软土地区桩基施工群孔效应对周边环境的影响机理及控制策略研究

The deformation of the ground must be strictly controlled when there are many buildings, tunnels and municipal pipes around the construction site in the city. The construction of boreholes of pile foundation can cause large ground deformation in soft soil area because of the bad soil condition. During the construction process of the pile foundation, if the boreholes are started from the ground surface or the elevation above the pile top, a large amount of hollow boreholes will be left in the soil strata when they are not refilled or not refilled in time. The superposition of the lateral unloading effects of the hollow boreholes can lead to significant deformation and settlement of the adjoining soil, and cause cracking, subsidence, or even collapse of the adjacent buildings, tunnels and pipes. This problem is named borehole group effect in this research..This project aims to investigate the borehole group effect systematically through field monitoring, centrifuge test and numerical simulation. The interaction and superposition mechanism of large amount of hollow boreholes, the influence of the boreholes on the lateral stiffness of the soil, and the magnitude and range of the influence of borehole group effect on the environment under different conditions will be researched. Finally, the simplified calculating method to evaluate the soil deformation caused by borehole group effect and the control methods to minimize the influence of the borehole group effect on the environment will be proposed to provide reference about predicting and controlling the influence of the borehole group effect for the designers and constructors.

目前城市中施工场地周边密集的建筑物及隧道管线等对地层的变形限制非常严格，软土地区土质条件差，桩成孔引起的周边地层变形不容忽视。桩基施工过程中，自地表或桩顶标高以上开始成孔时会在地层中留下空桩孔，若回填不及时或未回填，便会在土体中形成大量空桩孔。这些空桩孔的水平卸荷作用相互叠加，可以引发周边土体较大的变形及沉降，进而造成周边建筑物、隧道、管线发生开裂、沉降，甚至垮塌等灾害，此问题在本研究中称为群孔效应。.本项目拟通过对软土地区群孔效应进行工程实测、离心机试验及数值模拟等多种手段的系统研究，探索大量空孔的相互作用及叠加机理，研究空孔对土体抗侧移刚度的影响，以及不同条件下群孔效应的影响大小及范围，提出预估群孔效应引发周边土体变形的简化计算方法，最终提出减小和避免群孔效应对周边环境影响的控制措施，从而为设计施工人员准确预估桩基施工对周边环境的影响、正确采取相关控制措施提供参考。

软土地区地下水位高，土质软弱，土体受工程活动影响较大。在这类地区进行灌注桩及CFG桩基施工时从桩顶标高至地表范围内会留下空孔，工程案例表明，当大量空孔同时存在时，其对周围环境会造成较大影响，即群孔效应。本研究利用工程实测、离心机试验及数值模拟等多种方法，对单孔及群孔引发周边地层变形的规律及群孔效应的内在机理进行了研究。对于大量桩孔较难模拟的问题，提出了多孔合并法等简化模拟方法。针对群孔效应对周边环境的影响提出了提前施工地连墙等几种控制措施。主要内容如下。.（1）利用有限元模拟对单孔及群孔引发周边地层变形的规律进行了研究。结果表明，群孔引发的周边地表沉降与孔数呈对数关系，孔数增大到一定值时沉降不再显著增长。孔数较少时，群孔效应引起的周边深层土体竖向和水平向变形最大值均位于距地表一定深度处。随着孔数增多，最大值位置逐渐转移至地表并呈现三角形变形模式。群孔效应的主要影响区为孔底标高以上、距群孔边界2倍孔深以内区域。.（2）离心机试验进一步验证了群孔效应的严重影响，基于试验和数值模拟结果，通过孔周应力变化及孔周土体变形分析揭示了群孔效应的内在机理。结果表明，单孔情况下周围土体中会出现水平环向应力拱和竖向应力转移，有效限制孔壁内缩变形。而当大量空孔存在且孔间距较小时，孔周边土体水平和竖向应力拱相互影响削弱导致每个空孔的内缩变形均大于单孔时的变形值，这是群孔效应引发周边土体变形严重的主要原因。.（3）针对群孔效应对周边环境的影响，提出了提前施工地连墙、空孔回填及提前施工第一道支撑等控制措施。结果表明三种措施均具有显著效果，回填整个群孔区域外围一定排数空孔即可起到较好效果；提前施工第一道支撑，可以大幅度增加围护结构的抗侧移刚度，进一步减小围护结构的水平变形。.（4）为解决实际工程中大量空孔情况下群孔效应较难模拟的问题，提出了多孔合并法和等效基坑法等简化模拟方法，并利用工程案例进行了对比与验证。