软土地基中打桩挤土效应影响分析【摘要】：饱和软粘土地区进行预制桩沉桩施工时，因挤土效应在桩周土体内部产生了较大的超静孔压，超静孔压的消散引起桩周土体大面积沉降，同时桩土之间存在较大的沉降差，沉降差将导致基桩承受负摩阻力的作用。

上述因素都会直接影响到建构筑物的正常使用。

通过研究群桩沉桩施工对桩周土体的扰动以及超静孔压的变化，分析了桩土沉降规律及其对单桩承载力的影响，同时对建构筑物正常使用阶段的变形情况进行了预测分析。

【关键词】：球形空穴扩张；挤土效应；负摩阻力；承载力；沉降1. 前言软土地区饱和软粘土具有含水量高、渗透性弱、抗剪强度低以及结构性强的特点。

在该地区进行预制桩沉桩施工时，因挤土效应在桩周土体内部产生了较大的超静孔压，导致桩周围土体产生较大的侧向位移和竖向隆起，同时桩周围土体受施工影响受到一定程度的扰动，导致基桩承载力降低。

随着超静孔压的逐步消散，场地地基将出现大面积沉陷情况，同时对工程桩施加负摩阻力的作用，导致桩基承载力下降，影响整个工程的正常使用。

打入桩引起的环境问题已经得到广泛关注，大约从七十年代开始，人们开始采用数值分析和理论研究的方法来研究压桩问题，主要的分析方法有圆孔扩张法、应力路径法、有限单元法等。

阳军生、刘宝琛（1999）[1]视沉桩挤土引起的地表位移符合随机过程，应用随机介质理论，提出了预计打桩引起的地表位移与变形的计算公式和计算程序。

姜朋明、尹蓉蓉、胡中雄（2000）[2]以小孔扩张挤土理论为出发点，将打桩问题简化为半无限体中的孔洞问题，利用边界单元法，对群桩施工过程中引起土体位移进行计算。

罗嗣海、侯龙清、胡中雄（2002）[3]推导了具有一定初始半径的圆柱形孔扩张的弹塑性解，研究了预钻孔取土打桩时预钻孔孔径大小对挤土效应的影响。

杨生彬, 李友东（2006）[4]通过对PHC 管桩打桩前后原位地基土变化情况的测试、打桩的监测以及孔隙水压力增长与消散的监测等试验研究，分析了PHC管桩沉桩挤土效应。

在粘性土中，沉桩后由于土体的再固结，当桩尖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，G. G. Meyerhof认为负摩阻力对于摩擦桩一般是无关紧要的，但对端承桩，可能会有很大影响。

文章结合某大型堆煤场工程实例，研究群桩沉桩施工对桩周土体的扰动以及超静孔压的变化情况，分析桩土沉降规律及其对单桩承载力的影响，同时对建构筑物正常使用阶段进行预测分析。

2. 工程概况某堆煤场场地为深厚软粘土地基，具有孔隙比大、渗透性低、压缩性高、地基承载力低的特性（场地土层物理力学参数如表1所示）。

渗透系数为10-6~10-7 cm/s。

煤场为长条形建筑物，长114m、宽33m，基础形式为筏板基础，筏板厚1.0m，设计堆煤高度10m（即100kPa）。

采用Φ550预应力混凝土管桩进行地基处理，桩长40m~43m，桩间距2.0*2.6m，置换率为5.9%，单桩承载力设计值为1200kN。

由于工期紧，20天內将779根桩静压施工完毕。

在打桩完成后3年时间内（尚未使用），地基出现大面积沉降，同时基础底板与地基土存在脱离现象，实测底板最大沉降为208mm，土层表面最大沉降约为300mm，吊车梁的水平位移最大值为118mm。

3. 原因分析沉桩完成后43天对基桩进行了桩身质量低应变检测，检测结果表明，绝大部分基桩桩身质量完好，未发现断桩情况（仅有少量基桩为Ⅲ类桩，所占比例为2.59%），说明沉桩挤土未对桩身质量产生明显影响。

在发生大面积沉降后，又凿开基础底板对307#、364#、340#三根桩进行了低应变检测，检测结果表明这三根桩桩身质量完好，对应桩顶沉降分别为98mm、154mm、180mm。

目前尚未堆煤，基础只承受底板自重的作用（单桩荷载为仅为130kN<<设计值1200kN），若无其它外力作用，桩顶沉降不至于如此之大。

从凿开底板实测的桩土沉降情况看，桩土沉降差在100mm左右，因此比较可能的原因是由于土体沉降带动基桩与底板一起下沉。

4. 打桩引起的超静孔压分析打桩引起的桩身周围土体内各点的应力增量按文献[5]的球形空穴扩张方法求解，由这些应力增量可以求得三个主应力增量Δσ1(r，z)、Δσ2(r，z)和Δσ3(r，z)。

根据司开普顿原理，对饱和土，打桩结束后，土体内各点产生的超静孔隙水压力为[6]：式中：A为孔隙水压力系数。

软粘土孔隙水压力系数A取1.2，将图2、图3中的竖向与水平应力的增量代入算得超静孔隙水压力如图4所示。

根据太沙基固结理论，土体内任一时刻、任一点的超静孔隙水压力值，由下式确定：式中：，Cv为固结系数，k、e、av、γw分别为土体的渗透系数，孔隙比，压缩系数和水容重。

从图4中可以看出，打桩施工导致桩周土体产生很大的超静孔压，超静孔压随着离开桩边的距离增大而逐渐减小，当距桩边2m远时，打桩引起的超静孔压影响已经很小。

将单桩施工引起的超静孔压在整个场地内进行叠加以后即得到图5所示的群桩施工引起的超静孔压。

打桩施工完毕后，整个场地闲置3年（不堆载），场地土体内部超静孔压消散后的分析结果如图6所示。

考虑到打桩施工对土体的扰动，渗透系数取高值10-6 cm/s，3年后土体平均固结度为42.5%。

5. 沉降问题分析打桩施工完毕后，整个场地闲置3年（不堆载），由场地土体内部超静孔压消散固结引起的土体地表沉降以及基础底板沉降如图7所示。

从图7中可以看出，计算分析得到的土体最大沉降为350mm左右（平均沉降约为300mm），基础底板沉降约为190mm，最大沉降差为160mm，与实测结果较为接近，这说明超静孔压的分析较为准确。

6. 负摩阻力对单桩承载力的影响打桩会导致桩侧土体产生较大的超静孔压，当超静孔压消散后，土体沉降，桩土之间产生沉降差（现场实际情况也反映了这一点）。

桩土之间的沉降差会导致桩侧产生一定大小的负摩擦力，因此，在分析单桩承载力的时候需要考虑负摩擦力对桩基承载力的影响。

张金水（2005）[7]对海边淤泥质土中，桩长20m、边长400mm、间距1.5m的预制方桩进行了负摩阻力影响试验，实测得到的试桩（无负摩擦）单桩极限承载力为700kN，工程桩（有负摩擦）单桩极限承载力为558kN，负摩擦的影响使得桩承载力下降了142kN（下降20%）。

负摩阻力对基桩的影响机理较为复杂，需要采用有限元数值模拟的方法来分析。

单桩极限承载力及沉降分析模型（轴对称问题）如图8所示，土层参数按表1取。

土层3（淤泥质粘土）土层4（粘土）土层5（粘土）土层6（粘土）根据现场情况，桩土顶部沉降差约在100mm左右。

当桩土相对位移为100mm 左右时，桩侧负摩阻力分析结果如图9所示。

从图9中可以看出，受桩土沉降差的影响，桩身上部（27m以上）承受负摩擦的作用，且15m深度范围内的桩侧负摩阻力已经达到极限值。

桩侧负摩阻力对单桩承载力的影响分析结果如图10所示，每级荷载为240kN。

从图10中可以看出，不考虑负摩擦影响时单桩Q~S计算曲线的拐点在第十一级，单桩极限承载力约为2640kN，对应桩顶沉降60.55mm。

考虑负摩擦影响时单桩Q~S计算曲线的拐点在第八级，对应桩顶沉降47.38mm，单桩极限承载力约为1920kN，负摩擦的影响使得桩承载力下降了720kN（下降27%）。

7. 后期正常使用阶段沉降预测分析后期堆煤计算高度10m，堆煤后基础最终沉降分析结果如图11所示。

从图11中可以看出，堆煤10m高（对应均布荷载100kPa），底板最大沉降约为384mm，在现有的基础上增长了190mm左右。

不均匀沉降差为12mm/m，换算成倾角为0.7o。

吊车梁高按15m计算，则吊车梁的水平位移最大计算值为180mm，即吊车梁的最大水平位移还会增长80mm左右。

如果单桩荷载达到1200kN（对应均布荷载为(1200-130)/(2*2.6)=200kPa），底板总的最终沉降约为535mm，在现有的基础上增长了340mm左右。

不均匀沉降差为16.7mm/m，换算成倾角为0.95o。

吊车梁高按15m计算，则吊车梁的水平位移最大计算值为250mm，即吊车梁的最大水平位移还会增长150mm左右。

8. 结论（1）打桩施工导致桩周土体产生很大的超静孔压，超静孔压的消散将导致基础底部土体出现大面积沉降，带动基桩与基础底板一起下沉，同时出现桩土分离情况。

（2）根据现场情况，桩土顶部沉降差约在100mm左右，桩土之间的沉降差会导致桩身上部承受较大的负摩阻力作用。

根据有限元数值模拟分析结果，不考虑负摩擦影响时单桩极限承载力约为2640kN，考虑负摩擦影响时单桩极限承载力约为1920kN，负摩擦的影响使得桩承载力下降了720kN（下降27%）。

（3）当煤场堆煤使用时，一方面受原有超静孔压消散的影响，另一方面受荷载的作用，基础底板沉降继续增大，底板沉降差与立柱的倾斜情况也显著增加，将严重威胁建筑物的正常使用。

为了消除土体沉降对建筑物尤其是立柱和吊车梁的影响，最终采用了将立柱基础与堆煤区底板割开的处理方法，以减少立柱的倾斜，保证吊车梁的安全使用。

参考文献[1] 阳军生, 刘宝琛. 沉桩引起的邻近地表移动及变形[J]. 工程勘查. 1999, 3: 1~3.[2] 姜朋明, 尹蓉蓉, 胡中雄. 打桩引起土体位移的计算分析[J]. 华东船舶工业学院学报. 2000, 14(2): 19~22.[3] 罗嗣海, 侯龙清, 胡中雄. 预钻孔孔径对部分挤土桩挤土效应的影响研究[J]. 岩土力学. 2002, 23(2): 222~224.[4] 杨生彬, 李友东. PHC管桩挤土效应试验研究[J]. 岩土工程技术. 2006, 20(3): 117~120.[5] 李月健. 土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究[D]. 浙江大学博士学位论文. 2001.[6] 华南理工大学, 东南大学, 浙江大学, 湖南大学. 地基及基础[M]. 中国建筑工业出版社. 1991.[7] 张金水. 淤泥质土中打入桩负摩阻力影响分析[J]. 水利工程建设. 2005, 2: 51~53.。