靜壓樁沉樁過程中的土體位移和遮簾效應(yīng)

靜壓樁沉樁過程中的土體位移和遮簾效應(yīng)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，建筑用地的稀缺性。人們修建了大量的地下工程，然后擴(kuò)建了更多的鄰近地下樁基工程。與孔灌注樁相比，靜壓樁應(yīng)在施工過程中更換相同體積的土壤。因此，近距離樁基的建設(shè)將會導(dǎo)致相鄰結(jié)構(gòu)的位移和增加浮力。靜壓樁具有品質(zhì)可靠、價格相對簡單、施工效率高、噪聲小、荷載低等優(yōu)點(diǎn)。在施工周期長要求較高的建設(shè)項(xiàng)目中，靜壓樁是最合理的樁型。為了減少樁基施工引起的土體位移，通常采用控制樁序的方法（例如，背保護(hù)性結(jié)構(gòu)的樁），或在構(gòu)造附近放置保護(hù)樁，以起到防止地板位移的屏障作用。減少沉降對環(huán)境的影響。因此，研究靜壓樁沉降對土壤侵蝕的陰影效應(yīng)具有重要意義?；诶硐霃椝苄约俣ǖ膱A形擴(kuò)張理論是常用于分析沉樁擠土效應(yīng)的方法,該方法在數(shù)值模擬中的應(yīng)用也十分廣泛.文獻(xiàn)運(yùn)用圓孔擴(kuò)張理論模擬分析了靜壓樁沉樁過程中的擠土效應(yīng),但圓孔擴(kuò)張理論并不能模擬靜壓樁沉樁時樁-土間的摩擦作用,這使得計(jì)算所得的土體垂直位移與實(shí)際情況差距較大.對于靜壓樁雙樁沉樁過程,已打入樁對土體位移有遮攔效應(yīng).Poulos分析了側(cè)向移動土中樁的性狀;吳曉峰等借助Poulos對側(cè)向移動土中樁的研究結(jié)果,并采用有限元數(shù)值模擬分析了已打入樁的遮簾效應(yīng);林永國等用剪切位移法研究了單樁沉降的遮攔效應(yīng);李月健等對群樁施工中的土體側(cè)向位移進(jìn)行了相關(guān)表述;鹿群研究了擴(kuò)孔時對孔壁上節(jié)點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)力以模擬樁-土間的摩擦效應(yīng),并對單樁與雙樁沉樁進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算.然而,現(xiàn)有的對靜壓樁沉樁產(chǎn)生土體位移的研究大多基于圓孔擴(kuò)張理論,且限于單樁,因此對于靜壓樁雙樁沉樁,已有研究的成果未能就已打入樁體對土體位移的遮簾效應(yīng)進(jìn)行量化,其機(jī)理也尚不明確.本工作采用三維有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模型,并在圓孔擴(kuò)張模擬沉樁擠土效應(yīng)的基礎(chǔ)上,基于位移貫入法模擬樁-土間的摩擦作用與文獻(xiàn)中施加摩擦力數(shù)值模擬方法進(jìn)行對比,結(jié)果吻合得較好.基于此法模擬靜壓樁單樁、雙樁沉樁,并對沉樁引起的土體位移進(jìn)行相應(yīng)的分析.針對已打入樁體對待打入樁沉樁過程中土體位移的影響進(jìn)行深入研究,并就遮攔效應(yīng)的實(shí)質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)探討,對已打入樁體對土體位移的遮簾作用進(jìn)行量化,得出了一些有益的結(jié)論.1通過模擬和產(chǎn)生的土壤位移，靜壓樁沉降值1.1模型參數(shù)選取(1)采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析計(jì)算.(2)考慮初始地應(yīng)力的影響.(3)對靜壓樁沉樁引起的土體位移進(jìn)行分析,為了得出更一般的結(jié)論,即假定土體為連續(xù)勻質(zhì)的理想彈塑性體,符合Mohr-Coulomb模型.土體參數(shù)選自《中航商用發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司研發(fā)中心項(xiàng)目101總部及研發(fā)大樓項(xiàng)目巖土勘察報告》中第④層淤泥質(zhì)粘土(見表1).該工程位于上海市閔行區(qū)東至蓮花南路、西至規(guī)劃道路、南至劍川路、北至塘泗涇.(4)靜壓樁樁體為C80預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,材料屬性為線彈性體(見表2),樁徑φ=400mm,樁長L=20m.(5)鑒于問題的復(fù)雜性,本工作未考慮孔隙水壓力的影響.(6)為簡化計(jì)算,參考文獻(xiàn)和,引入平均塑性體積應(yīng)變Δ作為已知值(7)土體垂直位移向上為正,故正值表現(xiàn)為隆起,負(fù)值表現(xiàn)為沉降.1.2基于圓孔擴(kuò)張理論的數(shù)值分析按照圓形孔擴(kuò)張理論,沉樁過程中的擠土效應(yīng)是小孔由孔徑0擴(kuò)張到r的過程,但在數(shù)值計(jì)算小孔擴(kuò)張時,初始半徑r=0將導(dǎo)致產(chǎn)生無窮大的環(huán)向應(yīng)變.Carter等認(rèn)為,可用初始半徑為a0的小孔擴(kuò)張到2a0的過程代替由0擴(kuò)張到r0的沉樁過程,此時,即.因此,采用Carter的相關(guān)理論進(jìn)行沉樁擠土效應(yīng)的模擬,從0到r0的實(shí)際擴(kuò)張用到的擴(kuò)張代替.目前,許多學(xué)者已運(yùn)用圓孔擴(kuò)張理論計(jì)算分析靜壓樁沉樁的擠土效應(yīng),但圓孔擴(kuò)張理論并不能模擬靜壓樁沉樁時樁-土間的摩擦作用,使得計(jì)算所得的土體垂直位移與實(shí)際情況差距較大.文獻(xiàn)對圓孔擴(kuò)張理論在數(shù)值模擬中的應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn),在擴(kuò)孔時對孔壁上的節(jié)點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)力以模擬樁-土間摩擦效應(yīng),數(shù)值分析流程見圖1.不同于施加節(jié)點(diǎn)力,本工作考慮構(gòu)建樁體單元與接觸單元是基于位移貫入法模擬沉樁過程中的摩擦效應(yīng),其計(jì)算流程為:①進(jìn)行地應(yīng)力平衡以獲取沉樁前的初始地應(yīng)力;②基于圓孔擴(kuò)張理論以擴(kuò)孔模擬擠土效應(yīng);③待擴(kuò)孔至樁徑大小,建立實(shí)體樁單元與接觸單元,并基于位移貫入法使樁體以恒定速度下沉至沉樁深處,模擬得到沉樁過程中樁-土間相互作用.計(jì)算分析流程圖如圖2所示.1.3塑性區(qū)土體應(yīng)變演化的應(yīng)力和徑向位移圓孔擴(kuò)張理論以摩爾-庫倫條件為依據(jù),在具有粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的半無限土體內(nèi),給出圓筒形孔擴(kuò)張的一般解.塑性區(qū)半徑:式中,Rp為塑性區(qū)半徑,Ru為孔的最終半徑,r為計(jì)算點(diǎn)距離樁中心的距離,G為剪切模量.設(shè)Δ為塑性區(qū)體積應(yīng)變,剛度指標(biāo)為式中,Ir為剛度指標(biāo),E為彈性模量,v為泊松比,c為粘聚力.修正剛度指標(biāo):式中,為修正剛度指標(biāo),Δ為塑性區(qū)平均體積應(yīng)變,v為泊松比,φ為內(nèi)摩擦角.最終擴(kuò)張壓力:式中,pu為最終擴(kuò)張應(yīng)力.塑性區(qū)擠土引起的徑向應(yīng)力與徑向位移:式中,σr為徑向應(yīng)力.在彈性區(qū),由彈性力學(xué)理論可求得徑向應(yīng)力與徑向位移的拉梅解:式中,u為彈性區(qū)土體的徑向位移.計(jì)算步驟:步驟1由式(1)求出最終塑性區(qū)半徑Rp;步驟2由式(4)求出最終擴(kuò)孔壓力pu;步驟3由式(5),(7)求出塑性區(qū)、彈性區(qū)徑向應(yīng)力場;步驟4由式(6),(8)求出塑性區(qū)、彈性區(qū)徑向位移.計(jì)算參數(shù):c=14kPa,φ=12.5°,Δ=0.015,v=0.35.土體壓縮模量與彈性模量的換算關(guān)系式為由表1可知,Es=2.52MPa,計(jì)算可得E=1.59MPa.樁基礎(chǔ)為C80預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,樁徑φ=400mm,即半徑R=200mm.基于Carter理論,從0到r0的實(shí)際擴(kuò)張用到的擴(kuò)張代替,即R0=116mm,Ru=232mm.而圓孔擴(kuò)張解析解與數(shù)值解的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出,靜壓樁沉樁引起的土體水平位移隨著徑向距離的增大近似呈指數(shù)衰減,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與解析解計(jì)算結(jié)果基本吻合.徑向距離D>2.5m(距離沉樁中心處)時,土體水平位移在5mm范圍內(nèi).1.4樁周土作用下樁體沉降分析如果僅基于圓形孔擴(kuò)張理論的數(shù)值計(jì)算,而沒有考慮沉樁過程中樁-土間的摩擦作用,則與沉樁引起土體總位移的實(shí)際情況不符.本工作在圓孔擴(kuò)張的基礎(chǔ)上,采用位移貫入法模擬樁體貫入時樁-土界面的摩擦效應(yīng).位移貫入法的實(shí)質(zhì)是使樁以一定速度向下運(yùn)動,該運(yùn)動對樁周土的作用與樁頂施加外力時一致,能夠較好地模擬沉樁的實(shí)際情況.具體操作為等擴(kuò)孔至樁徑大小,建立樁體實(shí)體模型,通過對在樁頂施加位移邊界條件使樁體以恒定速度貫入以模擬樁-土間的摩擦效應(yīng).選取距樁中心D=0.5m處為位移監(jiān)測點(diǎn),對考慮和不考慮摩擦的位移場進(jìn)行對比.沉樁計(jì)算結(jié)果如圖4和5所示.從圖4和5中可以看出,相較于考慮摩擦作用,未考慮摩擦作用的垂直位移在地表附近表現(xiàn)為較小的沉降,且進(jìn)入一定深度后土體表現(xiàn)為隆起,這與實(shí)際情況不符;考慮摩擦作用的土體表現(xiàn)為更大的沉降,且計(jì)算所得土體垂直位移隨深度變化的趨勢與文獻(xiàn)中的表述基本吻合;另外,未考慮摩擦作用計(jì)算所得土體水平位移與考慮摩擦?xí)r基本相同,表明考慮樁-土間的相互作用對計(jì)算結(jié)果中土體垂直位移有較大的影響,可使結(jié)果更趨近于實(shí)際情況.1.5土體位移與深度的關(guān)系文獻(xiàn)為模擬樁-土間的摩擦效應(yīng),采用在擴(kuò)孔同時對孔壁上的節(jié)點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)力的方法.為評估位移貫入法對摩擦效應(yīng)的模擬效果并分析上述兩種數(shù)值模擬方法的優(yōu)缺點(diǎn),分別運(yùn)用兩種數(shù)值模擬方法計(jì)算分析靜壓樁沉樁產(chǎn)生的土體位移.其中基于節(jié)點(diǎn)施加摩擦力的數(shù)值方法中,考慮了文獻(xiàn)的樁-土間摩擦取值為15kPa,因此施加的節(jié)點(diǎn)力依次為3000,5000,7000N,對應(yīng)的樁-土摩擦為10.98,18.30,25.62kPa.選取距樁中心D=0.5m處為位移監(jiān)測點(diǎn),計(jì)算結(jié)果如圖6和7所示.從圖6中土體水平位移隨深度的變化趨勢可以看出,兩種數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果較一致.但在地表處,位移貫入法的計(jì)算的土體水平位移較大.這是由于沉樁是一個動態(tài)過程,摩擦效應(yīng)對土體的拖拽作用對土體的水平位移有一定的影響.而基于位移貫入法模擬摩擦效應(yīng)在樁體以固定速度向下運(yùn)動時,為阻止圓孔縮徑而約束了徑向位移,這就消除了摩擦效應(yīng)對土體水平作用的影響.這也是圖5中的考慮摩擦效應(yīng)對土體水平位移基本無影響的原因.圖7所示為兩種數(shù)值方法下土體垂直位移與深度的關(guān)系,兩種數(shù)值模擬方法的計(jì)算數(shù)值與變化趨勢均較為接近,其中節(jié)點(diǎn)力為3000N的曲線與位移貫入法曲線最為接近.在深度6～16m的土體范圍內(nèi),兩種方法的計(jì)算所得數(shù)值差距較大,其中位移貫入法的計(jì)算值較大.這是因?yàn)殡S著深度的增大導(dǎo)致地應(yīng)力增大,沉樁產(chǎn)生的摩擦也隨之增大,而施加節(jié)點(diǎn)力法忽略了樁-土間摩擦隨土體深度的變化.2移貫入法相結(jié)合靜壓樁雙樁沉樁過程中,已打入樁能夠在一定程度上遮攔打入樁產(chǎn)生的土體位移.采用前文所述的圓孔擴(kuò)張理論與位移貫入法相結(jié)合的數(shù)值模擬方法計(jì)算并分析已打入樁對土體位移的遮攔作用.已打入樁與待打入樁的幾何關(guān)系如圖8所示.兩樁相距2m,樁徑φ=400mm,即半徑R=200mm.R0=116mm,Ru=232mm,樁長L=20m.本工作將A(距離沉樁中心處1.5m),B(距離沉樁中心處2.5m)兩點(diǎn)作為位移監(jiān)測點(diǎn).2.1遮攔效應(yīng)對樁體水平位移的影響圖9和10依次為D=1.5m(A點(diǎn))和D=2.5m(B點(diǎn))處有無遮攔效應(yīng)土體水平位移的對比.由圖可見,無遮攔效應(yīng)的土體水平位移變化趨勢為:小于6m深度范圍內(nèi)的土體水平位移基本按照同一斜率增大;在大于6m的深度范圍內(nèi),土體水平位移較一致,并隨深度增加而緩慢增大,是主要的變形區(qū)域,峰值出現(xiàn)在深度18m處而后逐漸歸零.遮攔效應(yīng)下土體水平位移的變化趨勢為:土體水平位移沿著深度方向幾乎按照同一斜率增大,且土體水平位移較無遮攔效應(yīng)小.這是因?yàn)橐汛蛉霕兜拇嬖诟淖兞送馏w的水平位移趨勢:已打入樁的剛度遠(yuǎn)大于土體,故不規(guī)則的土體水平位移被其約束并趨于隨深度線性變化.遮攔效應(yīng)對土體水平位移的影響明顯,無遮攔效應(yīng)的土體水平位移均比存在遮攔效應(yīng)的大.A點(diǎn)處土體水平位移差值為2.32～6.07mm,占無遮攔效應(yīng)下土體位移的12.62%～44.76%.B點(diǎn)處土體水平位移差值為1.68～5.90mm,占無遮攔效應(yīng)下土體位移的15.63%～81.52%.A,B兩點(diǎn)土體水平位移差值百分比如圖11所示.可以看出,樁后(B點(diǎn))對土體水平位移的遮攔效應(yīng)更為明顯,且隨著深度的增大,遮攔效應(yīng)逐漸減弱.圖12為已打入樁的水平位移,可以得出如下結(jié)論:樁體的水平位移與深度的關(guān)系接近線性關(guān)系.樁頂水平位移為1.71mm,樁底水平位移為11.50mm.樁身產(chǎn)生了一定的傾斜,傾角為1′41″,這與圖9和10中遮攔效應(yīng)下土體水平位移曲線的傾角基本一致.2.2遮攔效應(yīng)與樁前和后的土體位移已打入樁不僅對土體的水平位移起到一定的遮攔作用,對土體的垂直位移亦有影響.因此對土體垂直位移的遮攔作用的研究也有利于解釋土體水平位移的變化趨勢.A,B兩位移觀測點(diǎn)在有無遮攔效應(yīng)的情況下,土體垂直位移與深度的關(guān)系對比見圖13和14.由上述兩圖可以看出,沉樁上部土體垂直位移較大,沉樁下部土體垂直位移較小,距地表下1/8～1/4樁長處土體垂直位移最大,這與文獻(xiàn)的表述基本一致.遮攔效應(yīng)對樁前(A點(diǎn))和樁后(B點(diǎn))的土體垂直位移均有影響:對于樁前位移觀測點(diǎn)A,由于已打入樁體的剛度遠(yuǎn)大于土體剛度,因此沉樁擴(kuò)孔而受到水平擠壓的樁前土體在已打入樁的阻隔下沿著樁身向上隆起.對于樁后位移觀測點(diǎn)B,由于已打入樁化解了一定的土體水平位移且受樁前土體摩擦產(chǎn)生一定上浮,故其土體水平位移與垂直位移變小.這也是遮攔效應(yīng)的實(shí)質(zhì),即已打入樁的存在改變了土體位移的分布模式,最終達(dá)到減小水平位移的目的.圖15為A,B兩點(diǎn)土體垂直位移差值百分比.可以看出,與土體水平位移的遮攔效應(yīng)相似,土體上部的遮攔效應(yīng)較為明顯；隨著深度的增大,遮攔效應(yīng)逐漸減弱.A點(diǎn)處土體垂直位移差值為0.06～4.54mm,占無遮攔效應(yīng)下土體位移的8.69%～51.88%;B點(diǎn)處土體水平位移差值為0.09～4.12mm,占無遮攔效應(yīng)下土體位移的32.14%～60.45%.3不同樁型樁體水平位移變化本工作采用三維有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模型,對比圓孔擴(kuò)張理論的解析解與數(shù)值解,并在此基礎(chǔ)上建立樁實(shí)體單元基于位移貫入法模擬樁-土間摩擦作用.為評估位移貫入法模擬摩擦作用的效果,采用中施加節(jié)點(diǎn)力模擬摩擦效應(yīng)的方法進(jìn)行了相應(yīng)的模擬計(jì)算,二者的計(jì)算結(jié)果較吻合,驗(yàn)證了圓孔擴(kuò)張理論結(jié)合位移貫入法模擬沉樁的合理性.基于此方法針對靜壓樁單樁、雙樁的沉樁過程進(jìn)行計(jì)算分析,并對已打入樁體在沉樁過程中對土體位移的影響進(jìn)行深入研究,得到如下結(jié)論:(1)模擬樁-土間摩擦效的兩種方法中,位移貫入法計(jì)算所得的土體水平位移在地表處較大.這是由于沉樁是一個動態(tài)過程,摩擦效應(yīng)對土體的拖拽作用對土體的水平位移有一定的影響.而基于位移貫入法模擬摩擦效應(yīng)在樁體以固定速度向下運(yùn)動時,為阻止圓孔縮徑而約束了徑向位移,這就消除了摩擦效應(yīng)對土體水平作用的影響.(2)單樁沉樁土體的水平位移變化趨勢為:小于6m深度范圍內(nèi)的土體水平位移基本按照同一斜率增大.在大于6m的深度范圍內(nèi),土體水平位移較一致,且較小于6m深度范圍內(nèi)的大,是主要的變形區(qū)域.土體的垂直位移變化趨勢為:上部土體沉降較大,下部土體沉降較小,距地表下1/8～1/4樁長處沉降最大.(3)在雙樁沉樁過程中,已打入樁頂水平位移為1.71mm,樁底水平位移為11.50mm.樁身產(chǎn)生了一定的傾斜,傾角為1′41″.樁體的水