软土地区桩基施工群孔效应作用机理研究

软土地区桩基施工群孔效应作用机理研究

吕晓光

安徽省城建设计研究总院股份有限公司安徽合肥230001

摘要：我国地大物博，幅员辽阔，地理环境非常复杂。软土地区地下水位高、土质软弱，土体受工程活动影响较大.一般相对于基坑开挖等大规模工程，灌注桩及CFG桩成孔引发的周边环境变形量较小，但如今工程用地紧张、变形控制严格，群桩施工引发的周边地层变形量也应加以重视，其在某些条件下甚至成为环境影响的主要因素.

关键词：软土地区；桩基施工群孔效应；作用机理研究

引言

经济的快速发展带动玩偶共各行业发展迅速。土体变形由空桩孔孔壁内缩引起，并在竖向和水平向应力拱的作用下达到稳定状态。单孔孔壁变形最大值和最大值位置主要受孔深影响。多孔共存孔心距较小时，周边土体水平和竖向应力拱相互影响削弱导致每个空孔的内缩变形均大于单孔时的变形值，这是群孔效应引发周边土体变形严重的主要原因。

1有限元模型介绍

模拟利用岩土有限元软件Plaxis3D，土体本构选用修正剑桥模型，不排水A类，饱和重度?sat取17.5kN/m3.根据文献为0.25，为0.05，M为0.65，泊松比v取0.3，水位位于地表.为了更加接近实际工程，选用弱超固结土，取初始孔隙比e0为2.62，在地表均布施加200kPa荷载，忽略土体不排水行为使其在超载下充分固结，加载结束后撤除200kPa荷载，在土体自重应力下重新固结，模型边界水平方向为40m×40m，深度取2倍孔深16m，以减小模型边界的影响.孔径采用0.8m，孔深8m，孔间距为4倍孔径3.2m.模型计算步骤均为建立模型初始条件和不排水条件下桩孔开挖两步.

2空桩孔影响机理分析

（1）单孔孔壁变形机理分析对角线纵剖面，提取剖面上空桩孔附近区域的位移矢量。单孔孔壁失去支撑内缩，孔周边土体应力释放，总体上呈现向孔内方向位移。最大位移位于孔边缘，且距地表一定距离的地层深处。提取孔壁单元节点沿孔径方向的位移（以向孔内方向位移为负），并采用函数曲线拟合。孔壁沿孔径位移最大值出现在距地表一定距离处，最大位移位置与地表的距离约为0.8倍孔深，即6.4ｍ。取对角线竖向剖面和-6.4ｍ水平剖面。可以看出，孔周边土体主应力方向发生了偏转，在竖向和水平向均形成了明显的土拱。孔周土体在水平和竖向两个应力拱的共同作用下达到稳定状态，应力拱起到了抑制和减小孔壁内缩变形的作用。（2）单孔孔壁变形影响因素分析本节从孔径、孔深、土体强度３方面分析单孔孔壁变形的变化规律。模型边界随孔深增大而增大。计单独变化孔径、孔深、土体强度。孔径增大，孔深增大，土体强度减小，孔壁沿孔径方向变形均增大，土体强度变化影响最大。最大位移位置距地表距离占孔深比例变化不大，始终位于地表以下0.75至0.8倍孔深的位置处。孔壁位移越大，土体水平应力释放越大。当CFG桩空桩孔无法及时回填时，其深度不宜过大。当单孔单独存在时（孔径不超过0.6ｍ），要特别注意孔壁附近地表以下0.75至0.8倍的孔深位置附近地下设施的保护。(3)双孔的相互影响机理分析两孔共存，引发孔周土体应力释放等相互作用、叠加放大，影响更严重。同单孔，最大位移位置位于孔壁附近，且距地表一定距离的地层深处。将土体总位移分解为竖向沉降和水平方向变形分析。两孔共存引发的周边地层沉降分布在孔底标高水平面以上，靠近孔壁位置沉降最大，最大沉降位置位于孔壁处，且距地表一定深度地层深处。孔底以下地层，孔底附近区域呈现隆起。两孔共存引发的周边地层水平变形，以两孔之间的提取单孔和两孔共存孔壁水平变形曲线。可见，两孔共存孔壁变形增大，其中内侧孔壁水平变形较外侧孔壁小。以模型为基准，单独改变孔心距大小，得到孔心距为2倍、4倍、6倍，7倍孔径时，外侧孔壁水平位移曲线的变化与单孔孔壁的关系。孔心距越大，孔之间的相互影响越小，孔壁变形最大值越小，最终趋于和单孔单独存在时孔壁变形一致。

3桥梁桩基加固措施

路基采用水泥土搅拌桩加固处理措施，由于水泥土搅拌桩“悬浮”在上部淤泥层中，没有穿透上层淤泥层。在路堤填方荷载作用下，加固区将上部荷载大部下传至水泥土搅拌桩下部和下层淤泥层，使之产生较大沉降和水平位移，导致桥梁桩基相应部位受到较大水平推力和负摩擦作用。对于拟建路基而言，建议将原7m长水泥搅拌桩加长至12m，以穿透淤泥层，可将路堤荷载大部传至深部承载特性较好的持力层，减小淤泥层的压缩变形和水平位移，进而减小对桩基础的不利作用。在此基础上，对桥梁基础拟定了3种加固方案:①增设斜桩;②增加横向桩排数;③设置群桩基础保护帷幕桩墙、高压旋喷桩维护墙。通过数值模拟计算发现，3种加固措施均能保证桥梁结构安全，基础承载能力满足要求。由于对原桥梁基础增设斜桩及横向桩施工难度较大，对城际铁路也存在安全影响，因此，推荐在路基靠近桥梁侧设置保护帷幕桩墙、高压旋喷桩维护墙等加固措施，以最大限度地减小路基偏载对桥梁结构安全的影响。

4群孔效应随孔数变化规律

中心孔和最外侧孔的变形随孔数的增加，为孔数变化时的孔壁变形，从图中可以看出中心孔变形随孔数增加而增大，且随着孔数的增多，中心孔变形增长的幅度逐渐减缓，最终趋于稳定，孔数大于7时，孔壁变形几乎不再变化.由此说明，在孔数较少时，中心孔的应力拱受到邻近孔的削弱作用较大，当孔数增多时，一方面其应力拱效应本身已较小，另一方面，新成孔距离相对较远，因此削弱作用不再显著.而对于最外侧孔，由于其周边孔仅在一侧增加，变形则仅单孔时较小，孔数大于3个，变形就不再显著增加，但其变形远小于中心孔，说明邻近孔仅在一侧的削弱作用远小于邻近孔在两侧的削弱作用.而中间排边孔x方向变形随排数增加显著增大，当成孔排数达到9排时，其变形与中心孔接近.但随着排数的增多，中间排边孔y方向孔壁变形变化并不明显，其值相比中心孔y方向较小.这进一步验证了第3.2节中5孔模型的规律，即当中间排边孔左侧存在空孔时，其上下两侧的应力拱受到削弱，中心孔上侧孔壁变形由于应力拱的削弱作用，后续8排孔的形成对其变形影响较小；而对于中间排边孔右侧孔壁变形，由于中间排边孔右侧应力拱尚未被完全削弱，后续8排孔的形成对中间排边孔应力拱有削弱作用，对其右侧孔壁变形影响较大

结语

群孔效应是拱的削弱效应和卸荷效应共同作用的结果，因此研究群孔效应对周边环境的影响时应同时考虑这几种效果.考虑单排孔随孔数增加和多排孔随排数增加孔壁变形规律时，应综合考虑这两种效应.通过分析空孔孔壁的增减变化规律以及变化幅度，可以研究并预测多孔共存时空孔孔壁在不同位置处的变形规律.

参考文献

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