孫世光 張鳳亮

超孔隙水壓力是影響軟土地基中樁基設(shè)計(jì)和施工的重要因素。在飽和軟土中沉樁,由于樁的擠壓作用,樁要排開同體積的土體,使周圍土中的應(yīng)力場發(fā)生很大變化,會(huì)產(chǎn)生很高初始超孔隙水壓力[1,2],沉樁后超孔隙水壓力會(huì)逐漸消散,但消散較緩慢,這種超孔隙水壓力的存在,不僅影響著樁的承載力,而且還妨礙了施工的進(jìn)度,甚至還會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生很大的影響。因此,研究沉樁引起的超孔隙水壓力大小、分布及消散規(guī)律對研究樁基承載力和樁周土固結(jié)有著重要意義。

2 孔壓計(jì)埋設(shè)情況

試驗(yàn)時(shí),量測了群樁壓入土體后的超孔隙水壓力的變化,在樁群內(nèi)外不同位置和深度的土體共埋置了5只孔壓計(jì)(U1～U5),孔壓計(jì)分別埋入離樁中心外不同距離和深度處,其布置方法見圖2。在壓樁過程中對各測點(diǎn)超孔壓進(jìn)行同步測量,各測點(diǎn)在不同工況下的超孔壓值列于表2。

1 群樁模型試驗(yàn)情況

群樁模型試驗(yàn)在尺寸為1 000 mm(長)×1 000 mm(高)×800 m(寬)的模型箱內(nèi)進(jìn)行,按一定的相似比進(jìn)行模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)土樣取自天津淺層海相軟土,經(jīng)過晾曬、破碎、填箱、加壓固結(jié)等過程,壓樁前進(jìn)行了土工試驗(yàn),土性參數(shù)見表1。

表1 壓樁前土性參數(shù)

表2 各測點(diǎn)處超孔隙水壓力值

模型樁選用長(L)為500 mm、直徑(D)為30 mm的有機(jī)玻璃棒,樁間距采用4D,模擬9根群樁擠土情況,由于對稱性,靠玻璃板的模型樁做成了半樁。樁體布置圖見圖1。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 超孔隙水壓力徑向變化分析

由表2,圖3可見,當(dāng)單樁沉樁時(shí),先沉入樁對測點(diǎn)附近土體擾動(dòng)較少,因此此時(shí)各測點(diǎn)超孔壓值變化也較少(工況一)。隨著群樁的不斷壓入,沉樁產(chǎn)生的初始超孔隙水壓力在相同深度處的水平方向,隨著測點(diǎn)至樁軸距離的加大而呈非線性減小,這與大量實(shí)測資料和模型試驗(yàn)結(jié)果[3,4]基本一致。樁群中超孔隙水壓力要大于群樁外的孔壓值;超孔壓的產(chǎn)生范圍約在單樁直徑的5D以內(nèi),其外土體的超孔壓將變得很小。

3.2 超孔壓沿深度的變化

本次模型試驗(yàn)沿樁側(cè)在兩個(gè)深度位置埋設(shè)了孔壓計(jì),分別為土層面下250 mm處的 U1,U3,樁端處的U2,U4。雖然測點(diǎn)較少,但還是看到隨著測點(diǎn)深度的增加,在樁長范圍內(nèi),超孔隙水壓力也是不斷增加的,且較深處超孔壓值增加幅度大于樁間淺層土中超孔壓值(見表3)。另一方面,群樁施工后所產(chǎn)生的最大超孔隙水壓力與有效上覆壓力比值與測點(diǎn)埋深有關(guān),在樁群淺層土中的超孔壓值僅為上覆壓力值的59%,而位于樁群深度500 mm測點(diǎn)處的超孔隙水壓力值達(dá)到上覆土壓力的82%。

表3 不同工況下不同深度處超孔壓比值

3.3 沉樁順序的影響

本次模型試驗(yàn)采用倒“Z”字形壓樁順序依次將模型樁壓入土中。隨著樁的不斷壓入,測量各點(diǎn)超孔壓值呈不斷增長趨勢。由于壓樁順序影響,當(dāng)沉樁位置與測點(diǎn)相距很近時(shí),會(huì)導(dǎo)致該點(diǎn)超孔隙水壓力的猛然上升,從表2中可以看出在壓入第2根樁(工況二)時(shí),樁側(cè)附近測點(diǎn) U1和U2分別升高了 126%和177%;在壓入第5根樁(工況五)時(shí),樁側(cè)附近測點(diǎn) U3和 U4分別升高了135%和109%,U5值增加緩慢,僅當(dāng)工況五時(shí)該測點(diǎn)才稍有升高。由表2還可以看出,群樁各處測點(diǎn)位置的超孔壓值是不斷累積的,但樁群中心處超孔壓值比樁周累積值要大,而且超孔壓隨著深度的增加而增加。超孔隙水壓力隨孔壓計(jì)與沉樁點(diǎn)的距離變化而變化,沉樁方向趨向測點(diǎn)時(shí)超孔壓增大,在測點(diǎn)附近達(dá)到最大;背向測點(diǎn)時(shí)超孔壓減小,下降速率由快到慢。

3.4 超孔壓的消散

目前,人們對超孔隙水壓力的消散問題進(jìn)行了理論分析[5,6],本文就模型試驗(yàn)對沉樁引起的超孔隙水壓力消散進(jìn)行了實(shí)測。

圖4給出了試驗(yàn)各處超孔壓值隨著時(shí)間的增加超孔壓的消散情況。U5距離群樁外較遠(yuǎn)處,因此該處的超孔隙水壓力消散較快,3 d左右便趨于緩和。其他各測點(diǎn)在5 d～15 d期間孔壓消散至緩和,15 d～30 d期間各測點(diǎn)超孔隙水逐步消散并趨近于零。

沉樁結(jié)束以后很長一段時(shí)間,孔隙水壓力才會(huì)逐漸消散,周圍土體會(huì)發(fā)生再固結(jié),而再固結(jié)將導(dǎo)致土體有效應(yīng)力增加,因此,樁的承載力也會(huì)隨著時(shí)間而逐漸增加,但同時(shí),再固結(jié)將導(dǎo)致樁間土下沉,產(chǎn)生樁的負(fù)摩阻力,對樁基工程十分不利。

4 結(jié)語

1)超孔隙水壓力隨著沉入土體內(nèi)樁數(shù)的增加而不斷積累,且積累到一定程度后變化幅度變緩。最初沉樁時(shí)由于擾動(dòng)程度低,故土體內(nèi)部超靜孔壓變化幅度較小,但隨著沉入樁數(shù)的不斷增加而顯著增大。2)沉樁產(chǎn)生的初始超孔隙水壓力在水平方向,隨著測點(diǎn)至樁軸距離的加大而呈非線性減小,超孔壓的產(chǎn)生范圍約在5倍樁徑;在樁群范圍內(nèi),隨著測點(diǎn)深度的增加,超孔隙水壓力是不斷增加的,且外側(cè)增加幅度大于樁群區(qū)域的土中。3)沉樁順序?qū)Τ讐旱挠绊懞苊黠@,沉樁方向趨向測點(diǎn)時(shí)超孔壓增大,當(dāng)沉樁位置與測點(diǎn)相距很近時(shí),會(huì)導(dǎo)致該點(diǎn)超孔隙水壓力的猛然上升并達(dá)到最大;背向測點(diǎn)時(shí)超孔壓減小,下降速率由快到慢。4)超孔隙水壓力的消散與土體的滲透性有關(guān),消散要經(jīng)過一個(gè)緩慢的過程,群樁施工時(shí)要注意采取能使孔隙水快速排除的措施,以減小沉樁擠土效應(yīng)。

[1] Randolph M F,Carter J P,Wroth C P.Driven piles in clay-the effects of installation and consequent consolidation[J].Geotechnique,1979,29(4):361-393.

[2] 施鳴升.沉入粘土中的樁的擠土效應(yīng)探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1983(1):60-70.

[3] 姚笑清,胡中雄.飽和軟粘土中沉樁引起的孔隙水壓力估算[J].巖土力學(xué),1997(4):30-35.

[4] 陳 文.飽和軟粘土中靜壓樁擠土效應(yīng)的離心機(jī)模型試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1999(6):103-109.

[5] 夏建中,謝永利.橫觀各向同性土體固結(jié)中孔壓消散規(guī)律研究[J].中國公路學(xué)報(bào),1998,11(4):38-41.

[6] 方詩圣.飽和多孔介質(zhì)空間Biot固結(jié)問題的狀態(tài)變量法研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2002:6.