靜壓樁擠土效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及有限元分析

朱麗紅 陳 晨 殷 琨 李紅慧

(1吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130026)

(2遼寧省工程勘察研究院 遼寧沈陽(yáng) 110000)

靜壓樁擠土效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及有限元分析

朱麗紅1陳 晨1殷 琨1李紅慧2

(1吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130026)

(2遼寧省工程勘察研究院 遼寧沈陽(yáng) 110000)

由于樁基礎(chǔ)的大規(guī)模應(yīng)用,靜壓樁擠土效應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響廣泛引起了人們的注意。針對(duì)該問(wèn)題本文介紹了一種更準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)——測(cè)斜儀技術(shù)。結(jié)合長(zhǎng)春明珠會(huì)所靜壓樁基礎(chǔ)施工工程,測(cè)斜儀技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。為了測(cè)斜儀技術(shù)檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用有限元分析方法計(jì)算靜壓樁與土的相互作用效果。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較驗(yàn)證了測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性。

靜壓樁 擠土效應(yīng) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 有限元分析

1 前言

在城市基本建設(shè)過(guò)程中,一些工程活動(dòng)對(duì)工程環(huán)境所產(chǎn)生的不良影響引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。靜壓樁施工由于其噪音小、無(wú)泥漿污染、沉樁速度快等優(yōu)點(diǎn)而獲得日益廣泛的應(yīng)用。然而,靜壓樁施工過(guò)程所產(chǎn)生的擠土效應(yīng)會(huì)對(duì)周圍的工程環(huán)境造成相當(dāng)嚴(yán)重的影響。基于靜壓樁擠土效應(yīng)的負(fù)面影響,人們迫切需要對(duì)靜壓樁的擠土效應(yīng)有較為明確的認(rèn)識(shí)。因此了解并掌握靜壓樁的擠土效應(yīng)對(duì)樁周圍工程環(huán)境的影響規(guī)律,以便采取有效的防范措施,不僅有利于減小靜壓樁對(duì)周圍工程環(huán)境的不良影響,也有利于提高靜壓樁工程本身的質(zhì)量和施工進(jìn)度,在地基工程建設(shè)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文將結(jié)合位于衛(wèi)星廣場(chǎng)東南角的長(zhǎng)春明珠會(huì)所靜壓樁工程,研究靜壓樁擠土效應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法,控制其對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 工程概況

長(zhǎng)春明珠會(huì)所超市位于長(zhǎng)春市衛(wèi)星廣場(chǎng)交匯處東南角,長(zhǎng)春明珠居住小區(qū)內(nèi),總建筑面積約為26942.6m2。包括A座和B座兩個(gè)部分,其中A座地上一至四層,為餐飲中心和寫字樓,B座地上一至五層,為專業(yè)商店、洗浴中心和游泳館,地下室兩層,最深處墊層底標(biāo)高為-10.500m,整個(gè)基坑平面呈長(zhǎng)134m,寬50m的不規(guī)則形狀,地下室二層車庫(kù)入口處開(kāi)挖深度為-10.500m,其余部分為-9.300m。周邊場(chǎng)地平面布置圖如圖 1所示。

圖1 長(zhǎng)春明珠會(huì)所靜壓樁工程周邊場(chǎng)地布置圖

2.2 工程地質(zhì)條件

建筑場(chǎng)區(qū)位于長(zhǎng)春市波狀平原前緣和伊通河一級(jí)階地交匯帶,區(qū)域內(nèi)沖溝極為發(fā)育,場(chǎng)區(qū)內(nèi)現(xiàn)地勢(shì)較平坦,相對(duì)最大高差2.71m。

該場(chǎng)地勘察控制性鉆孔最大深度為22m,根據(jù)鉆孔揭露情況,按照沉積年代、成因類型及巖性,勘察深度范圍內(nèi)地層自上而下依次為:

雜填土①層:雜色,大部分上部地段結(jié)構(gòu)松散,含較多的爐渣、碎磚、塊石等,層厚1.00～12.70m;

粉質(zhì)粘土②層:灰黑色,主要為原腐植質(zhì)老耕土,軟塑,高壓縮性,層厚0.00～2.70m;

粉質(zhì)粘土③層:灰綠色,有的地段為黃褐色,可塑,中壓縮性,層厚0.00～5.10m;

粘土④層:黃褐色,褐黃色,硬塑～堅(jiān)硬,中低壓塑性,層厚:7.00～13.00m。

粘土⑤層:褐黃色,堅(jiān)硬,有的為高粘性土,低壓縮性。層厚:8.00～9.00m。

泥巖:強(qiáng)風(fēng)化,棕紅色,上部0.50～1.00m為全風(fēng)化層,堅(jiān)硬,低壓縮性,最大揭露厚度5.00m。

各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

在長(zhǎng)春明珠會(huì)所靜壓樁基礎(chǔ)工程中,靜壓PHC管樁 410根,樁型為 PHC-A 400(95)-22,計(jì)8668m。基坑根據(jù)地層變化情況可分為AB、BC、CD、CD-1、CD-2、DE、EA和EA-1段。其中CD -1、CD-2段靠近長(zhǎng)春明珠小區(qū)的兩棟11層居民樓,CD段與東西走向的輕軌鄰近,這幾段的擠土效應(yīng)影響尤為嚴(yán)重。其余部分則正對(duì)著衛(wèi)星廣場(chǎng),比較空曠,擠土效應(yīng)的影響不是很嚴(yán)重。本次觀測(cè)從2005年3月10日～6月28日,經(jīng)歷了開(kāi)始靜壓樁直到場(chǎng)地開(kāi)挖前的整個(gè)過(guò)程。地共設(shè)置測(cè)斜管4根,埋設(shè)位置見(jiàn)圖2。

圖2 位移觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告中記錄,勘察取樣時(shí)采用的是DPP-100汽車鉆機(jī)。所以鉆孔直徑定為Φ= 100mm,測(cè)斜管選為CX-92。其規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)斜管規(guī)格參數(shù)表 單位:mm

由于該地層變化復(fù)雜,基坑分為8段。以CD段(長(zhǎng)89m緊鄰輕軌)為例來(lái)設(shè)計(jì)觀測(cè)點(diǎn)剖面圖。靜壓樁孔口如圖3所示。

圖3 靜壓樁孔口圖

2.4 測(cè)斜儀的安裝

從地表算起靜壓樁入土深為12.3m,根據(jù)地層條件及長(zhǎng)春地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定樁端以下0.7m處土的位移值為零,即鉆孔深為13m。成孔偏斜度不允許大于1°,然后將測(cè)斜管底部裝上底蓋,逐節(jié)組裝,并放入鉆孔內(nèi)。安裝測(cè)斜管時(shí),隨時(shí)檢查其內(nèi)部的一對(duì)導(dǎo)槽,使其始終分別與坑壁走向平行。管內(nèi)注入清水,沉管到孔底時(shí),即向測(cè)斜管與孔壁之間的空隙內(nèi)由下而上逐段用細(xì)砂填實(shí),固定測(cè)斜管。測(cè)斜管固定完畢后,用清水將測(cè)斜管內(nèi)沖洗干凈,將探頭模型放入測(cè)斜管內(nèi),沿導(dǎo)槽上下滑行一遍,以檢查導(dǎo)槽是否暢通無(wú)阻,滾輪是否有滑出導(dǎo)槽的現(xiàn)象,見(jiàn)圖4。由于測(cè)斜儀的探頭十分昂貴,在未確認(rèn)測(cè)斜管導(dǎo)槽暢通時(shí),不允許放入探頭。測(cè)量測(cè)斜管管口坐標(biāo)及高程,做出醒目標(biāo)志,以利保護(hù)管口。

圖4 測(cè)斜儀埋設(shè)剖面圖

2.5 土體位移監(jiān)測(cè)

長(zhǎng)春明珠會(huì)所超市靜壓樁基礎(chǔ)工程的靜壓樁質(zhì)量檢查結(jié)果在六月末才能出來(lái),其中包括靜載試驗(yàn)和基坑開(kāi)挖土的變形觀測(cè)。目前為止所做的試驗(yàn)樁有74號(hào)樁、186號(hào)樁、233號(hào)樁,所有試驗(yàn)樁的沉降量均滿足要求。連接探頭和測(cè)讀儀,將探頭插入測(cè)斜管,使?jié)L輪卡在導(dǎo)槽上,緩慢下至距離孔底0.5m處,探頭應(yīng)在該處停留5分鐘,以便在孔底的溫度下穩(wěn)定。注意不要把探頭降到套管的底部,以免損傷探頭。測(cè)量自下而上地沿導(dǎo)槽全長(zhǎng)每隔0.5m測(cè)讀一次。為提高測(cè)量結(jié)果的可靠度,每一測(cè)量步驟中均需一定的時(shí)間延遲,以確保讀數(shù)系統(tǒng)與環(huán)境溫度及其他條件平穩(wěn)。測(cè)量完畢后,將探頭旋轉(zhuǎn)180°,插入同一對(duì)導(dǎo)槽,按以上方法重復(fù)測(cè)量,前后兩次測(cè)量時(shí)的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)在同一位置上;在這種情況下,兩次測(cè)量同一測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)絕對(duì)值之差應(yīng)小于10%,且符號(hào)相反,否則應(yīng)重測(cè)本組數(shù)據(jù)。用同樣的方法和程序,可以測(cè)量另一對(duì)導(dǎo)槽的水平位移。側(cè)向位移的初始值應(yīng)取基坑降水之前,連續(xù)3次測(cè)量無(wú)明顯差異之讀數(shù)的平均值。觀測(cè)間隔時(shí)間取定為3d。當(dāng)側(cè)向位移的水平位移速率有明顯加大時(shí),加密觀測(cè)次數(shù)。

3 靜壓?jiǎn)螛稊D土效應(yīng)的有限元分析

3.1 基本假定

(1)采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析計(jì)算;

(2)根據(jù)實(shí)際沉樁過(guò)程,為簡(jiǎn)化計(jì)算,以二維軸對(duì)稱問(wèn)題模擬;

(3)鋼筋混凝土樁,采用八節(jié)點(diǎn)二維軸對(duì)稱單元;

(4)各層土體都是均質(zhì)的連續(xù)的彈塑性體,符合D rucker-Prager模型,考慮幾何非線性和接觸非線性,采用八節(jié)點(diǎn)二維軸對(duì)稱單元;

(5)樁與土界面采用的是面-面摩擦接觸單元,接觸面的摩擦類型為庫(kù)侖摩擦;

(6)樁與土一旦接觸,法向就不再分離,切向可以滑動(dòng);

(7)計(jì)入土體自重應(yīng)力場(chǎng)的影響;

(8)土層交界面處位移連續(xù),即土層間不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或脫開(kāi)。

以樁與土間滲透不超過(guò) 0.755%樁半徑(200mm),即1.5mm為控制標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算收斂,且達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn),則認(rèn)為計(jì)算結(jié)果可用。

3.2 數(shù)值計(jì)算

如前所述選擇CD段的靜壓樁作為分析對(duì)象建立參數(shù)模型。地基計(jì)算深度根據(jù)地質(zhì)資料取為13.0m,計(jì)算半徑為10.0m。邊界條件為:底面和右側(cè)面的徑向位移和豎向位移為零;上表面自由;左側(cè)面為對(duì)稱軸,壓樁之前其上各點(diǎn)的位移為零,壓樁過(guò)程中對(duì)稱軸上各點(diǎn)沒(méi)有給定位移和力,由位移協(xié)調(diào)條件和平衡條件自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4 監(jiān)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)

將計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析比較,以74號(hào)靜壓樁的比較結(jié)果為例(圖5～7),表示了壓樁到不同深度時(shí),各測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值在豎直方向的不連續(xù)動(dòng)態(tài)分布規(guī)律。

圖5 壓樁2m水平位移沿深度分布規(guī)律

圖6 壓樁4m水平位移沿深度分布規(guī)律

圖7 壓樁10m水平位移沿深度分布規(guī)律

5 結(jié)語(yǔ)

利用有限元分析計(jì)算基本驗(yàn)證了側(cè)斜管監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性,并有效的模擬了樁與樁側(cè)土之間滑移破壞由上至下的發(fā)展?fàn)顩r。采用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)靜壓樁的擠土位移,對(duì)其影響進(jìn)行分析,是靜壓樁施工必不可少的施工工序。依靠現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)提供動(dòng)態(tài)信息反饋來(lái)指導(dǎo)施工全過(guò)程,并可通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)了解基坑設(shè)計(jì)的可靠程度,為今后降低工程成本提供設(shè)計(jì)依據(jù)。并在此感謝遼寧省工程勘察研究院給我提供的這次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)。

1 陳文、施建勇、龔友平、孫邦賓.飽和粘土中靜壓樁沉樁機(jī)理及擠土效應(yīng)研究綜述.水利水電科技進(jìn)展,1999(6)

2 屠海青、郭志業(yè).靜壓管樁擠土效應(yīng)的防治措施.浙江建筑,2004(4)

3 謝貽權(quán)、何福保.彈性和塑性力學(xué)中的有限元法.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981

4 羅戰(zhàn)友、王偉堂、劉薇.樁-土界面摩擦對(duì)靜壓樁擠土效應(yīng)的影響分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(9)

5 吳湘興主編、楊小平副主編.建筑地基基礎(chǔ).廣州:華南理工大學(xué)出版社,1997

Field Monito ring and Finite Element Analysis of Jacked Pile Compacting Effect

Abstract:Due to thew ide application of pile foundation,The compacting effect caused by the penetration of jacked pile has influence on the surrounding environment,w hich have been widely drawn attentions. Against this p roblem,this paper introduces a mo re p recisely field monito ring technique-declinometer technique.A t a jacked pile foundation construction site in Chuangchun,declinometer technique is app lied for field monito ring.To examine the monito ring results,the finite element analysis is used to calculate the effect between jacked piles and soil.Computational results compared w ith monitoring results,p roven that the declinometer technique is of the most reliability.(by Zhu Lihong et al)

Key words:Jacked Pile,Compacting Effect,Field Monito ring,Finite Element Analysis

2009年8月21日)