挤土效应的理论分析及评价
摘要：静压管桩在近年来的施工中得到了广泛的应用，静压管桩是一种挤土桩，而在挤土作用下，桩对周围的环境有一系列的影响，严重的时候可能对周围的建筑物造成影响，发生事故。所以，如果能够估计出产生的挤土效应的影响力，并且能够采取适当的措施是非常必要的。本文就挤土效应的理论分析进行了简述，对圆孔扩张法、应变路径法和有限元法进行了论述。
关键词：挤土效应；圆孔扩张法；应变路径法；有限元法
0.引言
近几十年来，静压管桩基础因具有单桩承载力高，地质条件适应性很强，无噪音无污染的施工优点，所以在公路桥梁和高层建筑的建设中得到了广泛的应用。静压管桩是一种挤土桩，在沉桩的过程中，靠近桩端的土体会发生极限破坏，最终形成塑性流动的状态，并且向桩端以下和桩侧排开，在桩端形成4～6倍桩径的球形扰动区。桩端的嵌入，是由于土体的压密、开裂，但是与此同时桩侧土体发生了竖向的位移（隆起）和水平向的位移。桩体表面和土体接触产生相对的滑动和摩擦作用，因此桩土接触面上产生了较大的剪切作用，这种力也使得桩侧土体产生了相对桩体的竖向位移以及变形。现阶段对单桩挤土效应的分析有圆孔扩张法、应变路径法和有限元法三种。
1. 圆孔扩张理论分析（cem）
圆孔扩张法还可以分为柱形扩张理论和球形扩张理论，这种方法的形式比较简单，力学的原理也很明确，所以在力学和土木工程领域被广泛的应用。
圆孔扩张法（cavity expansion method）桩在沉桩的过程中，除了桩端部分土体和接近地面的浅层，大部分的桩身周围的土体形成类似于一圆柱扩张引起的变形[1～4]。
基本假定：
土是饱和的、均匀的、各向同性的理想弹塑性材料；
孔在无限的土体中扩张，土体是不可压缩的；
不受静水压力影响的土体屈服服从tresca屈服准则或mohr-coulomb屈服准则；
孔在扩张前，土体具有各向等同的有效应力。
对于圆孔扩张问题的理论研究，国内外的学者都做出了很大的贡献。圆孔扩张理论可以很好的给出轴对称或球对称的情况下，应力场、应变场及孔隙水压力的情况，可以把复杂的施工过程简单化，虽然与实际不是完全相符，但是可以有效的分析应力场位移场的变化。
2.应变路径法（spm）
baligh【5，6】认为圆孔扩张理论的应用只适用于对旁压试验结果的分析，如果将其应用在深基础的问题上就不适用，由此他提出了适用于深基础问题的方法—应变路径法（strain path.method）。spm的关键在于其假定在深基础的问题上，即使在不考虑土体本构的模型计算结果也有足够的精度。所以假设在各向同性并且均质的土体中，使用流体力学中源的概念，假设为一个均匀并且是竖直方向的流场和一个点源想结合，模拟一个桩打入土体的过程（假设桩是一个光滑圆头的桩）。此时可以根据流速在流线的方向上对时间
积分得到的位移场算出土体的变形，然后用位移的微分得到应变。
经过研究认为：a．径向，土体的变形表现为向外扩张，变形的大小满足体积守恒。b．竖向，土体开始的时候主要的变形变现为贯入方向的向下运动，桩尖位置土体发生转动，转动的程度主要取决于桩尖的几何形状；若某区域相距较远，土体单元位置下降之后还是可以恢复到原来的位置。
和圆孔扩张法相比，应力路径法所采用的假定更加的接近实际情况，因为它考虑到了附加竖向流场；就可以考虑在贯入的过程中，土体的形变和竖向坐标的关系，并可以将匀速贯入的连续性考虑在内；应力路径法是有关流速势函数的分析，所以可以更加直观的得到土体位移、应变的分布。
虽然有着很多的优势，但是这种方法还是存在一些问题：○1大多数的研究者只关心地表隆起及径向位移，但是对土体内部的位移场却没有很多的关注，所以如何利用spm法计算土体内的位移场尤为重要。○2桩型的选取对静压管桩挤土的效应也存在很大的影响。○3spm的研究是在小应变的假定的基础上得到的，而实际压桩的过程中存在着大应变，会造成与实际不符。○4在应变路径法的假定中，将定土体是均匀的不可压缩的，对挤土而言，会产生大变形发生塑性体积变化，所以为了很好的利用spm，需要考虑塑性区的体积变化。○5压桩过程中，桩与土的截面相互挤压，然后发生滑移，所以接触摩擦式会对位移场产生影响，而这种方法没有考虑接触面。
3.有限单元法（fem）
理论上推导得到的解析解答也只是在有限的范围内对挤土效应问题进行了分析，可是应用有限单元法则可以模拟桩体贯入土中这一个复杂的过程，从而解决之前不能解决的非
线性问题。由于以上的原因很多学者利用有限单元法对挤土问题进行了深入的分析。
模拟压桩一般有以下三种方式：圆孔扩张、应力贯入、位移贯入。如图2所示：
和应力贯入法相比位移贯入法是相对应的，是通过在桩顶施加位移还实现压桩的这个过程，也是和实际情况很符合的，而且这种方法耗时短。
2003年张明义等人利用这种方法分析比较深的预钻孔的桩被压入土体的过程，并且也充分了考虑弹塑性本构关系的问题。和mabsout的思路有相似的地方，可以计算承载能力可是没有接触面不能分析整个压桩的过程。
虽然有限元分析方法是比较完善的考虑各种问题如土体本构关系、发生的大变形还有土和桩的相互作用，可是还是存在一些问题的：○1压桩的过程应该符合实际情况○2研究挤土效应，水平位移和竖向位移是分析的重点，但以上采用的有限元方法中并没有给出整个压桩深度内的土体位移场，大部分只是对应力场做了定量的分析。○3群桩的挤土效应分析中，施工顺序对其有很大影响，所以也需要结合实际的情况进行分析。○4程序涉及到非线性的复杂问题，所以需要很多的时间运行，如果方法不恰当，浪费时间还不能有效的分析问题。
4.结束语
随着静压法施工的大规模开展，工程实践中需要对静压桩施工过程中产生的挤土效应进行深入的研究，通过对现有研究的分析可以看出，三种理论计算方法有各自的优点也有缺点，各自适应的情况也不相同。希望施工人员可以根据不同的施工情况，选择适合的方法，有效的预计施工挤土程度，进而有效的控制挤土效应。
5.参考文献
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