维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年６月第６期 城市道桥与防洪 相关专业 １６５ 沉桩挤土效应分析及克服挤土效应的措施 ｉ广平 （上海市政工程设计研究总院，上海市２０００９２） 摘要：该文针对某水厂清水池扩建沉桩时，对相邻构筑物影响进行沉桩挤土效应的分析，提出克服挤土效应的措施，以确 保相邻构筑物的安全运行。 关键词：挤土效应；沉降预估；措施 中图分类号：ＴＵ３１１．２ 文献标识码：Ａ文章编号：１００９—７７１６（２００８）０６—０１６５－０４ １ 概述 １．１工程背景 本工程为我国东南部某城市的水厂扩建工 程。拟建清水池距已建清水池仅８米。二个清水池 平面尺寸均为８７．７ ｍ×５８ ｍ，结构形式为无梁楼 盖结构，柱距４ ｍ×４ ｍ，池深４．５ ｍ，埋深为３．０ ｍ。 已建清水池采用天然地基，拟建清水池经沉降计 算，其沉降量不能满足设计要求，需进行地基加 固。经分析比较后，采用预制桩进行地基加固，桩 径为Ｄ＝３００ ｍｍ，桩长为１６ ｍ的ＰＨＣ桩。 总平面布置见图１。 图１ 总平面布置图 拟建清水池桩基布置见图２。 １．２地质情况 根据岩土工程勘察报告揭示，拟建三期清水 池场地岩土层分为４个岩土工程地质层，细分为 ７个土层，自上而下如下所述。 第（１ａ）层：素填土，灰色，松散层，层厚为 １．２０～３．９０ ｍ： 收稿日期：２００８－０４—１５ 作者简介：王广平（１９５９一），男，广东人，高级工程师，从事结 构设计工作。 口口口口口口口ｌ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口ｌ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口ｌ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口１ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口ｌ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口１ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口ｌ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口臼 口口口口口口口ｌ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 豫 ｉＩ口口 幄 翠要 口口口口口口臼Ｉ 臼口口口口口口Ｉ 口臼臼口臼臼口 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 口口口口口口口Ｉ Ｉ口口口口口口口Ｉ 口口口口口口口 图２桩基布置图 第（１ｂ）层：粘质粉土，灰黄色，很湿，层厚为， ０．９～１．５ ｍ； 第（１ｃ）层：粘质粉土，灰色、灰黑色，饱和，软 塑，局部缺失，层厚为０．２５～０．８ ｍ； 第（２）层：粘质粉土，灰色，很湿，局部夹薄层 淤泥质粘土，层厚为０．７～１．６ ｍ； 第（４）层：淤泥质粘土，灰色饱和，流塑，鳞片 状构造，层厚为７．９～１２ ｍ； 第（５ａ）层：粉质粘土，灰一灰黄色，饱和，软可 塑，层厚为０．６～２．５ ｍ； 第（５ｂ）层：粉质粘土，灰绿一褐黄色，饱和，软 可塑。 ２ 预估沉桩对已建清水池的影响 ２．１计算方法 根据无限长圆柱形小孑Ｌ扩张的理论，假定塑 性区内的土不可压缩。小孔面积Ａ，应等于塑性区 边界扩张面积Ａ：，见图３。 图３计算简图 维普资讯 http://www.cqvip.com
１６６ 相关专业 城市道桥与防洪 ２００８年６月第６期 小孔面积Ａ 为： Ａ ＝７ｒｒ０２（桩的截面） 离小孔中心半径为Ｒ的边界面，将发生△的 位移，其扩张面积Ａ 为： Ａ２＝￣ｒ［（Ｒ＋／ｔ） －Ｒ。］ 令Ａｌ＝Ａ ２ 即７ｒ［（Ｒ＋ｚｉ）２－尺 ］＝７ｒｒ２ ｒ———— 一 解得：△＝、 ＋ Ｖ ７ｒ 分析结果假定土体变形仅沿水平方向，未考 虑土的性质、沉桩流水、沉桩速率、沉桩数量等因 素。根据工程经验，水平向位移△ 和垂直向位移 △ 可按下列公式估算。 ＡＨ＝Ｋｌ・Ｋ２・Ｋ３・△ △ ＝ ｌ・Ｋ２・（１一 ３）・△ 式中： 。——挤土系数，根据本工程土的性质，取 值为０．９５； ——挤土分配系数，根据本工程单桩承载 力、桩距、桩数，取值为０．８５； Ｋ ——变形分配系数，一般情况下取水平向 位移约为垂直向位移的２倍，取值为 ２ 丁。 ２．２平面位置 平面位置示意见图４ ＋ 吕Ｉ Ｉ — ｇ ———‘’ ＿ 吕Ｉ 吕ｌ 吕Ｉ ｇ ——。 卜－＿ 吕Ｉ 怒Ｉ １ ｌ 』』垫 Ｊ １ ｎｌ １ ｎｌ 图４平面位置示意图 ２．３计算分析 根据上述沉桩挤土效应计算公式，按拟建清 水池每个区域沉桩挤土（Ｉ～ＶＩ）对已建清水池影 响点（１～４）分别进行叠加计算，其结果见表１。 从表１中可知，最大位移发生在已建清水池 近端中点，其数值为０．３８ ｍ；最大水平位移发生 在已建清水池近端中点，其数值为０．２１ ｍ；最大 表１ 位移计算表《单位：ｍ） 垂直位移也发生在已建清水池近端中点，其数值 达０．１０５ ｍ；池体最大相对弯曲为０．００２；最大倾 斜为０．Ｏ０４。沉桩引起的土体变形将严重危及已建 清水池的结构安全，必须进行切实可行的工程技 术措施、严格的工程监测手段，保证已建清水池的 正常安全运行。 ３ 沉桩挤土效应的机理分析 ３．１无限土体中小孔扩张方程的建立 无限土体中小孔扩张模型见图５。 弹性区 圈５ 无限ｔ－体中小孔扩张梗型 将微分体所受力投影到微分体中心的径向轴 上，并取ｓｉｎ丁ｄＯ为 ，ｃ。ｓ华为ｌ，建立径向的平 衡方程 （ 等ｄｒ）（ｒ＋ｄｒ）ｄＯ－－￣ｒ （ 导 ） 芋一 ｄｒ ：０ 略去微量整理后得： ＋ ＝０ （１） ｒ ３．２塑性区边界破坏准则 在塑性区边界上必然满足库仑一摩尔破坏准 则。 ｏ＇￣－ｏ＇ｏ＝２Ｃｕ （２） ３．３求解塑性区半径 为求塑性区半径， 考虑到塑性区边界上的位 移有： △＝ Ｃ“ 假定塑性区内的土不可压缩，按小孔面积等 于扩张面积原则可以列出方程： 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年６月第６期 仃ｒ？＝＃Ｒ２－仃（ —ｌ△） 展开并略去△ 小量。 城市道桥与防洪 相关专业 １６７ 求得塑性区半径 Ｒ＝ｒｏ、／ （３） 联立上述式（１）～式（３）方程，可以解得塑性 区内任一点的应力和桩土界面上的最大扩张应 而可估计沉桩时，桩对土的最大挤压力ｐ ７．５Ｃｕ。 （４）塑性区边界的径向位移与土的刚度比成 反比，土的刚度比越大，其径向位移越小，反之则 为越大。 塑性区边界的径向位移与塑性区半径成正 比，塑性区半径越大，其径向位移越大，反之则为 越小。 力。 径向：ｔｒ，＝Ｃｕ（２１ｎ ＋１） 环向：ｔｒｓ＝Ｃｕ（２１ｎ譬一１ １ 最大扩张应力： ｐ ｃｕ【ｌｎ ＋ 】 塑性区半径：Ｒ＝ｒｏ、／百 塑性区边界位移：△＝ Ｃｕ・Ｒ 以上各式中： ｒｎ——扩张孔（桩）的半径； ——塑性区的半径； △——塑性区边界的位移； ｒ——离扩张孔（桩）中心的距离； Ｃｕ——桩周饱和土的不排水抗剪强度； Ｅ——土的模量； ——土的泊桑比； ——径向应力； 一环向应力； ｐ ——桩土界面上最大扩张应力。 ３．４从理论求解结果得到的重要结论 （１）在不排水情况下，塑性区半径与扩张孔半 径之比旦，ｒｏ 仅与土的刚度比昙有关，若刚度比 Ｉ．￣ｔｔ ＝１５０～３５０时，塑性区半径约为７～１ｏ倍桩的半 Ｕ 径；若刚度比 ＝６０～１００时，塑性区半径约为 ４．５～６倍桩的半径。塑性区半径与刚度比 的 次幂成正比。 （２）挤土应力随径向递减，由桩土界面上Ｐ 递减至塑性区边界 ，而环向方向由桩土界面上 的压力ｐ．－２Ｃｕ变化至塑性边界拉应力一Ｃｕ。 （３）桩土界面上的扩张压力与桩半径无关，只 与土的刚度比有关。当刚度比较小时，扩张压力变 化较大，刚度比大于６００时，扩张压力变化很小， 刚度比超过２ ０００时，则告趋近极限值７．５，从 （５）在沉桩瞬时挤土过程产生的超孔隙水压 力最大值近似取桩土界面上的扩张压力Ｐ ，最大 孔隙压力只与土的刚度比有关，与土的埋深无关。 当瞬时最大孔隙孔压力超过竖向或水平有效应力 时，便会产生裂缝而消散。 （６）在高灵敏度的土中沉桩时，应适当加大桩 距。土灵敏度越高，塑性区半径内土体强度降低越 多，桩间土在自重作用下产生压缩变形，使桩基础 承台底面与土脱离。在土体压缩变形过程中，又会 对桩产生负摩阻力，使桩承载能力下降，最终导致 相邻构筑物沉降加剧。 小孔扩张的理论分析，仅对一根桩的挤土效 应进行了系统分析，并不能代替群桩挤土效应的 分析，但对研究群桩挤土影响及选择采取减少其 影响的措施提供了一定的理论依据。 ４ 本工程主要技术参数与分析结果 根据本工程岩土工程勘察报告，综合类似土 层特征，确定主要参数如下： ｇ＝０．５； Ｃｕ＝２５ ｋＰ； Ｅ＝４．５ ＭＰ； 最大扩张应力： ｐ．＝２５［１ｎ ｛ ＋１］＝１ｏ２．３５ ｋＰａ； 塑性区半径： Ｒ＝０．１５×、／ ＿１．１６ ｍ； 塑性区边界位移： △＝ ×２５ ｘ １．１６＝０．０１ ｍ。 上述计算结果表明：（１）沉桩过程中超孔隙水 压力约为１０２ ｋＰ，大于深度１２ ｍ左右土的有效应 力。设置深度为５ ｍ左右的垂直排水措施，可以释 放超孔隙水压力。（２）塑性区半径为１．１６ ｍ，本工 程最小桩距为１．５ ｍ，应考虑灵敏度高的软土对 桩基承载力的不利影响。（３）单根桩塑性区边界 位移约为１０ ｍｌｎ。采取必要的技术措施，减少挤土 效应，确保相邻构筑物安全运行是可能的。 维普资讯 http://www.cqvip.com １６８ 相关专业 城市道桥与防洪 ２００８年６月第６期 ５ 为减少挤土效应影响而采取的技术措施 经上述单根桩的挤土效应理论分析，在工程 中，采取了以下的技术措施： （１）在沉桩过程中，拟建区域沉桩范围的四周 设置了深为５ ｍ、宽为２ ｍ砂沟，沿长度方向每隔 １５ ｍ左右设置深为８ ｍ、直径为１ ｍ排水深井，设 水深井，出水量非常大，说明有效地释放了沉桩过 程中的超孔隙水压力。 （２）确定沉桩流水和控制沉桩速率得到了明 显效果。经测斜管的水平位移监测数据反映，在地 表处除沉桩设备重量引起的侧向变形达到５５ ｒｎｒｎ 外，沿深度９ １８ ｍ范围内，侧向变形在ｌ０—３０ ｍｍ 范围内，且水平位移速率明显减小。 （３）已建清水池的沉降观察数据反映，沉桩 的初期，已建清水池沉降的速率约为２ ｍｒｄｄ，完 置水泵抽水，及时排出因沉桩过程中产生的超孔 隙水压力。 （２）沿拟建清水池长度方向，每隔２０ ｍ布置 成三排沉桩施工后，沉桩速率明显下降。桩的遮帘作 测斜管，进行水平位移监测。 用明显，沉桩完成后，已建清水池反弹数据达５ ｍｍ， （３）严格控制每天的沉桩数量，在近已建清水 说明挤土效应不但会引起相邻土体的沉降，还会 池侧，每天沉桩数量不得超过６根，在近已建清水 引起土体的隆起，最后沉桩完成后，已建清水池 池三排沉桩施工完成后，再适当提高每天的沉桩 最大沉降量为３ ｍｍ。本工程已正式投产运行至 数量，减少挤土效应的影响。 今已有９个月。据实测数据表明，拟建清水池沉 （４）确定沉桩流水。要求沉桩按图６中规定的 降量不超过１０ ｍｍ，已建清水池沉降量不超过 流水进行沉桩施工，减少沉桩挤土效应的积聚。 ３ ｍｍ 捌建清水池 ７ 结语 本工程通过沉桩过程对相邻构筑物变形预估 值计算和单根桩挤土效应分析，采取合理的工程 技术措施，有效地控制了沉桩中的挤土效应，确保 了已建构筑物的安全运行。 参考文献 【ｌ】徐芝纶．弹性力学【Ｍ】．人民教育出版社，１９８０． 图６ 沉桩施工流水示薏图 【２】刘金砺．桩基础设计与计算【Ｍ】．中国建筑工业出版社，１９９０． （５）加强已建清水池的变形（垂直和水平向） 【３】刘建航，侯学渊．基坑工程手册【Ｍ】．中国建筑工业出版社，１９９７． 监测，在已建清水池布置ｌ６个监测点，根据监测 【４】黄绍铭，高大钊．软土地基与地下工程【Ｍ】．中国建筑工业出版 数据，指导施工作业。 ． 社，２００５．金砺．桩基础设计与计算【Ｍ】．中国建筑工业出版社， １９９０． ６实际效果验证 【３】刘建航，侯学渊．基坑工程手册【Ｍ】．中国建筑工业出版社，１９９７． 【４】黄绍铭，高大钊．软土地基与地下工程【Ｍ】．中国建筑工业出版 （１）在沉桩区域范围四周设置的排水沟和排 社．２００５． 兰州市２０１１年开建快速轨道交通 酝酿多年的兰州市快速轨道交通建设项目于日前正式启动。由于轨道交通涉及研究、 规划、立项、建设、管理等诸多环节，工程建设周期长，今年兰州市启动前期工作，经过四年 时间的准备、筹措，到２０１１年兰州轨道交通可开工建设。 兰州市轨道交通项目是一项规模空前的基础设施建设项目，需要投入巨额资金。经专 题研究论证后，兰州市将拟通过设立股份公司、发行建设债券、储备沿线土地置换贷款等 多种渠道和方式运作平衡资金，待项目运营后逐步实现收支平衡或赢利目标。
