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摘要：在饱和软粘土中静力压桩会产生严重的挤土效应，它对桩周土体、周围建筑物和其他工程环境将产生严重的不良影响。简要分析软粘土地基中静压桩挤土效应产生机理的基础上，结合实际工程分析了施工中静压桩对建筑场地周围环境的严重不良影响和采取的防护措施。
关键词：饱和粘土；静压桩；挤土效应；圆孔扩张理
0 概 述
静压桩承载力高，成桩质量有很好的保证，而且施工的时候噪音和振动比较小，没有泥浆污染环境，施工期短，沉桩速度快。由于具备了上述诸多的优点，在江西、浙江、陕西等软土和湿陷性黄土分布较广地区中常得到广泛应用，取得很好的效果，有着很好的应用前景。
众所周知，静压桩施工过程实际是一个挤土过程。特别是在饱和软土地层打桩，由于土在瞬时挤压力作用下的不可压缩，导致桩周土体产生相产生相当大的挤压应力，引起很高的孔隙水压力，同时沿桩周的土体受剪切破坏，桩周一定范围内的土体受到扰动产生变形。表现比较明显的，一是地面隆起、二是土体水平位移。实践表明，在挤土桩施工中经常对周围环境产生不利的影响，通常称为挤土效应。挤土效应还与土质、沉桩速率、流程和跟沉桩点的距离等有关。预制桩在压入饱和软土层的过程中所产生的挤土效应对工程环境的影响相当严重，主要表现在以下几个方面：1）对周围建筑的影响。使场地隆起，引起建筑物开裂、倾斜，影响周围建筑物的安全使用。2）沉桩时桩周土体被挤裂，沉桩使桩周土体中的应力状态发生改变，沉桩过程中桩周土体被重塑和扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质与沉桩前相比有很大的改变。3）对邻近地下管线的影响。包括上、下水、煤气、供电、电讯、排污、雨水管等。引起水管爆裂、管道煤气外泄等一系列严重后果，危害人生财产安全。4）对相邻施工桩基的影响。对已打入土中的桩产生挤压，使其桩顶偏位、桩身弯曲、水平位移。由于挤土的隆起作用，甚至可以拉断相邻桩继而造成桩基质量事故。5）挤土桩与深开挖的相互影响。挤土桩由于挤土作用，在土层中储藏一定的能量，这种能量可以通过周围土体的水平位移和隆起释放，还有一部分能量慢慢消失。但在遇有深开挖条件下，这部分能量可能因开挖释放空间出现，能量突然释放，造成桩的倾斜。6）挤土桩后期效应不利影响。打入桩挤土过程在桩周土体中产生很高的孔隙水压力，由此造成水裂现象，从而加速孔隙水的排除，消散速度加快，这时桩周土体就产生再固结，使土体有效应力增加，桩间土面下沉，这样就可能造成土面与承台脱离。
静压桩挤土效应的研究虽然开展较早，但由于沉桩荷载传递机理涉及因素复杂，如土的变异性，桩与土之间的接触、滑移和摩擦效应，桩尖土体的压密和开裂，其中包含几何大变形、材料非线性及接触非线性等一系列复杂的问题，目前尚难以从理论上得到有效的分析和解决。因此，静压桩沉桩机理及挤土效应研究，不但有利于提高理论上的认识，而且对于估计静压桩的施工影响和指导设计具有现实意义。
1 静压桩的贯入挤土作用机理
静压桩施工时采用专用机架自重和配重或结构物自重，通过压梁或压柱将整个桩架自重和配重或结构物自重反力，以卷扬机滑轮组或电动油泵液压方式施加在桩顶或桩身上，当施加给桩的静压力与桩的入土阻力达动态平衡时，桩在自重或静压力作用下逐渐压入地基土中。压桩过程中，沉樁速率一般保持在一定数值以内，故可将桩体贯入视为匀速直线运动。静压桩在贯入过程中造成了桩周土体的复杂运动，桩尖以下土体产生压缩变形。随着桩贯入压力的增大，当桩尖处土体所受压力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而破坏，桩侧土体产生塑性流动（粘性土）或挤密侧移和拖带下沉（砂性土），桩尖下土体被向下和侧向压缩挤开。地表处，粘性土体会向上隆起，地面深处由于上覆土层的压力，土体主要向桩周挤开，使贴近桩周土体结构完全破坏，周围土体亦受较大的扰动影响，而桩身受到土体强大的法向抗力所引起的桩周摩擦力和桩尖阻力的抵抗。同时，对于饱和粘性土，由于瞬时排水固结效应不明显，桩体的贯入产生孔隙水压力，随后孔压消散、再固结和触变恢复，在桩周形成硬壳层。对于静压桩，由于其贯入过程近乎匀速，因此，从理论上讲，采用准静态条件下的静力平衡对其模拟是合适的。
2 静压桩沉桩机理及挤土效应的研究进展
国际上对于静压桩的研究方法大致可以分为圆孔扩张理论（CEM）、应变路径法（SPM）、有限元分析法（FEM）、滑移线理论和模型槽试验等。
2.1 圆孔扩张理论（CEM）
圆孔扩张理论首先假设土体是理想弹塑性体，材料服从Treasa或Mohr-Coulomb屈服准则，根据弹塑性理论给出无限土体内、具有初始半径的柱形孔或球形孔，被均匀分布的内压力p所扩张的一般解。由于桩体贯入时，一定深度处的土体逐渐出现半径为桩径的孔洞，周围一定范围土体进入塑性状态，因此，一般采用柱形孔扩张来模拟除去靠近端和桩尖土体的变形情况。Butterfield和Baneriggee首先提出将平面应变条件下的柱形孔扩张用来解决桩体贯入问题。他们假定：1）土是均匀的、各向同性的理想弹塑性材料；2）土体饱和、不可压缩；3）土体屈服满足Mohr-Coulomb强度准则；4）小孔扩张前，土体具有各向等同的有效应力。随着内压p的增大，围绕柱形孔的柱形区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随p的增大而不断扩大，以外土体仍保持弹性状态。扩张过程如图1所示。对于柱形孔扩张的平面应变轴对称问题，在极坐标下。平衡微分方程为
塑性边界上满足Mohr-Coulomb屈服准则
边界条件为：
按照土体体积不变的原理，求出该微分方程的解答，推出Rr、RH及径向位移ur的表达式，对于压桩引起的瞬时超孔隙水应力，则采用亨克尔的孔压方程导出：
Sagaseta应用半无限空间球形孔扩张理论得出地表面水平位移量和竖向隆起量的计算公式：
式中：a表示桩的半径；L表示桩的入土深度；R表示计算点离桩轴线的距离；SH、SV分别表示水平位移和隆起量。 圆孔扩张理论（CEM）具有以下优点：1）径向对称的平面应变假定将问题简化为一维问题，未知变量数目很少；2）控制方程由一套复杂的偏微分方程减为一个一次微分方程，可直接求解；3）由于求解方法的简单性，可以对该贯入问题的许多复杂方面进行考虑，如大应变、高梯度、多重介质等。
但是，此方法具有一个很大的缺点，即其将一维的圆孔扩张解应用于桩体贯入这样一个三维轴对称问题，它假设应力只与径向坐标r有关，而与竖向坐标z无关，忽略孔壁竖向摩擦力Srz的影响。然而，沉桩过程中Srz显然是存在的，它对土体中应力和位移必定要产生影响，CEM对之未加考虑即予以忽略，这是不恰当的。
2.2 应变路径法（SPM）
为克服CEM的缺点，Baligh提出了应变路径法，他假设土体变形可在不考虑本构关系的情况下，推广对速度积分求得变形，然后由微分求出应变。将桩体贯入模拟为单个边界以速度v扩大的球形孔沿竖向匀速运动，通过对应变路径的描述，即三个偏应变Ei（i=1，2，3）的分析，从而得出桩体贯入土体位移和应变的变化情况，并得到了一些有意义的结论：1）发现桩周一定范围内土体存在/应变反转0和主应力旋转现象，土体有可能由/压0变为/拉0，这种现象将对应力和孔压产生显著影响，而CEM忽略土单元的应变路径，无法对其加以解释；2）证实了沉桩时土体可分为/塑性区0和/弹性区0两部分。CEM对弹性区的应力和孔压估计较为合理；3）指出了考虑土体/扰动0后性质变化的重要性。
较之CEM，SPM优点在于：一方面可以考虑竖向贯入过程中，土体变形与竖向坐标的关系；另一方面可以考虑匀速贯入的连续性。它可以给出贯入过程中土体应力、位移分布的大致情况。但是SPM也有其缺点，它本质上只是一种近似的方法，而且计算较为繁琐。可以将之与CEM联合起来考虑，互为补充。
2.3 有限单元法（FEM）
有限单元法广泛地用于桩基计算中，它是十分有力的计算工具。许多学者已将之引入桩体贯入过程分析中。桩体的有限单元分析采用小变形和大变形模型兩种类型。
2.3.1 小变形分析
在小变形分析中，将桩体置入预先钻好的孔中，周围土体仍处于初始应力状态，然后进行增量的塑性破坏计算，并假定破坏荷载等于贯入阻力。该过程并非完全正确，因为在静力贯入中，在桩侧将产生很大的侧向应力。所产生的桩侧应力将导致实际阻力比小应变结果要大。
2.3.2 大变形分析
在以往的分析中，尤其是经典的CEM中，一般均基于小变形假设，但事实上，在桩体贯入过程中应变很大，靠近桩周的土体中应变可达10%～20%，呈现出材料与几何双重非线性，这时用小变形假设显然不合实际。而采用大变形有限元则有可能克服上述缺陷。在静压桩的沉桩机理及挤土效应研究中，为考虑土体材料、几何双重非线性，以及静力贯入对初始应力条件的影响，有必要采用大变形有限元。
3 工程实例
3.1 工程概况
西安市某商住楼工程A1楼主楼地上有28层，地下2层。A2楼主楼地上有18层，地下1层。A1、A2楼场地北侧紧邻某交通干道，其地下管线丰富，有自来水管道、煤气管道、污水管道、电缆管道等。A1楼场地西侧为已建成的多层住宅，外围有一道围墙。南侧为在建的多层住宅B1，东侧为待建的A3的场地，A3的东侧为一片待拆的平房。基础工程桩和基坑围护桩均采用预应力混凝土管桩。基础工程桩长45m，直径为600mm，总桩数为240根；围护桩长15m，直径为600mm，总桩数185根。基础工程桩的施工是在2004年6月28日至8月25日期间完成的，平均每日压桩4～5根。围护桩的施工是在2004年6月5日至7月26日期间完成的，平均每日压桩4～5根。场地土类型属于中软场地土。
3.2 防护措施
根据Sagaseta公式计算得西侧围墙水平位移达135mm。为此工程必须采用一定的防护措施。1）设置应力释放孔。在施工场地西北两面分别设置应力释放孔两排，直径为500mm，孔距为5m，深度45m。应力释放孔内均填充中粗砂至地面，利用砂性土的强透水性，及时消散预制管桩施工过程中产生的超孔隙水压力。2）控制打桩进度。打桩施工速率控制由当日现场监测结果来确定。此外打桩进度的控制还与打桩区的土体性质及具体施工的实际情况有关。3）合理安排沉桩施工顺序。由于挤土效应对周围建筑物影响的大小与打桩施工顺序有密切关系，本工程施工采取分区施工方法，以减少连续打桩造成的土体隆起和超孔隙水压力。
根据现场测斜管（用于监测在工程桩压入过程中桩周土体的水平位移）和沉降观测点（用于监测压桩过程中的挤土效应所引起的场地表面隆起量）的实际测量结果显示采取了这些防护措施西侧围墙的水平位移为28mm，场地表面隆起量均未达到警戒水平，路面未发现有破裂的现象，所有管道均未发现破坏。
4 结 语
饱和地基中的沉桩挤土效应是一个很复杂的课题，近期尚难以通过理论分析的方法加以圆满地解决。饱和粘土中静压桩的沉桩机理及挤土效应问题的解决，将有助于对静压桩的施工影响范围进行评估，从而为设计和施工提供更好的依据，带来良好的经济效益。并且，其空间应力、位移、超孔压解答还可应用于静力触探应力分析、孔压触探、桩基承载力分析等相关课题中，具有广泛的工程应用前景。因此，对饱和粘土中静压桩的沉桩机理及挤土效应开展一系列深入的研究是十分有益的。
关键词：饱和粘土；静压桩；挤土效应；圆孔扩张理
0 概 述
静压桩承载力高，成桩质量有很好的保证，而且施工的时候噪音和振动比较小，没有泥浆污染环境，施工期短，沉桩速度快。由于具备了上述诸多的优点，在江西、浙江、陕西等软土和湿陷性黄土分布较广地区中常得到广泛应用，取得很好的效果，有着很好的应用前景。
众所周知，静压桩施工过程实际是一个挤土过程。特别是在饱和软土地层打桩，由于土在瞬时挤压力作用下的不可压缩，导致桩周土体产生相产生相当大的挤压应力，引起很高的孔隙水压力，同时沿桩周的土体受剪切破坏，桩周一定范围内的土体受到扰动产生变形。表现比较明显的，一是地面隆起、二是土体水平位移。实践表明，在挤土桩施工中经常对周围环境产生不利的影响，通常称为挤土效应。挤土效应还与土质、沉桩速率、流程和跟沉桩点的距离等有关。预制桩在压入饱和软土层的过程中所产生的挤土效应对工程环境的影响相当严重，主要表现在以下几个方面：1）对周围建筑的影响。使场地隆起，引起建筑物开裂、倾斜，影响周围建筑物的安全使用。2）沉桩时桩周土体被挤裂，沉桩使桩周土体中的应力状态发生改变，沉桩过程中桩周土体被重塑和扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质与沉桩前相比有很大的改变。3）对邻近地下管线的影响。包括上、下水、煤气、供电、电讯、排污、雨水管等。引起水管爆裂、管道煤气外泄等一系列严重后果，危害人生财产安全。4）对相邻施工桩基的影响。对已打入土中的桩产生挤压，使其桩顶偏位、桩身弯曲、水平位移。由于挤土的隆起作用，甚至可以拉断相邻桩继而造成桩基质量事故。5）挤土桩与深开挖的相互影响。挤土桩由于挤土作用，在土层中储藏一定的能量，这种能量可以通过周围土体的水平位移和隆起释放，还有一部分能量慢慢消失。但在遇有深开挖条件下，这部分能量可能因开挖释放空间出现，能量突然释放，造成桩的倾斜。6）挤土桩后期效应不利影响。打入桩挤土过程在桩周土体中产生很高的孔隙水压力，由此造成水裂现象，从而加速孔隙水的排除，消散速度加快，这时桩周土体就产生再固结，使土体有效应力增加，桩间土面下沉，这样就可能造成土面与承台脱离。
静压桩挤土效应的研究虽然开展较早，但由于沉桩荷载传递机理涉及因素复杂，如土的变异性，桩与土之间的接触、滑移和摩擦效应，桩尖土体的压密和开裂，其中包含几何大变形、材料非线性及接触非线性等一系列复杂的问题，目前尚难以从理论上得到有效的分析和解决。因此，静压桩沉桩机理及挤土效应研究，不但有利于提高理论上的认识，而且对于估计静压桩的施工影响和指导设计具有现实意义。
1 静压桩的贯入挤土作用机理
静压桩施工时采用专用机架自重和配重或结构物自重，通过压梁或压柱将整个桩架自重和配重或结构物自重反力，以卷扬机滑轮组或电动油泵液压方式施加在桩顶或桩身上，当施加给桩的静压力与桩的入土阻力达动态平衡时，桩在自重或静压力作用下逐渐压入地基土中。压桩过程中，沉樁速率一般保持在一定数值以内，故可将桩体贯入视为匀速直线运动。静压桩在贯入过程中造成了桩周土体的复杂运动，桩尖以下土体产生压缩变形。随着桩贯入压力的增大，当桩尖处土体所受压力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形而破坏，桩侧土体产生塑性流动（粘性土）或挤密侧移和拖带下沉（砂性土），桩尖下土体被向下和侧向压缩挤开。地表处，粘性土体会向上隆起，地面深处由于上覆土层的压力，土体主要向桩周挤开，使贴近桩周土体结构完全破坏，周围土体亦受较大的扰动影响，而桩身受到土体强大的法向抗力所引起的桩周摩擦力和桩尖阻力的抵抗。同时，对于饱和粘性土，由于瞬时排水固结效应不明显，桩体的贯入产生孔隙水压力，随后孔压消散、再固结和触变恢复，在桩周形成硬壳层。对于静压桩，由于其贯入过程近乎匀速，因此，从理论上讲，采用准静态条件下的静力平衡对其模拟是合适的。
2 静压桩沉桩机理及挤土效应的研究进展
国际上对于静压桩的研究方法大致可以分为圆孔扩张理论（CEM）、应变路径法（SPM）、有限元分析法（FEM）、滑移线理论和模型槽试验等。
2.1 圆孔扩张理论（CEM）
圆孔扩张理论首先假设土体是理想弹塑性体，材料服从Treasa或Mohr-Coulomb屈服准则，根据弹塑性理论给出无限土体内、具有初始半径的柱形孔或球形孔，被均匀分布的内压力p所扩张的一般解。由于桩体贯入时，一定深度处的土体逐渐出现半径为桩径的孔洞，周围一定范围土体进入塑性状态，因此，一般采用柱形孔扩张来模拟除去靠近端和桩尖土体的变形情况。Butterfield和Baneriggee首先提出将平面应变条件下的柱形孔扩张用来解决桩体贯入问题。他们假定：1）土是均匀的、各向同性的理想弹塑性材料；2）土体饱和、不可压缩；3）土体屈服满足Mohr-Coulomb强度准则；4）小孔扩张前，土体具有各向等同的有效应力。随着内压p的增大，围绕柱形孔的柱形区域将由弹性状态进入塑性状态。塑性区随p的增大而不断扩大，以外土体仍保持弹性状态。扩张过程如图1所示。对于柱形孔扩张的平面应变轴对称问题，在极坐标下。平衡微分方程为
塑性边界上满足Mohr-Coulomb屈服准则
边界条件为：
按照土体体积不变的原理，求出该微分方程的解答，推出Rr、RH及径向位移ur的表达式，对于压桩引起的瞬时超孔隙水应力，则采用亨克尔的孔压方程导出：
Sagaseta应用半无限空间球形孔扩张理论得出地表面水平位移量和竖向隆起量的计算公式：
式中：a表示桩的半径；L表示桩的入土深度；R表示计算点离桩轴线的距离；SH、SV分别表示水平位移和隆起量。 圆孔扩张理论（CEM）具有以下优点：1）径向对称的平面应变假定将问题简化为一维问题，未知变量数目很少；2）控制方程由一套复杂的偏微分方程减为一个一次微分方程，可直接求解；3）由于求解方法的简单性，可以对该贯入问题的许多复杂方面进行考虑，如大应变、高梯度、多重介质等。
但是，此方法具有一个很大的缺点，即其将一维的圆孔扩张解应用于桩体贯入这样一个三维轴对称问题，它假设应力只与径向坐标r有关，而与竖向坐标z无关，忽略孔壁竖向摩擦力Srz的影响。然而，沉桩过程中Srz显然是存在的，它对土体中应力和位移必定要产生影响，CEM对之未加考虑即予以忽略，这是不恰当的。
2.2 应变路径法（SPM）
为克服CEM的缺点，Baligh提出了应变路径法，他假设土体变形可在不考虑本构关系的情况下，推广对速度积分求得变形，然后由微分求出应变。将桩体贯入模拟为单个边界以速度v扩大的球形孔沿竖向匀速运动，通过对应变路径的描述，即三个偏应变Ei（i=1，2，3）的分析，从而得出桩体贯入土体位移和应变的变化情况，并得到了一些有意义的结论：1）发现桩周一定范围内土体存在/应变反转0和主应力旋转现象，土体有可能由/压0变为/拉0，这种现象将对应力和孔压产生显著影响，而CEM忽略土单元的应变路径，无法对其加以解释；2）证实了沉桩时土体可分为/塑性区0和/弹性区0两部分。CEM对弹性区的应力和孔压估计较为合理；3）指出了考虑土体/扰动0后性质变化的重要性。
较之CEM，SPM优点在于：一方面可以考虑竖向贯入过程中，土体变形与竖向坐标的关系；另一方面可以考虑匀速贯入的连续性。它可以给出贯入过程中土体应力、位移分布的大致情况。但是SPM也有其缺点，它本质上只是一种近似的方法，而且计算较为繁琐。可以将之与CEM联合起来考虑，互为补充。
2.3 有限单元法（FEM）
有限单元法广泛地用于桩基计算中，它是十分有力的计算工具。许多学者已将之引入桩体贯入过程分析中。桩体的有限单元分析采用小变形和大变形模型兩种类型。
2.3.1 小变形分析
在小变形分析中，将桩体置入预先钻好的孔中，周围土体仍处于初始应力状态，然后进行增量的塑性破坏计算，并假定破坏荷载等于贯入阻力。该过程并非完全正确，因为在静力贯入中，在桩侧将产生很大的侧向应力。所产生的桩侧应力将导致实际阻力比小应变结果要大。
2.3.2 大变形分析
在以往的分析中，尤其是经典的CEM中，一般均基于小变形假设，但事实上，在桩体贯入过程中应变很大，靠近桩周的土体中应变可达10%～20%，呈现出材料与几何双重非线性，这时用小变形假设显然不合实际。而采用大变形有限元则有可能克服上述缺陷。在静压桩的沉桩机理及挤土效应研究中，为考虑土体材料、几何双重非线性，以及静力贯入对初始应力条件的影响，有必要采用大变形有限元。
3 工程实例
3.1 工程概况
西安市某商住楼工程A1楼主楼地上有28层，地下2层。A2楼主楼地上有18层，地下1层。A1、A2楼场地北侧紧邻某交通干道，其地下管线丰富，有自来水管道、煤气管道、污水管道、电缆管道等。A1楼场地西侧为已建成的多层住宅，外围有一道围墙。南侧为在建的多层住宅B1，东侧为待建的A3的场地，A3的东侧为一片待拆的平房。基础工程桩和基坑围护桩均采用预应力混凝土管桩。基础工程桩长45m，直径为600mm，总桩数为240根；围护桩长15m，直径为600mm，总桩数185根。基础工程桩的施工是在2004年6月28日至8月25日期间完成的，平均每日压桩4～5根。围护桩的施工是在2004年6月5日至7月26日期间完成的，平均每日压桩4～5根。场地土类型属于中软场地土。
3.2 防护措施
根据Sagaseta公式计算得西侧围墙水平位移达135mm。为此工程必须采用一定的防护措施。1）设置应力释放孔。在施工场地西北两面分别设置应力释放孔两排，直径为500mm，孔距为5m，深度45m。应力释放孔内均填充中粗砂至地面，利用砂性土的强透水性，及时消散预制管桩施工过程中产生的超孔隙水压力。2）控制打桩进度。打桩施工速率控制由当日现场监测结果来确定。此外打桩进度的控制还与打桩区的土体性质及具体施工的实际情况有关。3）合理安排沉桩施工顺序。由于挤土效应对周围建筑物影响的大小与打桩施工顺序有密切关系，本工程施工采取分区施工方法，以减少连续打桩造成的土体隆起和超孔隙水压力。
根据现场测斜管（用于监测在工程桩压入过程中桩周土体的水平位移）和沉降观测点（用于监测压桩过程中的挤土效应所引起的场地表面隆起量）的实际测量结果显示采取了这些防护措施西侧围墙的水平位移为28mm，场地表面隆起量均未达到警戒水平，路面未发现有破裂的现象，所有管道均未发现破坏。
4 结 语
饱和地基中的沉桩挤土效应是一个很复杂的课题，近期尚难以通过理论分析的方法加以圆满地解决。饱和粘土中静压桩的沉桩机理及挤土效应问题的解决，将有助于对静压桩的施工影响范围进行评估，从而为设计和施工提供更好的依据，带来良好的经济效益。并且，其空间应力、位移、超孔压解答还可应用于静力触探应力分析、孔压触探、桩基承载力分析等相关课题中，具有广泛的工程应用前景。因此，对饱和粘土中静压桩的沉桩机理及挤土效应开展一系列深入的研究是十分有益的。