海相软土场地桩基倾斜机制分析_朱进军.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY Jiangsu Province “The Six Talents Peak“ Funded Project2014-JZ-016; Science and Technology Project of Jiangsu Construction Systems2015ZD37 第一作者简介 朱进军1981， 男， 江苏连云港人， 硕士， 高级工程师， 从事岩土工程方面的教学及科研工作. E-mail 664649736 通讯作者邵勇1982，男，博士，讲师，从事岩土工程方面的教学及科研工作. Emailsilinfe 引用格式 朱进军，邵勇，葛阳成. 海相软土场地桩基倾斜机制分析[J]. 煤田地质与勘探，2017，451100-104. ZHU Jinjun, SHAO Yong, GE Yangcheng. Tilt mechanism of piles in marine soft soil site[J]. Coal Geology 2. Center of Construction Plan Review of Lianyungang City, Lianyungang 222006, China Abstract In order to study tilt mechanism of piles and its influencing factors on soft soil site, the investigation and the analysis were made fortilt accidents of piles in Lianyungang, and then the numerical model of pile was estab- lished. The affecting factors such as excavation and construction loads were analyzed. The results showthat such accidents of inclined pile occurred often and their offsets often exceeded the specifications in Lianyungang marine soft soil areas. The numerical calculation results and measured results achieved relatively good consistency, the impact of earth excavation on the offset of piles show parabolic shape, and the nearer the pit, the greater the impact. The loads impact on the offset of pile was bigger than the earth excavation, when closer to load, the smaller pile length show bigger offset of pile, in advance to prevent pile tilt, the attention should be paid enough attention to soas to prevent accidents of tilt piles. Keywords pile foundation engineering; inclined pile; inclination mechanism; influential factor; numerical simulation 施工过程中由于土方开挖，地面堆载等原因桩 基倾斜事故时有发生[1-5]，国内外已有学者对倾斜桩 展开了研究，并取得了一定的成果。胡文红等[6]结 合现场试验和数值模拟研究桩侧土体加固对桩基承 载力的影响，得到了加固范围对加固效果的影响。 朱奎等[7]介绍了顶推结合注浆加固法处理倾斜桩， 对此法的施工工艺及操作方法进行了详细说明，并 在工程实践中对顶推法纠偏技术进行了检测。 Nikos N Gerolymos 等[8-9]、H Mroueh 等[9]采用数值模拟手 段对倾斜群桩在地震荷载下的工作性状进行了研 究。梁发云等[10]采用模型试验研究了土体侧移对单 桩及双排桩工作性状的影响。高笑娟等[11]通过模型 试验研究了水平周期荷载下桩基的受力性状。 目前已有成果大多面向倾斜桩的处理与利用， 而对桩基倾斜机制的研究较少，这不利于指导桩基 的施工。而对桩基倾斜机制的研究可以提供预防措 ChaoXing 第 1 期 朱进军等 海相软土场地桩基倾斜机制分析 101 施，以此减少桩基倾斜事故的发生，为桩基的应用 创造更为有利的条件。 本文以海相软土中的桩基为例，对连云港地区 的桩基倾斜事故做调查分析，进而采用数值模拟手 段分析了土方开挖、施工荷载等因素对桩基倾斜的 影响，总结了桩基的倾斜机制以及应对措施。 1 桩基倾斜机制调查分析 连云港软土为典型的海相沉积软土，具有压缩 性大、孔隙大、含水率高及承载力低等特点，其工 程地质条件较差，软土场地中大部分的建筑均采用 桩基础，因此，在城市建设中管桩、预应力管桩及 灌注桩被广泛采用。每年约 800 万 m 桩基在该地区 施工，而发生倾斜事故的桩基约占 3，造成了极大 的经济损失。因此分析桩基倾斜的机理，为预防桩 基倾斜事故提供理论支持极具现实意义。 经过连云港地区施工现场的调查分析，发现在 导致桩基倾斜的因素中， 土方开挖是重要原因之一。 由于上部土方开挖地面产生高差，从而导致桩基周 围土压力失衡，即产生压力差致使桩基倾斜。另外 加上海相软土中的桩基侧向刚度较小，往往使得桩 基倾斜程度较大而必须处理。图 1 即为现场照片， 该工程由于基坑开挖出现了数十根倾斜桩基，由于 桩基受到不平衡水平推力向坑内倾斜。 图 1 开挖导致的桩基倾斜 Fig.1 Pile tilt due to excavation 除了土方开挖之外，现场的施工机械产生的附 加荷载也可以导致桩基倾斜。虽然施工荷载为垂直 向作用力，但是可以产生水平向挤土效应致使桩基 倾斜。另外群桩施工也可致桩基倾斜，这是由于群 桩施工产生了挤土效应，相当于在桩基上部施加了 水平向推力。图 2 为桩基倾斜图片，此处不涉及到 土方开挖，调查认为是施工原因所致。 表 1 为连云港地区桩基施工现场观测结果，观 测时选择不同桩长及不同距离进行了测量，结果显 示由于施工荷载的影响， 桩体均发生了一定的偏移， 说明施工荷载导致了桩体的倾斜。 图 2 施工荷载导致的桩基倾斜 Fig.2 Pile tilt due to construction load 表 1 桩顶偏移量 Table 1 Pile displacement mm 桩机与桩顶距离/m桩长14 m 桩长18 m 桩长21 m 1.5 175 132 130 3.0 155 124 121 5.0 127 108 107 6.0 112 97 89 9.0 86 73 62 综上所述，桩基倾斜事故的物质条件是工程性 质较差的海相软土，而其根本的原因就是桩侧产生 不平衡水平推力所致。土方开挖及施工荷载均可产 生水平向推力，因此本文着重分析这两种因素对桩 基倾斜的影响。 选取连云港地区海相软土工程为例， 土体物理力学参数见表 2。该工程海相软土厚度达 10 m，采用桩基础。 表 2 岩土体物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of soil and rock 名称 厚度/ m 容重/ kNm-3 变形模量/ MPa 黏聚力/ kPa 摩擦角/ 黏土 1 17.7 2.88 12 8 淤泥 10 16.9 1.41 9 4 粉质黏土 8 18.7 6.17 13 10 黏土 11 19.2 7.50 18 11 全风化片麻岩2 22.4 450 41 21 强风化 23.5 330 53 24 本文主要是采用数值模拟手段对土方开挖中的 开挖深度、桩基施工中的施工荷载与桩顶的距离等 因素进行分析。数值模拟几何模型见图 3。 2 桩基倾斜机制分析 数值模拟采用有限差分软件 FLAC3D， 模型尺寸 如图 3 所示，桩基采用实体单元模拟图 4，桩土之 间考虑接触面，计算时岩土体本构为摩尔-库伦模 ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 45 卷 型，物理力学参数采用表 1 中数据。桩基弹性模量 为 29 GPa，泊松比为 0.25，直径为 500 mm。 图 3 几何模型示意图 Fig.3 Schematic diagram of geometric model 图 4 数值模型网格 Fig.4 Gride of numerical model 数值模拟边界条件为在模型底部施加全约束， 即约束其水平与竖直向变形，模型四周约束其水平 向变形，模型顶部无约束。 在模拟土方开挖的影响时，考虑 5 种工况，分 别为开挖深度 0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m， 为无支护开挖，开挖坡度取 10.33，桩长取 18 m。 模拟施工荷载时考虑荷载与顶的水平距离以及桩体 长度两种因素， 桩长分 5 种工况即 12 m、 14 m、 16 m、 18 m、 21 m， 荷载与桩顶距离分 4 种工况及 1 m、 3 m、 5 m、7 m。荷载取桩机自重为 20 t。 2.1 土方开挖的影响 图 5 为土方开挖深度 0.5～2.5 m 时的桩顶位移， 坑边与桩顶距离 1 m、3 m、5 m、7 m 对应于图 3 中桩 A、B、C、D。可以看出随着开挖深度的加大， 桩顶偏移逐渐增大。另外随着桩顶与坑边距离的增 大，桩顶位移逐渐减小，其中开挖深度为 2.5 m，坑 边与桩顶距离为 1 m 时，桩顶偏移量达 146 mm，超 过了规范规定的偏移值[10]，说明土方开挖导致的桩 体倾斜是不容忽视的，这与现场调查结果一致。 图 5 开挖深度与桩顶位移的关系曲线 Fig.5 Excavation depth versus displacement of pile 计算结果曲线线型明显呈抛物线状，对桩 A 即 距离坑边为 1 m 的桩体计算结果进行曲线拟合得到 公式 y18.93x29.1655x，其中 x 为土方开挖深度，y 为桩顶偏移量，其拟合相关性系数为 0.997 4，说明 拟合精度较高，此公式可以为现场桩顶偏移的预判 提供依据。 对图 5 中 4 条曲线进行了线性拟合，得到各曲 线的斜率，利用曲线斜率分析桩顶偏移对开挖深度 的敏感性，斜率越大越敏感，结果见图 6。可以看 出对于开挖深度的敏感性来说，距离坑边越近越敏 感，距离坑边越远敏感性越小。因此在施工时应严 格控制距离坑边较近的桩体。 图 6 位移曲线斜率与距离的关系 Fig.6 Relationship between displacement slope curve and distance 2.2 施工荷载的影响 图 7 为施工荷载对桩顶偏移的影响曲线，可以 看出， 桩体长度和荷载距离都对桩顶偏移存在影响， ChaoXing 第 1 期 朱进军等 海相软土场地桩基倾斜机制分析 103 其中桩体越长桩顶偏移越小，这是由于桩体越长其 锚固深度越大所致。 随着荷载与桩顶距离的增大， 桩 顶偏移随之减小。从桩顶偏移量来看，桩长从 14 m 至 21 m，距离荷载为 5 m 时其值均超过了 100 mm， 均属于须处理的范围。 图 7 荷载与桩顶偏移的关系曲线 Fig.7 Load versus displacement of piles 对计算结果曲线进行曲线拟合时发现其满足幂 函数关系，其中对距离荷载 1 m 的桩体计算结果进行 曲线拟合得到公式 y1394.2x-0.756，其中 x 为桩长，y 为桩顶偏移量， 拟合相关性系数为 0.937 8， 精度较高。 对图 7 中四条曲线进行了线性拟合，得到各曲 线的斜率，利用曲线斜率分析桩顶偏移对桩体长度 的敏感性，斜率越大越敏感，结果见图 8。可以看 出对于桩长的敏感性来说，距离荷载越近越敏感， 距离荷载越远敏感性越小。因此在施工时应实时监 测距离荷载较近的桩体，以便采取补救措施。 图 8 位移曲线斜率与距离的关系 Fig.8 Relationship between displacement slope curve and distance 为了验证数值模拟的可靠性，对比数值模拟数据 与现场实测数据，结果见图 9，可以看出，数值模拟 结果与现场实测数据基本一致，其中计算结果略大。 说明数值模拟结果是可靠的， 可以用于指导现场施工。 图 9 实测数据与模拟数据对比 Fig.9 Comparison of experimental data and simulation data 2.3 讨论与建议 从现场调查与数值模拟的结果来看， 由于海相软 土的特殊性， 在这种地区进行桩基施工时， 桩体偏移 是一种常见和必然现象。 但是可以通过一些措施把桩 体的偏移量控制在规范范围内， 如在土方开始时严格 控制开挖坡度， 减少坡体的滑移量。 在打桩施工时在 桩机底部铺垫层，减小桩机荷载对土体的扰动。 图 10 即为调整开挖坡度前后桩顶位移对比曲 线，桩顶距坑边距离为 1 m，图 11 为在施工机械底 图 10 不同开挖坡度对比 Fig.10 Comparison of different excavation slope 图 11 有无垫层对比 Fig.11 Comparison of case with cushion and witout cushion ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 45 卷 部设置钢板垫层前后桩顶位移对比图，桩顶与荷载 距离为 1 m。从图中可以看出，经过处理后桩顶位 移明显减少，其中开挖坡度减小至 11 时桩顶位移 平均减少约 35，在施工机械设置垫层后桩顶位移 平均减少约 23。 3 结 论 a. 通过现场调查及数据测量，认为土方开挖及 桩机荷载对桩体存在影响，且数据显示桩顶偏移量 常常超出规范允许范围。 b. 土方开挖对桩体偏移量的影响随着开挖深 度的增加而增大， 且离坑边距离越近其偏移量越大。 减小开挖坡度能够有效的控制桩体位移量。 c. 施工机械荷载对桩体偏移量的影响较大，文 中计算结果显示其偏移值要大于土方开挖的影响。 在施工机械底部设置垫层后桩顶位移量明显减少。 另外采用小型施工机械或临近桩周人工开挖也可显 著减少桩基位移。 d. 减少桩周土体高差的方法可以显著减少偏 移现象，在施工过程中，可以通过桩周土体均匀开 挖的方式实现。 参考文献 [1] 陈永刚， 杨忠， 陈鸿斌. 18 层住宅基础预制桩基偏位分析与处 理[J]. 建筑技术，2007，389656-658. 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