生 的隆起量和侧移量愈大 存在道路约束时 桩在逐渐被压入土体过程 中 道路约束限制了周边土体变形和孔隙水压力 的发展 桩周土体受到的挤压应力变大 土中孔隙 水压力上升较快 土体抗剪强度降低 可见 道路 约束与通常情况下静压桩挤土的小孔扩张理论大 不相同 对此 尚未有成熟的计算方法 其挤土效 应机理也有待于进一步研究 第 2期 李富荣等 道路约束条件下静压群桩挤土效应 l 5 a 水平位移 b 隆起变形 图 6 距 桩区 8 cm处地表土体变形的变化 曲线 就桩区一 道路问距离的影响而言 其距离越 小 道路对其问土体约束越强 沉桩挤土效应的影 响则相对偏小 距桩区8 cm处土体的水平位移和 隆起变形越小 其距离越大 道路的约束能力越 弱 距桩区 8 cm处土体受挤土效应 的影响相对越 大 其水平位移和隆起变形亦越大 2 距道路8 e m处土体变形 与无道路约束 相 比 距道路较近处地表 土体 水平位移和隆起变形的变化规律与其相似 即土 体水平位移变小 隆起变形增大 但沉桩过程中 距道路较近处土体变形可以间接反应沉桩施工对 道路的影响程度 这里分析了距道路 8 cm处地表 土体水平位移和隆起变形的变化情况 以反应距 道路较近处土体变形 如图7所示 可以看出 对 于距道路 8 cm处土体变形 沉桩挤土效应发生 后 土体受到挤压 桩区 一 道路间距离越近 其实 质是该处距桩区越近 则该处土体受到的侧向挤 压力越大 故该处地表土体水平位移和隆起变形 越大 说明对于距道路较近区域 沉桩施工时道 路对该区域土体的约束能力主要取决于桩区 一 道 路间距离 桩区 一道路问距离越远 距道路较近处 土体变形受道路约束影响越 明显 桩 区 一道路间 距离越近 距道路较近处土体变形更多地受到沉 桩挤土效应的影响 相比较而言受道路约束影响 偏小 2 3 3 道路两侧土体最大变形 以道路模型为纵轴 道路两侧地表土体最大 水平位移和隆起变形如图8 所示 在道路模型左 侧 即桩区 一道路间区域 距离道路越近 无论是 1 l l 套 争 a 水平位移 b 隆起变 形 图7 距道路 8 cm处地表土体变形的变化曲线 最大水平位移还是隆起变形均呈现不断减小的趋 势 桩 区 一道路间距离由小变大 但 曲线斜率变化 不甚明显 在道路模 型右侧 由于道路 约束 的影 响 与道路左侧区域相比 最大水平位移和隆起变 形明显减小 且变化不大 同时 随着桩区 一 道路 间距离的减小 沉桩挤土效应的影响愈加明显 道 路两侧的水平位移 和隆起变形差值有 变大 的趋 势 这可能会引起道路开裂变形 必须加强道路 两侧的变形监测 特别是桩区 一道路间区域 防止 对道路及其两侧的市政设施 如地下管线 造成 不利的影响 甚至破坏 卜 1 6 cm N L 32 cm 十 48 cm n 一40 30 2 O 1 0 l 0 20 3 0 道路两侧 测点距道路边 缘距 离 m a 水平位移 l 6 十L TM1 6 cm 一 L 3 2 cm 48 cm n 40 30 2 0 1 0 1 0 20 3 0 道路两 侧测点距道路边 缘距 离 m b 隆起变形 图8 道路两侧土体最大变形曲线 l 6 土木工程与管理学报 2 0 1 6年 3 工程实例 3 1 工程概况 某小区住 宅楼采用先 张法预应力 混凝土管 桩 桩长 2 1 3 m 桩直径 5 0 0 m m 共 4 9 5根 采取 静压沉桩施工 施工场地西侧 1 2 m处为东关路 北侧 1 5 m左右处为某公司大楼 施工时从靠近 住宅楼处开始压桩 同时在东关路两侧地表面和 公司大楼前停车地坪上布设变形观测点 沉桩施 工前 该 区域地表平整 无明显隆起现象 3 2测试结果 沉桩过程 中 测试 了东关路与沉桩区域之 问 距桩区4 m和 8 m处测点的土体变形 两测点大 致位于桩区东西向中轴线上 测试结果如图 9所 示 同时 观测发现 沉入 3 5 0余根桩 时 北侧公 司大楼前停车地坪开始 出现拱起 开裂 的现象 这 在一定程度上体现 了公司大楼约束对沉桩挤土效 应的影响 a 水平位移 桩 数 b 隆起变形 图 9 沉桩过程 中土体变形 曲线 沉桩结束时 测量了西侧东关路两侧土体水 平位移和隆起变形 其中 东关路西侧土体基本没 有水平位移和隆起变形 这与模型试验结果不完 全一致 这主要是因为模型试验中道路模型底部 亦为软土 而实际上道路是 由面层 基层 底基层 等组成的 其约束深度较深 基本限制了土体变形 向道路另一侧发展 故在工 程实测 中东关路西侧 土体未有变形 沉桩结束时沉桩区域与西关路之 间土体变形如表 3 所示 将表 3与图 8比较可 见 该工程沉桩施工顺序虽与模型试验不同 实测 值与模型试验值也相差较大 但都是由于挤土效 应使得桩区 一道路间土体变形呈现相同的变化趋 势 即距离桩区越远 水平位移和隆起变形越小 表3 沉桩结束时桩区 一道路间土体变形i n l n 距桩区距离 2 m 4 m 6 m 6 7 5 20 9 8 m 41 8 l 0 3 l 0 m 2 7 5 6 2 水平位移 1 9 4 2 1 1 9 3 隆起变形 6 2 9 3 9 0 4 结 语 本文分析了静压沉桩的挤土机理 采用室 内 模型试验 研究 了道路约束 条件下静压群桩沉桩 挤土效应引起的地表土体变形 包括水平位移和 隆起变形 详细分析了桩区 一 道路间土体变形的 变化规律 以及道路两侧 土体最大变形 并与工程 实测结果进行 了比较分析 研究结果表明 1 静压沉桩过程 中 桩 区内地表 土体水平 位移先增大后减小 而隆起变形则是不断增大的 桩区外各点水平位移 和隆起变形则是逐 渐增大 的 而道路外侧土体水平位移和隆起变形总体均 较小 可忽略不计 2 受道路约束影响 距桩 区较近处地表土 体水平位移变小 隆起变形增大 且桩区一 道路间 距离越小 该处土体水平位移和隆起变形越小 反 之亦然 对于距道路较近处 桩区 一道路间距离越 近 该处地表土体水平位移和隆起变形越大 3 距道路越近 即距桩区越远 桩区 一 道路 问地表土体最大水平位移和隆起变形均不断减 小 且桩区 一道路 间距离变化时 其曲线斜率变化 不甚明显 在道路另一侧 地表土体最大水平位 移和隆起变形 明显减小 且变化不大 桩 区 一道 路问距离减小 道路两侧土体最大水平位移和隆 起变形差值可能会变大 4 工程实测验证了道路约束对沉桩挤土效 应 的影响是存在 的 与室 内试验结果相 比 桩 区 一 道路 间土体变形 的变化趋势是相同的 而道路 另一侧土体基本未有变形 这与室内试验结果略 不显吻合 主要是实际道路约束深度较深 基本限 制了地表土体变形向道路另一侧发展 道路约束条件下静压沉桩是静压桩挤压土体 和道路约束共同作用 的动态变化过程 道路约束 作用于土体所形成的应力场 位移场以及其对土 体变形的约束作用是不可忽略的 本文主要通过 室内模型试验加 以研究 今后 应进一步收集现场 观测数据 进行理论研究和数值模拟 建立更符合 实际的静压群桩挤土效应的力学模 型 如 加 加 gg 第 2期 李富荣等 道路约束条件下静压群桩挤土效应 1 7 参考文献 S a g a s e t a C Wh it t l e A J P r e d ict i o n o f g r o u n d mo v e m e n t s d u e t o p il e d riv i n g i n cl a y J J o u r n a l o f G e o t e ch n ica l a n d G e o e n v ir o n me n t a l E n g in e e r in g 2 0 0 1 1 2 7 1 5 5 6 6 Ca o L F Te h C I Cha ng M F Un dr a in e d ca vit y e x p a n s io n in mo d ifi e d C a m cl a y I t h e o r e t ica l a n a l y s is J G e o t e ch n iq u e 2 0 0 1 5 1 4 3 2 3 3 3 4 S h e n S L Ha n J Z h u H H e t a 1 Ev a l u a t i o n o f a d ik e d a ma g e d b y p i l e d r i v in g i n s o ft cl a y J J o u r n a l o f Pe rfo r ma nce a nd Co n s t r u ct e d Fa cil it ies 2 00 5 1 9 4 3 0 0 3 0 7 丁佩民 肖志斌 施健勇 松砂中大型静压沉桩模 型试验研究 桩基挤 土加密效应 J 工业 建筑 2 0 0 3 3 3 3 4 5 48 张述涛 李镜培 李雨浓 成层地基中静压桩挤土 效应模型试验研究 J 地下空 间与工程学报 2 0 0 9 5 s 2 1 5 5 7 1 5 6 1 周火矗 施建勇 饱和软黏土中足尺静压桩挤土效 应试验研究 J 岩土力学 2 0 0 9 3 0 1 1 3 2 9 1 3 2 9 6 7 李富荣 张艳梅 王照宇 软土中静压桩挤土效应 的模型试验研究 J 建筑科学 2 0 1 3 2 9 1 5 2 5 4 8 罗战友 夏建中 龚晓南 等 考虑孔压消散的静 压单桩挤土位移场研究 J 岩石力学与工程学 报 2 0 1 4 3 3 s 1 2 7 6 5 2 7 7 2 9 王浩 魏道垛 表面约束下的沉桩挤土效应数值 模拟研究 J 岩土力学 2 0 0 2 2 3 1 1 0 7 1 1 0 1 0 鹿群 龚晓南 马 明 等 考虑桩机作用的静 压桩挤土效应 J 浙江大学学报 工学版 2 0 0 7 4 1 7 1 1 3 2 1 1 3 5 1 1 陈军 杜守继 沈水龙 等 静压桩挤土对既有 隧道的影响及施工措施研究 J 土木工程学报 2 0 1 1 4 4 s 2 8 1 8 4 1 2 金国龙 王勇 顾开云 人工挖孔桩施工对紧邻 基坑围护结构 的影响 J 上海交通大学学报 2 0 1 2 4 6 1 8 4 8 8 1 3 吕全乐 鹿群 郭少龙 静压单桩施工对道路影 响的数值模拟研究 J 广西大学学报 自然科学 版 2 0 1 3 3 8 1 1 8 2 1 8 7 1 4 刘金砺 高文生 邱明兵 建筑桩基技术规范应用 手册 M 北京 中国建筑工业出版社 2 0 1 0 上接第 1 0页 全共享心智模型和安全行为的测量 问卷 在施工 现场对工人进行问卷调研 运用软件把收集到 的 数据进行信效度分析 描述性分析 相关分析和回 归分析 证实了作业式安全共享心智模 型和协作 式安全共享心智模型对安全遵守行为和安全参与 行为都产生了显著的正向影响 3 基于影响施工班组安全共享心智模型 的 要素 结合施工的实际特点 建议 了培养及完善施 工班组安全共享心智模型机制的意见 参考文献 曹振杰 企业员工和谐心智模式的理论与实证研 究 以酒店餐饮企业为例 M 杭州 浙江大学出 版社 2 0 1 2 C a n n o n B o w e r s J A S a l a s E S h a r e d Me n t a l Mo d e l s i n E x p e rt t e a m D e ci s io n M a k i n g C I n d i v i d u a l a n d G r o u p D e cis io n Ma k in g C u r r e n t I s s u e s Hil l s d a l e N J Er l b a u m 1 9 9 3 2 2 1 2 4 6 龙飞 基于组织共享心智模型的组织知识创新 管理研究 D 上海 东华大学 2 0 0 8 王黎萤 研发团队创造气氛 共享心智模型与团队 创造力研究 D 杭州 浙江大学 2 0 0 9 5 项凯标 周建波 程