管樁擠壓對周邊環境影響的研究

馬飛躍 余金煌 鄭宗文（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室 蚌埠 233000）

管樁擠壓對周邊環境影響的研究

馬飛躍 余金煌 鄭宗文
（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室 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合的方法，重點研究管樁擠壓對周邊環境的影響。本文采用多種方法相結合的方式，綜合判斷，推導可行性公式，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

目前深基礎工程越來越多，然而管樁擠壓對土體擾動的研究較少，由此可能導致工程事故的發生，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影響導致的。目前主要的分析方法有極限承載力理論、圓孔擴張理論、應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境徑向位移的影響研究。

1 小孔擴張理論解析

1.1 單樁計算公式

解基于小孔擴張理論，假定無限土體內某點有初始小孔半徑為Ri的球形均布壓力（如圖1），當此壓力逐漸增加時，圍繞著球形小孔的球形區將由彈性狀態進入塑性狀態，當壓力p繼續增加時，塑性區不斷擴大，直到內壓力p增大到極限壓力pu，塑性區和彈性區交界處的半徑為Rp，塑性區為Ru≤R≤Rp，彈性區為Rp≤R≤∞。

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

只考慮管樁擠壓對周邊環境的影響，不考慮管樁塑性區域，只計算彈性區的應力和位移。

徑向位移和徑向應力的表達式：

將式（4）代入式（1）求得uR。

1.2 疊加計算方法

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產生大小不等的位移，此次針對群樁位移進行計算。

由式（1）可求得單樁對樁外一點的徑向位移，分別取最東邊管樁為計算0點，距0點向東5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m處點為計算點，計算多根管樁擠壓效應使計算點產生位移量并進行疊加，求得最終位移量。

由于小孔擴張理論假設土體是均勻同性的，選擇具有代表性的粘土層參數來計算。通過理論計算發現，計算值畫曲線圖如圖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，較為符合實際情況。

2 有限元分析介紹和數值模擬

圖1 靜壓管樁擠土效應分析計算模型圖

圖2 單樁理論計算值曲線圖

有限元模型采用Midas GTS有限元軟件進行數值模擬，模擬單樁擴張對地表的影響，模型為圓柱體，半徑40m，高51m，約1萬單元，如圖3。在數值計算中，假設壓樁前土體存在一個半徑為R0的初始擴張半徑。設初始半徑為：R0=R/=500/=144.34mm，擴張力pu=cu+2culn=170kPa，計算結果如圖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 管樁擠土效應位移成果圖對比

圖6 管樁布置及計算點位圖

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

3 群樁位移量計算對比

計算中考慮群樁擠土效應時，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。因此計算中選取靠近基坑邊緣10m范圍的管樁進行疊加計算。以最東邊的管樁外徑為計算零點，每隔5m對徑外地表某點的位移變形量進行疊加，如圖6所示。

目前無相關標準或規范規定土體內部位移允許值。根據《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）規定：在群樁水平位移計算過程中，樁頂水平位移允許值在對水平位移敏感的結構物時取允許值為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。根據理論計算值距離計算0點影響范圍為26.26m，另一個根據擬合曲線值影響范圍為24.56m。

4 結論

隨著計算點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，在此范圍內重點監控，采取一定的加固措施。

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