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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第5期

混凝土預制樁軟土地基沉樁施工技術研究

呂琳，李宏強，李國輝，齊瑞寧，張成良

［摘要］混凝土預制樁因施工便捷、污染小、質量控制較容易，在軟土地區復合地基和建筑下部結構中得到廣泛應用。但其混凝土預制樁在沉樁過程會對樁體周圍的土體產生擠壓效應，該效應會對臨近的建筑物產生不利影響，因此，研究混凝土預制樁沉樁對土體的擾動效應來規避風險至關重要。本文利用大型有限元軟件對混凝土預制樁的沉樁擾動效應進行深入的分析，為混凝土預制樁在沉樁的設計、施工以及施工組織的設計上提供一定的參考和指導。

［關鍵詞］混凝土預制樁；數值模擬；擠土效應

隨著我國大城市、超大城市不斷發展，吸引了大量外來人口前來安家落戶，也直接推動著城市向外圍不斷擴張。很多城市，尤其是沿海、沿湖城市，土質較差，很多高層建筑的基礎均是采用樁基礎結構，混凝土預制樁就是其中的一種，該結構因質量可控、對環境污染少并且對底層的穿透效果好而備受青睞。然而，由于混凝土預制樁在沉樁過程中對周圍土體的擠壓可能會帶來的安全隱患問題也不得不重視。盡管國內外學者已經對擠土效應進行了研究，但這一領域尚未完全成熟。本文將對混凝土預制樁軟土地基沉樁施工技術進行深入研究，分析混凝土預制樁的沉樁對周圍土體的擾動效應，旨在為軟土地區鋼筋混凝土預制樁沉樁的施工提供有價值的參考。

工程概況

本文選取某市新建商業住宅配套區地下工程作為研究對象。該區域最高樓層20層，地下層，建筑總高75m，基礎埋深最大15m。經過初步嘗試多種方法后，我們發現采用CELControlled Elastoplasticity）方法進行建模時，計算過程更容易收斂，并且結果相對精確。因此，本文決定采用CEL方法進行后續研究。

模型尺寸的確定

在根據現場的實際情況進行有限元分析時，選擇合適的尺寸可以起到事半功倍的作用，若模型尺寸沒有達到要求，則會影響結果的可靠度，造成不必要的時間和成本的浪費。本論文在研究時，主要關注混凝土預制樁在沉樁的過程中對周圍土體的影響，對于樁體本身則可以不予關注，對于樁體的變形不作考慮，因此將其視為剛性結構。通過既有的大量文獻，確定本研究的項目模型采用原本結構的1/4作為研究對象，這樣既能保證準確度，又能提高計算效率。同時相關研究也指出，當土體的深度是樁長的倍以上時，由于土體深度不足導致的影響邊界條件設定的問題也會迎刃而解。因此，選取樁體半徑的10倍、20倍、30倍及40倍進行分別對比研究，通過對圖和圖的研究發現，40倍樁體半徑范圍對于模型的邊界效應影響基本上已經不復存在，因此，水平范圍內的模型尺寸選擇40倍樁體半徑。

混凝土預制樁沉樁對周圍土體的擾動分析

3.1沉樁過程中土體位移變化規律

詳細描繪了在進行沉樁作業的過程中，位于6.5m深度的土體位移變化情況。通過仔細觀察圖 a)可以發現，在沉樁深度尚未超過4.5m的階段，4.5m深處的土體在水平方向上沒有任何變化，但是隨著混凝土預制樁的沉樁不斷加深達到6.5m深度時，土體的水平位移達到了約0.1m1R10R中，1R2R位移發展排在前兩位，并且水平位移達到最大值后迅速降低，然后穩定在0.09m0.05m附近。

圖3 b)，在沉樁深度尚未超過4.5m的階段，4.5m深處的土體在豎直方向上同樣沒有任何變化，但是隨著混凝土預制樁的沉樁不斷加深達到6.0m深度時，土體的豎直位移最大達到了約0.2m1R10R中，1R2R位移發展同樣排在前兩位，并且豎直位移達到最大值后迅速降低一定程度，然后穩定在0.2m0.07m附近。

3.2沉樁過程中土體應力變化的規律

詳細描繪了沉樁作業過程中，位于6.5m深度處的樁周土體應力變化情況。具體而言，圖 a)部分顯示，1R曲線在沉樁深度小于3.3m的階段，6.5m深處的土體并沒有因為混凝土預制樁的沉樁而受到任何影響；然而，當混凝土預制樁沉樁深度達到4.5m時，該位置處的土體徑向位移在一定程度上發生位移，而此時應力也達到了曲線發展的最低點。隨著繼續沉樁施工，深度進一步加大，混凝土預制樁對周圍土體的擠壓效應進一步增強，徑向應力也在6.5m處達到了最大值的800kPa。隨著深度的繼續加深，土體的徑向應力迅速降低，隨后趨于穩定，其他幾條曲線發展趨勢和1R基本相似，不再贅述。

b)部分則展示了各種樁徑在沉樁豎向應力曲線圖，1R在沉樁深度小于4.5m的階段，各種樁徑的沉樁過程對于周圍土體的豎向應力幾乎無影響，但是隨著沉樁深度的不斷加深，周圍土體的豎向應力急劇增加，在1R曲線中達到了最大值的600ka，隨后隨著樁身的不斷加深迅速降低到一定程度，曲線形態保持穩定不變。

3.3沉樁結束后的土體位移分布規律

從圖 a)中可以觀察到，距離樁周的距離越遠，其水平位移也就越小。圖 b)顯示，在H=0的曲線中，地表一定范圍內表現為向上突起，其他四條曲線一致出現下沉現象。

展示了沉樁作業完成后土體位移的垂直分布規律，選取了距離樁中心3R6R9R處的土體作為示例。觀察可知，在樁周3R處，土體水平為先小幅度降低，然后急劇增長，達到4m深時呈現穩定性，此時水平位移0.03m左右，而后達到12m深度開始急劇下降。而該處的豎直位移從0.05m呈拋物線狀急劇減少，到達-0.04m左右開始反彈直至達到0m。距離樁中心的其他兩條曲線和3R曲線大致相似，本文不再贅述。

經過細致觀察和分析圖與圖所呈現的數據，我們可以明確地識別出，在混凝土預制樁沉樁作業期間，樁體周圍的土體經歷了顯著的位移變化。這些變化主要體現在土體的垂直位移和水平位移兩個方面。具體來說，在樁體附近的土體區域，可以觀察到垂直和水平方向的位移同時發生，且兩者之間的差異相當顯著。然而，將觀察焦點轉移到距離樁體較遠的區域時，情況則呈現出不同的特點。在這些區域，土體位移主要以水平方向為主，垂直方向的位移則相對微弱。為了更精確地闡釋這一點，可以參考特定測量點的數據。當測量點距離樁中心大約2m時，土體的垂直位移明顯小于水平位移。這一現象揭示了在距離樁體較遠的區域，土體的移動主要傾向于水平方向，而垂直方向的位移則相對較小。

3.4沉樁結束后土體應力分布規律

詳盡展示了混凝土預制樁沉樁作業完成后，樁周土體內部應力分布的詳細情況。仔細審視這張圖，可以清楚地觀察到，在整個沉樁過程中，徑向應力和豎向應力有一個共同之處，即樁端處達到應力最大值。樁端的應力向外四周進行輻射，并且在輻射的過程中不斷減弱。可以觀察兩張應力分布圖，在樁端位置處的徑向應力輻射范圍要大于豎向應力的輻射范圍，這說明，徑向應力的影響要顯著大于豎向應力。

為了深入探討這兩種應力的影響范圍，將圖和圖進行結合來看，可以得出結論：徑向應力和豎向應力的影響范圍差距較大，徑向應力的輻射范圍約是豎向應力的倍。值得一提的是，樁端位置處，豎向應力在豎向上影響范圍要比徑向在豎向上的影響范圍更廣。

詳細展示了在沉樁作業完成后，樁周土體在不同深度處的附加應力分布情況。從圖中可以看出，在H=12m處，徑向應力隨著距離樁中心線距離不斷加大而迅速降低。在H=12m處的豎向應力也呈現出同樣的趨勢，但其在距離樁中心線0.8m左右時，出現了負值，約20kPa，這說明，在H=12m，且距離樁中心0.8m處出現了拉應力，隨后拉應力逐漸減少，直到歸零。徑向應力在其他位置處的曲線也和H=12m處的曲線類似。這種現象主要是由于在混凝土預制樁沉樁過程中，樁體對周圍土體的拖拽產生的。豎向應力大體出現的規律是，隨著樁體的不斷深入，豎向應力先出現減少，而后短暫的上升，緊接著再次減少直至消失。這些應力變化揭示了土體在沉樁過程中的動態反應，對于掌握樁土相互作用的機制至關重要。

展示了沉樁作業完成后，距離樁中心不同距離的應力分布情況，根據圖中的信息可知，在樁端處的徑向應力和豎向應力最大，并且可以看出，在同一深度處，豎向應力要遠小于徑向應力。在距離樁中心3R的位置，土體的徑向應力在4.5m的深度區間內急劇上升；隨后在4.511.5m的深度區間內緩慢增長；在大約12.2m的深度處，徑向應力迅速上升后又迅速下降；并在大約14m的深度處接近于零。距離樁中心6R9R的位置，土體的徑向應力垂直分布趨勢與距離樁中心3R處相似。而在距離樁中心 1R 的位置，土體的徑向應力和豎向應力表現出較大的波動，分析原因可能是該區域靠近樁身，屬于強擾動區，因此受到樁側摩擦力的影響較為顯著。

如圖和圖所明確展示，混凝土預制樁沉樁作業不僅僅影響樁體周圍的一定區域，同時也對樁端下方的一定區域產生影響。圖10詳細描繪了沉樁作業結束后，樁端下方應力分布格局的演變過程。從圖中可清晰觀察到，在樁端相鄰的一定區域內，出現了應力的最大值，徑向和豎向均出現在土體深度約13m處，隨著土體深度的加深應力迅速降低，跌至沉樁前的應力水平。

深入分析此現象背后的原因，當沉樁深度達到12.2m時，介于12.213.7m深度區間的土體被擠壓的程度較大，致使該范圍的應力水平發生較大的變化。然后沉樁深度從13.7m繼續加深時，會在大約3m左右的區域存在應力的釋放過程，因此會造成應力值低于初始應力。而當沉樁深度超過16.2m時，土體應力狀態則維持在一個穩定的水平，不會受沉樁深度的增加而變化。

總結

本文基于沉樁的擠土機理相關理論基礎，對混凝土預制樁沉樁對周圍土體的變形影響進行了深入研究，采用CELControlled Elastoplasticity）方法進行建模，對實際的工程項目進行真實的模擬，得出如下結論：

）在進行混凝土預制樁的沉樁作業時，可以觀察到樁周圍的土體位移呈現出一個特定的變化趨勢。具體來說，在沉樁的初始階段，樁周圍的土體位移會逐漸增加，這是因為樁體的進入對周圍土體產生了擠壓和擾動。然而，這種位移的增加并不會持續太久，隨著沉樁作業的繼續進行，土體位移會迅速減少。這一現象的原因在于樁身對周圍土體的拖拽效應隨著沉樁深度的增加而逐漸減弱。換句話說，樁體在進入土層的過程中，其對周圍土體的牽引力會逐漸減小，導致土體位移的減少。此外，隨著距離樁體的距離不斷加大，土體位移會進一步減少。這是因為樁體對土體的擾動影響隨著距離的增加而逐漸減弱，土體的穩定性逐漸恢復。因此，可以得出結論，混凝土預制樁在沉樁過程中，樁周圍的土體位移會先增加，然后迅速減少，而隨著距離樁體的距離不斷加大，位移會逐漸減少，這主要是由于樁身對周圍土體的拖拽效應在減弱所致。

）在進行沉樁作業的過程中，可觀察到樁體在豎直方向上的應力波動幅度顯著地超過了其豎向位移的變化。具體來說，當樁體在沉入過程中穿越某些特定的深度時，樁體的徑向應力與豎向應力在樁尖的位置會發生明顯的突變現象。這種突變表現為應力值的急劇增加或減少，隨后這種應力變化逐漸減弱，直至趨于穩定狀態。這一現象在土木工程領域中具有重要的研究和應用價值，因為它直接影響到樁基的承載能力和穩定性。

）在完成沉樁施工之后，可以明顯觀察到樁周的水平位移顯著減少。具體來說，在樁周的各個位置，豎向位移的數值逐漸增大，而水平位移則相對較小。這種現象表明，隨著沉樁施工的結束，樁體周圍的土體結構得到了一定程度的穩定，從而使得水平位移得到了有效的控制。尤其是在樁周的近處，豎向位移的增加更為顯著，這可能是因為樁體的插入對周圍土體產生了較大的垂直壓力，導致豎向位移相對較大。總體而言，沉樁施工結束后，樁周的水平位移大幅度減少，而在越靠近樁周的地方，豎向位移則大于水平位移。

）在進行沉樁作業的過程中，樁體周圍的土體會在樁尖區域形成一個應力集中的區域。這種應力集中區域是指在樁尖附近的土體中，由于樁體的插入和壓力傳遞，導致應力在該區域高度集中。應力以樁尖為起點，向四周逐漸擴散并逐漸減弱。在這個過程中，徑向應力和豎向應力在樁尖位置達到最高點，隨后迅速降低。隨著距離樁尖的增加，應力值會逐漸減小，直至在一定距離后趨于穩定。這種應力分布的特性對于沉樁過程中的土體穩定性、樁體承載力以及周圍環境的影響評估具有重要意義。

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供稿人：呂琳，李宏強等

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標準規范】

《建筑固廢再生砂粉應用技術規范》行標

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術規程》CECS

《預拌混凝土使用說明書》團標

《砂漿和混凝土用石屑》團標

《預拌混凝土產品質量追溯規范》團標

【會議培訓】

2025全國混凝土行業創新發展與廢棄物資源再生技術交流大會

第十屆全國建筑固廢和尾礦泥漿處理及資源化利用大會暨中國砂石協會建筑固廢利用分會年會

2025第二十一屆全國商品混凝土可持續發展論壇暨2025中國商品混凝土年會

預拌（商品）混凝土應用技術和工藝技能線上培訓

混凝土（砂漿）試驗檢測方法實操教學線上培訓

【咨詢服務】

科技成果評價

預拌混凝土質量追溯研究

高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢

課題研究

研發中心建設

產品檢測

綠色建材產品認證

[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等

【建材“雙碳”業務】

低碳膠凝材料研發與制備

復合摻合料和再生復合摻合料研發與制備

建筑垃圾處置與資源化利用

建筑垃圾再生砂粉應用技術

建筑垃圾再生輕粗骨料技術

碳化再生骨料制備技術

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《新技術在混凝土中的應用》圖書

《常見預拌混凝土質量事故分析百例》圖書

《預拌混凝土企業標準化試驗室建設指南》圖書

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