52 江苏建筑 2006年第3期(总第106期) 静压桩挤土效应研究综述 沈凤友。,姜锋 ( 南京浦口区建设局,南京 211800; 江苏省苏科建设技术发展有限公司,南京 210008) 【摘 要】 文章概述了静压桩挤土效应的研究发展过程,对静压桩沉桩分析的圆孔扩张理论、应变路径法、有限元分析和 滑移线理论等四种方法逐一进行评述,同时总结了前人所采用的模型槽试验研究方法以及在工程实践中所取得的经验与教 训。并提出该课题今后的发展方向。 【关键词】 静压桩;挤土效应;模型实验;工程经验 【中图分类号】TU472.3 【文献标识码】A 【文章编号】1005—6270(2006)03—0052—04 The Comprehensive Statement of the Research on the Soil Compaction Effect of Jacked—-in Pile SHENFeng—you .JIANG Feng Abstract:The research development process of soil compaction effect of jacked—in pile was summarized in this paper. Reviewed are four methods for the theory analysis of the penetration of jacked—in pile,namely,cavity expansion method,strain path method,finite element method,slip line method.And pointed out the experiment that obtained from calibration model test and engineering practice.It also puts forward the way of the future. Key Word:jacked—in pile;soil compaction effect;mode test;engineering experiment. 0 前言 Mohr—Coulomb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 。该理论提出之后,经过Vesic,Carter, Randolph等的发展,已经成为解决沉桩对周围土体影响应 用最为广泛的一种方法。 静压桩以其振动小、噪音低 对环境影响小的优点,在 我国越来越受到重视;但静压桩属于挤土桩,在贯入过程中 将使下部土体侧向移动,地表隆起,这些必将对已入土的邻 桩产生径向压力及垂直向拉拔力,从而使邻桩产生弯曲、倾 斜、水平位移等一系列不良后果,如果周边存在建筑物,还 将对相邻建筑物产生影响,给工程带来不良影响。 国外对挤土桩的研究较早,但主要注重于打入桩的研 Vesic(1972)采用相关流动的Mohr—Coulomb屈服准则, 给出了理想弹塑性圆孔扩张问题的基本解,并于1977年将 其用于了深基础承载力方面的研究。Cater(1986)采用非相 关流动的Mohr—Coulomb屈服准则,并考虑了塑性区的大变 形,得到了圆孔从零半径扩张到有限半径的极限应力解。接 究,而对静压桩的研究甚少;国内的研究工作始于80年代 初,取得了一定的成果,但尚限于初步认识。因此,对粘性土 中静压桩沉桩机理及挤土效应研究,不但有利于提高理论 上的认识,而且对于估计静压桩的施工影响和指导设计具 有现实意义。 l 理论研究 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(Been&Jeffeifes,1985;Bohon, 1986;Yu&Houlsby,199l;Collins et al,1992;Jeffefies&Been, 1995;Cudmani&Osinov,2001;Caoetal,2001)。Randolph(1979) 静压桩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,在桩挤土应 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。 王启铜、龚晓南(1994)采用拉压不同模量,建立了桩周 力、挤土位移的解析及数值解方面都进展的较为缓慢。目 前,有代表性的理论研究方法有圆孔扩张法(CEM)、应变路 径法(SPM)、有限单元法(FEM)和滑移线理论”0。 1.1 圆孔扩张理论(CEM) 围土体的应力和位移表达式。蒋明镜,沈珠江(1996)给出了 考虑应变软化的桩周土体应力与位移的关系式。李月健 (2001)采用球形孔扩张理论分析了沉桩机理” 。 圆孔扩张法可分为柱形孔扩张理论和球形孔扩张理 【收稿日期】2006-02-14 【作者简介】it风友,男,南京市浦口区建设局,工程师 论,其假设土体是理想弹塑性体,材料服从Tresca或 维普资讯 http://www.cqvip.com
江苏建筑 2006年第3期(总第106期) 综合所述,圆孔扩张理论具有如下优点:(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减为一个一次微 分方程,可直接求解;(3)由于求解方法的简单性。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;也存在这样的缺点: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r 的影响。 1.2 应变路径法(SPM) 应变路径法(Balish,1985)是麻省理工学院Balish等学 者根据压桩产生的土体变形规律总结出的一种主要用于分 析深基础问题的方法。其基于这样的假定: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。 Baligh(1986)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。Baligh&Levadoux (1986)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。Danziger。Almeida&Sills(1996)也将SPM法用于 旁压仪。Huang,A.B.(1989)采用SPM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人体的表面,因此只能利 用数值解法。Sagaseta(1989)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。Chow&Teh (1990)利用Sagaseta(1989)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。Sagaseta(2001)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。 综合所述,应变路径法具有如下优点:一方面可以考虑 竖向贯入过程中,土体变形与竖向坐标的关系;另一方面可 以考虑匀速贯入的连续性。所以,它可以给出贯入过程中土 体应力、位移分布的大致情况。同时,也存在这样的缺点:由 于它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),所以只适用于 桩端附近的应变场;且它本质上只是一种近似的方法,而且 计算较为繁琐,不过可以考虑将之与CEM联合起来,互为 补充。 1.3 有限单元法(FEM) 有限单元法广泛地用于桩基计算中,它是十分有力的 计算工具。鉴于沉桩问题的复杂性,许多学者将有限单元法 引入桩体贯入过程分析中,主要采用小应变和大变形模型 两种类型。 Chopra(1992)将土看成两相的、临界状态的弹塑性材 料,用修正的拉格朗日方法描述桩周土体中产生的大增量 53 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,土中水 的流动服从达西定律,最后采用有效应力原理求出沉桩瞬 时和固结后的孔隙水压力场和有效应力场。Mabsout(1994) 考虑了桩土相互作用及力贯入法的有限元,分析过程中,考 虑了不排水粘性土的非线性行为,采用了Kaliakin和 Dafalias(1989)提出的边界面模型,用一个周期函数表示锤 对桩的作用。Mabsout(2003)采用的滑动面算法是由接触准 则或变分不等式建立起数学模型并通过二次规划或惩罚算 法来求出解答的。K.J.Xu。H.G.Poulos“ 编制程序GEPAN对 受被动荷载的桩进行分析,包括土的收缩、膨胀,土表面超 载作用,隧道开挖,因打桩或土体内部形成孔洞引起土体位 移等情况,得到了与实际情况吻合较好的结果。 鲁祖统 对静力压桩问题进行了初步韵研究,他参照 Chopra(1992)所采用的方法也对静压桩挤土效应进行了数 值模拟。陈文 噪用Desai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。周健等” 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。徐建平等 。以平面四边形单元模拟土体区 域,以接触面单元模拟土与桩间的相互作用,以弹塑性模 型描述土体本构关系,并考虑初始应力,通过土力学求解, 对压入单桩、双桩情况下的沉桩挤土效应进行了数值模拟 计算,并用模型试验结果对其进行了检验。王浩,魏道垛 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。张明义,邓安福,于腾君“。l和J用位移贯入法分析了一 定深度预钻孔的桩体压入过程,在分析中考虑了弹塑性本 构关系等复杂问题。 综合所述,有限元法在静压桩的沉桩机理及挤土效应 研究的分析中显示出很强的生命力。从理论上讲,有限元方 法可在工程计算中较为通用,它可以全面地反映土体中的 应力、位移、孔压情况。大变形有限元在理论上较为完美,但 在现阶段,有限元模拟桩基贯入还存在以下实际问题:(1) 贯入过程难以精确地模拟;(2)有限元计算精度严重依赖于 本构模型的选用以及参数的确定。因此,将有限元法的理论 成果应用于实际分析,使其研究成果得到工程界的广泛接 受,尚有待于进一步的探索。 ’ 1.4滑移线理论 Mayerhof…等学者提出将贯人问题视为承载力问题,针 对深层贯入提出位移模式,并采用滑移线理论来解决。 Koumoto“ 曾运用它对与静压桩类似的静力触探贯入问题 用差分法进行了三维分析。虽然本方法在数学上简便,但似 乎可靠性不高,因而采用的人也不多。 2 模型试验 由于对土体中静力贯入问题的严格分析难度较大。所 维普资讯 http://www.cqvip.com
以人们纷纷借助于模型试验,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。 Eigenbrod&Issigonis(1996)根据钢桩由弱软的灵敏度高 的粘土穿过坚硬的粘土及砂土时的实测结果得知:在软弱 地基土中,只有较低的孑L压产生,而在坚硬的粘土及砂土中 时会有大的多的孔压。Jin—Hung,Huang,etal(2001)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 的孔压变化存在着差异;(2)当桩压入孑L压仪下方4倍的桩 径时,孔压达到最大;(3)在砂土中,从桩中心3倍的距离, 低于地面6m的地方,超孑L压为有效上覆应力的1.5倍;(4) 在l5倍的桩径之外几乎不存在超孔隙水压力。 丁佩民等“川通过砂土中的大型沉桩模型试验,松砂中 静压式沉桩的径向位移影响区域在5倍桩径左右,桩尖以 下位移影响区域约为4~5倍桩径,桩侧以径向位移为主, 桩尖以下土体径向迅速减小,竖向位移显著;土体密实范围 在3倍桩径内较为显著,这个范围外相对密实度基本与初 始状态一致。 徐建平等“ 嗵过在软粘土中静力压入单桩和双桩的模 型试验,研究了沉桩挤土效应,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。试验结果表明,土体变形分为三个 不同区域(见图1):(1)对于单桩,区域l是沉桩的主要变 形区域,桩周土体的侧移随着离开桩轴距离的增大而急剧 减小,其影响范围为(4~5)D(D为桩径);区域2的侧移约 为区域l的2/3,规律类似,该区另一特征是产生地表隆起。 且距离桩轴线(1~2)D处隆起量最大。其影响范围约(3 5) D;区域3的侧移变化剧烈,从桩侧过渡到桩尖以下,侧移的 变形曲线由双曲线渐变为近桩、远桩处小而中间大的马鞍 形分布。 施建勇等” 将平面圆孑L扩张理论推广到空间轴对称条 件,改进了沉桩引起的位移解析解;考虑土体的弹塑性和挤 土引起的土体性质的变化,利用有限元法对沉桩进行了分 析计算;并对沉桩进行了离心模型试验。研究结果表明。沉 桩挤土效应的求解应考虑空间轴对称条件,沉桩引起的挤 土效应将影响桩基础的计算结果,解析解较有限元结果更 已压入桩 圈1双桩土体变形区域形 江苏建筑 2006年第3期(总第106期) 接近试验值。 D.J.WHITE&M.D.BOLTON“引针对砂中偏位桩工作性 状的不确定性,导致桩基设计方法的不可靠问题,利用一个 带刻度的试验槽对压桩过程中,土体、桩体的应变路径、位 移以及应力情况进行模拟试验。试验结果与采用应变路径 法解析解所得的结果很相近,而与圆孑L扩张理论所得结果 相差较大,主要是由其假设条件所导致的;同时,该试验能 够很好地解释贯入过程中,桩身摩阻力下降现象。 综合所述,模型试验在静压桩贯入研究的定性分析上 取得很大的进展,但由于试验结果依赖于模型槽的尺寸和 采用的边界类型,所以试验值和现场实测值之间的差别将 十分显著,因此,在未对其结果作修正之前,无法应用于工 程实际;另外,由于土层地质情况的复杂性,每个试验中的 一种土体所得模型关系式不能直接用于另一种土体,所以 还有待进一步完善。 3 工程经验 虽然静压桩的贯入机理还不被人们所完全认识,但同 其他桩型相比,静压桩在安全与经济上均占有绝对的优势, 故受到工程技术人员的亲睐,被广泛用于工程建设中。在施 工过程中,人们发现了许多问题,也积累了不少经验,现归 纳如下。 王兴龙等“ ’“引根据工程经验得出考虑桩长、桩型、打 桩速率及打桩顺序的土体变形计算公式: u=ala 2a 3a 4S P一 ;h=blb 2b 3b 4SP一 。 式中:U是土体水平位移值、h是竖向位移值、P是测点 至群桩区形心的距离、s是桩的截面积之和,a.、a 、a,、a 及。b,、b 、b 、b 分别表示桩长、桩型、打桩速率及打桩顺序 对土体水平位移及垂直位移的影响系数。运用典型工程打 桩过程中的监测数据进行回归分析导出:a.a a 3a 4= 20183.664、blb 2b b :l22180。 陈志坚等“州通过对静压桩施工过程中的挤土效应和群 桩效应进行监测,得出预钻孑L掏土卸压措施对改善基桩受 力状态效果明显;而袋装砂井则在增强软土透水性和加快 超静孑L压消散方面效果良好,可使超静孑L压在22小时内消 散70%;另外,碎石桩式复合降水井在透水性差的软土中具 有良好的降排水效果,并能有效削减超静孔压。 丁国洪 。嗵过某商住楼静压桩工程的测试,得到设置 防挤沟并同时在防挤沟中设置砂井,既可用来避免压桩时 被挤的浅表层土的影响,又可尽快地消散压桩产生的超孑L 隙水压力。 黄生根等 “采用挤密砂桩来纠正因静压桩挤土引起的 桩周土位移,运用圆柱孑L扩张理论推导出桩周土体在打桩 过程中产生的径向位移,通过合理布置挤密砂桩的桩数和 排数,使桩产生需要的反向位移,从而达到纠偏的目的:且 根据检测结果,实际偏移值与计算值比较吻合。 李永盛等 J针对锚杆静压桩的挤土效应问题,先按弹 维普资讯 http://www.cqvip.com
江苏建筑 2006年第3期(总第106期) 性计算桩周土体的应力状态,即根据布辛奈克斯公式求解, 然后再根据库仑一摩尔准则来判别桩周土体的塑性区范 围,继而得出塑性区半径和挤土压力。 综合所述,在工程建设中可。采取如下措施削弱静压桩 的挤土效应,以减少沉桩对周围环境的影响。(1)采用预钻 孔取土打桩;(2)合理的安排打桩顺序 ;(3)控制打桩速率; (4)设置排水砂井或塑料排水板;(5)挖槽或钻孑L取土减少 挤土效应;(6)设法增加单桩的设计长度,减少桩的数量。 4 结语 通过对静压桩沉桩挤土效应研究历史和研究方法的回 顾与分析,可见该课题还存在以下问题: (1)如何模拟实际情况的压桩过程,上述研究方法在处 理压桩过程时均采用静的方式,实际是一个动的问题,这就 涉及到侧壁摩擦力的分布问题。 (2)整个桩身范围内的土体位移,我们目前所关心的是 地面的隆起和径向位移,而对于土体内部的位移场却没有 给予太多的关注,这就需要对土体中应力大小和分布、超孑L 隙水应力的大小和分布以及桩周土体密实度的变化等问题 进行更深入的研究。 (3)大应变与小应变的问题,我们目前分析是在小应变 的假定基础上进行的,而桩的实际压入过程中桩径范围内 存在大应变,故这之间存在矛盾。另外,在分析过程中,我们 进行了很多的假定,事实上大多数的假定都是与实际情况 不相符合的,这就需要我们在今后的研究中,将假定条件逐 渐消去,以使所研究的对象回到实际的桩土中来。 (4)群桩问题,实际工程中,我们不可能只压入一根桩, 所以对于群桩的挤土效应以及桩的“遮帘”现象的机理研 究,有待进一步深入下去。 (5)承载力问题,桩挤土后,对其承载力将产生什么样 的影响,如果进行了处理,承载力又将产生什么样的变化, 这一问题目前只能靠经验估算,不能从机理上进行有效的 分析和解决。 上述问题都是今后的研究方向,另外,在工程实践方 面,我们目前的工作都是在桩打入后已经出现了偏位进行 补救,而没有在打桩前,制定严密的措施或进行适当的地基 处理,使打桩引起的挤土程度在允许范围内,这是以后在实 际工程建设中的发展方向。 参考文献 【1】 陈文,施建勇,龚友平,孙邦宾.饱和粘土中静压桩沉 桩机理及挤土效应研究综述【J】.水利水电科技进展, 1999.6(3):38—44. 【2】 《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册【M】.中 国建筑工业出版社,1995:20—22. 【3】 罗战友.静压桩挤土效应及施工措施研究【D】.杭 卅:浙江大学。2004. 55 【4】 K.J.Xu,H.G.Poulos.3一D elastic analysis of vertical piles subjected to passive loadings[J】.Computer and Geotech- nics.2001.28:349—375. 【5】 鲁祖统.软粘土地基中静力压桩挤土效应的数值模 拟【D】.浙江大学博士学位论文。杭州.1998. 【6】 陈文,施建勇,龚友平,周林根.饱和粘土中静压桩挤 土效应的离心模型试验研究【J】.河海大学学报。1999(6): lO3一ll0. 【7】 周健,徐建平,许朝阳.群桩挤土效应的数值模拟【J】 .同济大学学报,2000(6):721—725. 【8】 徐建平。周健,许朝阳,徐海波.沉桩挤土效应的数值 模拟【J】.工业建筑,2000(30):l一7. 【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,2002(1):107一l1O. 【lO】 张明义,x 安福,于腾君.静力压桩数值模拟的位移 贯入法【J】.岩土力学。2003(1):l13一l17. 【l l】 Mayerhof G.G。The ultimate bearing capacity of wedge shaped foundations.In:Caquo Aed.Proc 5th ICSMFE.Paris:. Dunod Press.1961.105~l09. 【12】 Koumoto T,Kaku K.Three dimensional analysis of static cone penetration into clay.In:Verruijt A,etal,eds,Proc 2nd Europe Syrup Penetration Test.Amsterdam:Netherland Press, l982.635—640. 【l3】 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。2003(3):45— 49. [I4】 徐建平,周健,许朝阳,张春雨.沉桩挤土效应的模 型试验研究【J】.岩土力学.2000(3):235—238. 【l5】 施建勇,陈文,彭吉力.沉桩挤土效应分析【J】.河海 大学学报,2003(4):415—418. [I6】 D.J.WHITE,M.D.BOLTON.Displacement and strain paths during plane—strain model pile installation in sand【J】 .Geotechnique.2004,54:375—397. 【l7】 王兴龙,陈磊,窦丹若.打桩挤土的现场试验研究及 土体位移的计算公式【J].岩土力学,2003(24):175—179. 【l8】 王兴龙。石春梅.桩长、桩型及打桩的速率、顺序等 因素对挤土的影响【J】.土工基础,2004(3):46—48. 【l9】 陈志坚,林涛,林闽,俞春林,武刚.预制桩挤土效应 。 和群桩效应的监测方法【J】.工程勘察。2003(4):32—35. 【2O】 丁国洪.软粘土地基静压桩挤土效应的分析与实践 【J】.建筑技术开发,2004(31):31—33. 【2l】 黄生根,曹辉.利用挤密砂桩处理挤土效应引起的 桩住偏移【J】.建筑结构,2003(33):19—20. 【22】 李永盛.刘万兴.锚杆静压桩沉桩挤土效应的实用、 计算方法【J】.同济大学学报。200O(28):492—496.
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容
Copyright © 2019- igat.cn 版权所有 赣ICP备2024042791号-1
违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com
本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务