研究探索：混凝土预制桩软土地基沉桩施工技术研究
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第5期
混凝土预制桩软土地基沉桩施工技术研究
吕琳，李宏强，李国辉，齐瑞宁，张成良
［摘要］混凝土预制桩因施工便捷、污染小、质量控制较容易，在软土地区复合地基和建筑下部结构中得到广泛应用。但其混凝土预制桩在沉桩过程会对桩体周围的土体产生挤压效应，该效应会对临近的建筑物产生不利影响，因此，研究混凝土预制桩沉桩对土体的扰动效应来规避风险至关重要。本文利用大型有限元软件对混凝土预制桩的沉桩扰动效应进行深入的分析，为混凝土预制桩在沉桩的设计、施工以及施工组织的设计上提供一定的参考和指导。
［关键词］混凝土预制桩；数值模拟；挤土效应
随着我国大城市、超大城市不断发展，吸引了大量外来人口前来安家落户，也直接推动着城市向外围不断扩张。很多城市，尤其是沿海、沿湖城市，土质较差，很多高层建筑的基础均是采用桩基础结构，混凝土预制桩就是其中的一种，该结构因质量可控、对环境污染少并且对底层的穿透效果好而备受青睐。然而，由于混凝土预制桩在沉桩过程中对周围土体的挤压可能会带来的安全隐患问题也不得不重视。尽管国内外学者已经对挤土效应进行了研究，但这一领域尚未完全成熟。本文将对混凝土预制桩软土地基沉桩施工技术进行深入研究，分析混凝土预制桩的沉桩对周围土体的扰动效应，旨在为软土地区钢筋混凝土预制桩沉桩的施工提供有价值的参考。
工程概况
本文选取某市新建商业住宅配套区地下工程作为研究对象。该区域最高楼层20层，地下层，建筑总高75m，基础埋深最大15m。经过初步尝试多种方法后，我们发现采用CELControlled Elastoplasticity）方法进行建模时，计算过程更容易收敛，并且结果相对精确。因此，本文决定采用CEL方法进行后续研究。
模型尺寸的确定
在根据现场的实际情况进行有限元分析时，选择合适的尺寸可以起到事半功倍的作用，若模型尺寸没有达到要求，则会影响结果的可靠度，造成不必要的时间和成本的浪费。本论文在研究时，主要关注混凝土预制桩在沉桩的过程中对周围土体的影响，对于桩体本身则可以不予关注，对于桩体的变形不作考虑，因此将其视为刚性结构。通过既有的大量文献，确定本研究的项目模型采用原本结构的1/4作为研究对象，这样既能保证准确度，又能提高计算效率。同时相关研究也指出，当土体的深度是桩长的倍以上时，由于土体深度不足导致的影响边界条件设定的问题也会迎刃而解。因此，选取桩体半径的10倍、20倍、30倍及40倍进行分别对比研究，通过对图和图的研究发现，40倍桩体半径范围对于模型的边界效应影响基本上已经不复存在，因此，水平范围内的模型尺寸选择40倍桩体半径。
混凝土预制桩沉桩对周围土体的扰动分析
3.1沉桩过程中土体位移变化规律
详细描绘了在进行沉桩作业的过程中，位于6.5m深度的土体位移变化情况。通过仔细观察图 a)可以发现，在沉桩深度尚未超过4.5m的阶段，4.5m深处的土体在水平方向上没有任何变化，但是随着混凝土预制桩的沉桩不断加深达到6.5m深度时，土体的水平位移达到了约0.1m1R10R中，1R2R位移发展排在前两位，并且水平位移达到最大值后迅速降低，然后稳定在0.09m0.05m附近。
图3 b)，在沉桩深度尚未超过4.5m的阶段，4.5m深处的土体在竖直方向上同样没有任何变化，但是随着混凝土预制桩的沉桩不断加深达到6.0m深度时，土体的竖直位移最大达到了约0.2m1R10R中，1R2R位移发展同样排在前两位，并且竖直位移达到最大值后迅速降低一定程度，然后稳定在0.2m0.07m附近。
3.2沉桩过程中土体应力变化的规律
详细描绘了沉桩作业过程中，位于6.5m深度处的桩周土体应力变化情况。具体而言，图 a)部分显示，1R曲线在沉桩深度小于3.3m的阶段，6.5m深处的土体并没有因为混凝土预制桩的沉桩而受到任何影响；然而，当混凝土预制桩沉桩深度达到4.5m时，该位置处的土体径向位移在一定程度上发生位移，而此时应力也达到了曲线发展的最低点。随着继续沉桩施工，深度进一步加大，混凝土预制桩对周围土体的挤压效应进一步增强，径向应力也在6.5m处达到了最大值的800kPa。随着深度的继续加深，土体的径向应力迅速降低，随后趋于稳定，其他几条曲线发展趋势和1R基本相似，不再赘述。
b)部分则展示了各种桩径在沉桩竖向应力曲线图，1R在沉桩深度小于4.5m的阶段，各种桩径的沉桩过程对于周围土体的竖向应力几乎无影响，但是随着沉桩深度的不断加深，周围土体的竖向应力急剧增加，在1R曲线中达到了最大值的600ka，随后随着桩身的不断加深迅速降低到一定程度，曲线形态保持稳定不变。
3.3沉桩结束后的土体位移分布规律
从图 a)中可以观察到，距离桩周的距离越远，其水平位移也就越小。图 b)显示，在H=0的曲线中，地表一定范围内表现为向上突起，其他四条曲线一致出现下沉现象。
展示了沉桩作业完成后土体位移的垂直分布规律，选取了距离桩中心3R6R9R处的土体作为示例。观察可知，在桩周3R处，土体水平为先小幅度降低，然后急剧增长，达到4m深时呈现稳定性，此时水平位移0.03m左右，而后达到12m深度开始急剧下降。而该处的竖直位移从0.05m呈抛物线状急剧减少，到达-0.04m左右开始反弹直至达到0m。距离桩中心的其他两条曲线和3R曲线大致相似，本文不再赘述。
经过细致观察和分析图与图所呈现的数据，我们可以明确地识别出，在混凝土预制桩沉桩作业期间，桩体周围的土体经历了显著的位移变化。这些变化主要体现在土体的垂直位移和水平位移两个方面。具体来说，在桩体附近的土体区域，可以观察到垂直和水平方向的位移同时发生，且两者之间的差异相当显著。然而，将观察焦点转移到距离桩体较远的区域时，情况则呈现出不同的特点。在这些区域，土体位移主要以水平方向为主，垂直方向的位移则相对微弱。为了更精确地阐释这一点，可以参考特定测量点的数据。当测量点距离桩中心大约2m时，土体的垂直位移明显小于水平位移。这一现象揭示了在距离桩体较远的区域，土体的移动主要倾向于水平方向，而垂直方向的位移则相对较小。
3.4沉桩结束后土体应力分布规律
详尽展示了混凝土预制桩沉桩作业完成后，桩周土体内部应力分布的详细情况。仔细审视这张图，可以清楚地观察到，在整个沉桩过程中，径向应力和竖向应力有一个共同之处，即桩端处达到应力最大值。桩端的应力向外四周进行辐射，并且在辐射的过程中不断减弱。可以观察两张应力分布图，在桩端位置处的径向应力辐射范围要大于竖向应力的辐射范围，这说明，径向应力的影响要显著大于竖向应力。
为了深入探讨这两种应力的影响范围，将图和图进行结合来看，可以得出结论：径向应力和竖向应力的影响范围差距较大，径向应力的辐射范围约是竖向应力的倍。值得一提的是，桩端位置处，竖向应力在竖向上影响范围要比径向在竖向上的影响范围更广。
详细展示了在沉桩作业完成后，桩周土体在不同深度处的附加应力分布情况。从图中可以看出，在H=12m处，径向应力随着距离桩中心线距离不断加大而迅速降低。在H=12m处的竖向应力也呈现出同样的趋势，但其在距离桩中心线0.8m左右时，出现了负值，约20kPa，这说明，在H=12m，且距离桩中心0.8m处出现了拉应力，随后拉应力逐渐减少，直到归零。径向应力在其他位置处的曲线也和H=12m处的曲线类似。这种现象主要是由于在混凝土预制桩沉桩过程中，桩体对周围土体的拖拽产生的。竖向应力大体出现的规律是，随着桩体的不断深入，竖向应力先出现减少，而后短暂的上升，紧接着再次减少直至消失。这些应力变化揭示了土体在沉桩过程中的动态反应，对于掌握桩土相互作用的机制至关重要。
展示了沉桩作业完成后，距离桩中心不同距离的应力分布情况，根据图中的信息可知，在桩端处的径向应力和竖向应力最大，并且可以看出，在同一深度处，竖向应力要远小于径向应力。在距离桩中心3R的位置，土体的径向应力在4.5m的深度区间内急剧上升；随后在4.511.5m的深度区间内缓慢增长；在大约12.2m的深度处，径向应力迅速上升后又迅速下降；并在大约14m的深度处接近于零。距离桩中心6R9R的位置，土体的径向应力垂直分布趋势与距离桩中心3R处相似。而在距离桩中心 1R 的位置，土体的径向应力和竖向应力表现出较大的波动，分析原因可能是该区域靠近桩身，属于强扰动区，因此受到桩侧摩擦力的影响较为显著。
如图和图所明确展示，混凝土预制桩沉桩作业不仅仅影响桩体周围的一定区域，同时也对桩端下方的一定区域产生影响。图10详细描绘了沉桩作业结束后，桩端下方应力分布格局的演变过程。从图中可清晰观察到，在桩端相邻的一定区域内，出现了应力的最大值，径向和竖向均出现在土体深度约13m处，随着土体深度的加深应力迅速降低，跌至沉桩前的应力水平。
深入分析此现象背后的原因，当沉桩深度达到12.2m时，介于12.213.7m深度区间的土体被挤压的程度较大，致使该范围的应力水平发生较大的变化。然后沉桩深度从13.7m继续加深时，会在大约3m左右的区域存在应力的释放过程，因此会造成应力值低于初始应力。而当沉桩深度超过16.2m时，土体应力状态则维持在一个稳定的水平，不会受沉桩深度的增加而变化。
总结
本文基于沉桩的挤土机理相关理论基础，对混凝土预制桩沉桩对周围土体的变形影响进行了深入研究，采用CELControlled Elastoplasticity）方法进行建模，对实际的工程项目进行真实的模拟，得出如下结论：
）在进行混凝土预制桩的沉桩作业时，可以观察到桩周围的土体位移呈现出一个特定的变化趋势。具体来说，在沉桩的初始阶段，桩周围的土体位移会逐渐增加，这是因为桩体的进入对周围土体产生了挤压和扰动。然而，这种位移的增加并不会持续太久，随着沉桩作业的继续进行，土体位移会迅速减少。这一现象的原因在于桩身对周围土体的拖拽效应随着沉桩深度的增加而逐渐减弱。换句话说，桩体在进入土层的过程中，其对周围土体的牵引力会逐渐减小，导致土体位移的减少。此外，随着距离桩体的距离不断加大，土体位移会进一步减少。这是因为桩体对土体的扰动影响随着距离的增加而逐渐减弱，土体的稳定性逐渐恢复。因此，可以得出结论，混凝土预制桩在沉桩过程中，桩周围的土体位移会先增加，然后迅速减少，而随着距离桩体的距离不断加大，位移会逐渐减少，这主要是由于桩身对周围土体的拖拽效应在减弱所致。
）在进行沉桩作业的过程中，可观察到桩体在竖直方向上的应力波动幅度显著地超过了其竖向位移的变化。具体来说，当桩体在沉入过程中穿越某些特定的深度时，桩体的径向应力与竖向应力在桩尖的位置会发生明显的突变现象。这种突变表现为应力值的急剧增加或减少，随后这种应力变化逐渐减弱，直至趋于稳定状态。这一现象在土木工程领域中具有重要的研究和应用价值，因为它直接影响到桩基的承载能力和稳定性。
）在完成沉桩施工之后，可以明显观察到桩周的水平位移显著减少。具体来说，在桩周的各个位置，竖向位移的数值逐渐增大，而水平位移则相对较小。这种现象表明，随着沉桩施工的结束，桩体周围的土体结构得到了一定程度的稳定，从而使得水平位移得到了有效的控制。尤其是在桩周的近处，竖向位移的增加更为显著，这可能是因为桩体的插入对周围土体产生了较大的垂直压力，导致竖向位移相对较大。总体而言，沉桩施工结束后，桩周的水平位移大幅度减少，而在越靠近桩周的地方，竖向位移则大于水平位移。
）在进行沉桩作业的过程中，桩体周围的土体会在桩尖区域形成一个应力集中的区域。这种应力集中区域是指在桩尖附近的土体中，由于桩体的插入和压力传递，导致应力在该区域高度集中。应力以桩尖为起点，向四周逐渐扩散并逐渐减弱。在这个过程中，径向应力和竖向应力在桩尖位置达到最高点，随后迅速降低。随着距离桩尖的增加，应力值会逐渐减小，直至在一定距离后趋于稳定。这种应力分布的特性对于沉桩过程中的土体稳定性、桩体承载力以及周围环境的影响评估具有重要意义。
参考文献
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供稿人：吕琳，李宏强等
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
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《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
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