馬飛躍 余金煌 鄭宗文（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蚌埠 233000）

管樁擠壓對周邊環(huán)境影響的研究

馬飛躍 余金煌 鄭宗文
（安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蚌埠 233000）

本文采用某工程管樁施工為研究背景，采用理論解和有限元相結(jié)合的方法，重點(diǎn)研究管樁擠壓對周邊環(huán)境的影響。本文采用多種方法相結(jié)合的方式，綜合判斷，推導(dǎo)可行性公式，也為以后其他類似工程的施工提供參考。

管樁擠壓 徑向位移 理論公式 有限元 擬合曲線

目前深基礎(chǔ)工程越來越多，然而管樁擠壓對土體擾動(dòng)的研究較少，由此可能導(dǎo)致工程事故的發(fā)生，無論水利工程還是建筑工程，很多事故往往是沉樁的擠土效應(yīng)影響導(dǎo)致的。目前主要的分析方法有極限承載力理論、圓孔擴(kuò)張理論、應(yīng)變路徑法以及有限元分析方法，但理論研究相對較少，尤其是管樁擠壓對周邊環(huán)境徑向位移的影響研究。

1 小孔擴(kuò)張理論解析

1.1 單樁計(jì)算公式

解基于小孔擴(kuò)張理論，假定無限土體內(nèi)某點(diǎn)有初始小孔半徑為Ri的球形均布壓力（如圖1），當(dāng)此壓力逐漸增加時(shí)，圍繞著球形小孔的球形區(qū)將由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)，當(dāng)壓力p繼續(xù)增加時(shí)，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，直到內(nèi)壓力p增大到極限壓力pu，塑性區(qū)和彈性區(qū)交界處的半徑為Rp，塑性區(qū)為Ru≤R≤Rp，彈性區(qū)為Rp≤R≤∞。

土體的基本假設(shè)：土體是均勻的各向同性的無限體；土體屈服條件服從摩爾—庫倫準(zhǔn)則；土體軟化服從線性軟化模型；小孔擴(kuò)張前，土體各向的有效應(yīng)力均等。

只考慮管樁擠壓對周邊環(huán)境的影響，不考慮管樁塑性區(qū)域，只計(jì)算彈性區(qū)的應(yīng)力和位移。

徑向位移和徑向應(yīng)力的表達(dá)式：

將式（4）代入式（1）求得uR。

1.2 疊加計(jì)算方法

施工中有多根管樁分布在不同位置，而每根管樁均對樁外一點(diǎn)產(chǎn)生大小不等的位移，此次針對群樁位移進(jìn)行計(jì)算。

由式（1）可求得單樁對樁外一點(diǎn)的徑向位移，分別取最東邊管樁為計(jì)算0點(diǎn)，距0點(diǎn)向東5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m處點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn)，計(jì)算多根管樁擠壓效應(yīng)使計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生位移量并進(jìn)行疊加，求得最終位移量。

由于小孔擴(kuò)張理論假設(shè)土體是均勻同性的，選擇具有代表性的粘土層參數(shù)來計(jì)算。通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值畫曲線圖如圖2，隨著距離樁心距離的增大，位移量逐漸減小，直至無限接近0。變化趨勢是先快后緩，較為符合實(shí)際情況。

2 有限元分析介紹和數(shù)值模擬

圖1 靜壓管樁擠土效應(yīng)分析計(jì)算模型圖

圖2 單樁理論計(jì)算值曲線圖

有限元模型采用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬單樁擴(kuò)張對地表的影響，模型為圓柱體，半徑40m，高51m，約1萬單元，如圖3。在數(shù)值計(jì)算中，假設(shè)壓樁前土體存在一個(gè)半徑為R0的初始擴(kuò)張半徑。設(shè)初始半徑為：R0=R/=500/=144.34mm，擴(kuò)張力pu=cu+2culn=170kPa，計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖3 單樁有限元分析模型圖

圖4 單樁有限元分析曲線圖

圖5 有限元解和擬合值曲線對比圖

圖7 管樁擠土效應(yīng)位移成果圖對比

圖6 管樁布置及計(jì)算點(diǎn)位圖

如圖5，計(jì)算結(jié)果與理論界解相似，符合實(shí)際情況，但根據(jù)Midas GTS有限元軟件計(jì)算出距離樁心不同距離的地表徑向位移只有單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)徑向位移，對于實(shí)際群樁計(jì)算不方便，為了更好地計(jì)算，需要運(yùn)用Origin繪圖軟件擬合曲線，利用公式 y=y0+A1e-（x-x0）/t1（多種函數(shù)擬合對比中，ExpAssoc函數(shù)更加吻合）進(jìn)行擬合，解得y0=0.13，x0=5，A1=7.6057，t1=6.06669進(jìn)行計(jì)算。

3 群樁位移量計(jì)算對比

計(jì)算中考慮群樁擠土效應(yīng)時(shí)，因一般樁直徑的20倍范圍外即10m（該工程樁直徑為500mm）可不考慮群樁效應(yīng)。因此計(jì)算中選取靠近基坑邊緣10m范圍的管樁進(jìn)行疊加計(jì)算。以最東邊的管樁外徑為計(jì)算零點(diǎn)，每隔5m對徑外地表某點(diǎn)的位移變形量進(jìn)行疊加，如圖6所示。

目前無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范規(guī)定土體內(nèi)部位移允許值。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）規(guī)定：在群樁水平位移計(jì)算過程中，樁頂水平位移允許值在對水平位移敏感的結(jié)構(gòu)物時(shí)取允許值為6mm。相對于樁基工程而言，其對水平位移的敏感性大于土體，因此取允許值6mm能更好地保證周邊建筑物的安全。根據(jù)理論計(jì)算值距離計(jì)算0點(diǎn)影響范圍為26.26m，另一個(gè)根據(jù)擬合曲線值影響范圍為24.56m。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算點(diǎn)距離樁心距離的增大，位移呈減小趨勢，理論解公式為，對有限元模擬數(shù)值的擬合公式為y=0.13+7.6057e-（x-5）/6.06669。

兩種方法對比（見圖7），取最大值最終確定的安全距離為26.26m，在此范圍內(nèi)重點(diǎn)監(jiān)控，采取一定的加固措施。

理論公式解相對簡單，但是對土體假設(shè)較為理想化，有限元解可以考慮多土層情況，此次計(jì)算只針對該工程的情況，如何在各種其他復(fù)雜工程情況通用，是以后研究的重點(diǎn)