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        飽和砂中靜壓沉樁對(duì)超孔隙水壓力的影響

        2015-10-20 09:20:52周蘭蘭
        城市道橋與防洪 2015年8期
        關(guān)鍵詞:深度

        周蘭蘭

        (上海浦江橋隧隧道管理有限公司,上海市200123)

        飽和砂中靜壓沉樁對(duì)超孔隙水壓力的影響

        周蘭蘭

        (上海浦江橋隧隧道管理有限公司,上海市200123)

        通過采用模型試驗(yàn),研究直徑為37 mm的閉口模型樁靜壓沉樁時(shí),飽和砂中的超孔隙水壓力的產(chǎn)生規(guī)律。發(fā)現(xiàn)飽和砂中沉樁引起的超孔壓沿徑向遠(yuǎn)離樁身表面的時(shí)候,超孔隙水壓力先增大后減小,超孔隙水壓力最大值發(fā)生在距樁身表面徑向距離r=2D(D是樁徑)處。沿深度方向,中間部分的土體中超孔壓最大,上部和下部的土體中產(chǎn)生的超孔隙水壓力較小。最后采用離散元軟件研究了靜壓沉樁速度對(duì)超孔隙水壓力的影響,發(fā)現(xiàn)沉樁速度越快,所產(chǎn)生的超孔壓越大。

        模型試驗(yàn);靜壓樁;錘擊沉樁;超孔隙水壓力;離散元;沉樁速度

        0 引言

        傳統(tǒng)的沉樁工法對(duì)環(huán)境有較大的影響,通常會(huì)產(chǎn)生較大的噪音[1-3]或者引起結(jié)構(gòu)的破壞開裂[4]。隨著對(duì)文明施工的要求愈發(fā)嚴(yán)格,在人口相對(duì)密集的城市中,對(duì)傳統(tǒng)沉樁工法的使用有所限制。因此,近些年靜壓沉樁工法相較于傳統(tǒng)的沉樁工法得到了較為廣泛的采用。靜壓樁是通過靜力壓樁機(jī)的壓樁機(jī)構(gòu)以壓樁機(jī)自重和機(jī)架上的配重提供反力而將預(yù)制樁壓入土中的沉樁工藝。完全避免了錘擊打樁所產(chǎn)生的振動(dòng)、噪音和污染,因此施工時(shí)具有對(duì)樁體無(wú)破壞、施工無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)沖擊等優(yōu)點(diǎn)[5],如圖 1所示。

        圖1 各類沉樁對(duì)環(huán)境影響的示意圖[6]

        然而,同普通的預(yù)制樁一樣,在靜壓樁的沉樁過程中會(huì)有超孔隙水壓力的產(chǎn)生。靜壓沉樁引起的超孔隙水壓力的產(chǎn)生,以及后續(xù)的消散都將影響樁體的承載力。很多學(xué)者[7-8](Airhart,1967;Tanand Lin,2012 )在其研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)由沉樁引起的超孔隙水壓力隨著時(shí)間消散之后,樁體的承載力有明顯的提升。待超孔壓完全消散之后,飽和軟粘土中的樁體承載力是超孔壓未消散時(shí)候的兩倍之多。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中考慮到超孔壓的產(chǎn)生或消散對(duì)樁體的承載力的影響是非常重要的。因此研究超孔壓的產(chǎn)生和消散規(guī)律具有較為實(shí)際的意義。

        然而,現(xiàn)有的研究[9-10]大多集中在研究靜壓沉樁對(duì)飽和軟粘土中的超孔隙水壓力的影響。在采用傳統(tǒng)沉樁工法的時(shí)候,普遍認(rèn)為飽和砂土處于排水狀態(tài)[11],因此對(duì)沉樁在砂土中引起的超孔壓的研究較少。隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展,靜壓沉樁速度相較于傳統(tǒng)的沉樁工法較快,在靜壓沉樁過程中,砂土中產(chǎn)生的超孔壓尚未來(lái)得及完全消散,在沉樁過程,以及沉樁完成之后飽和砂土中明顯存在超孔隙水壓力?;诖?,本文主要通過模型試驗(yàn)和離散元研究了靜壓沉樁過程飽和砂土中超孔壓的產(chǎn)生及消散規(guī)律,以及沉樁速度對(duì)土體中超孔壓的影響。

        1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

        鑒于模型試驗(yàn)相較于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)具有可重復(fù)性高,節(jié)約成本,以及研究周期短等特點(diǎn),該項(xiàng)研究主要通過模型試驗(yàn)展開。

        1.1 模型試驗(yàn)的簡(jiǎn)介

        模型試驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)模型箱中進(jìn)行。模型箱的尺寸為1 m×1 m×0.9 m(見圖2)。

        圖2 模型箱和加載系統(tǒng)示意圖(單位:mm)

        所采用的鋁制模型樁直徑為37 mm,長(zhǎng)度為580 mm。千斤頂勻速地將模型樁壓入到土體之中。砂土采用分層飽和法進(jìn)行制備,填砂到一定深度的時(shí)候暫停填土,然后進(jìn)行微型孔壓計(jì)的布設(shè)。微型孔壓計(jì)沿深度方向布設(shè)了五層,深度分別為125 mm,250 mm,375 mm,500 mm,550 mm;距離樁身表面的徑向距離分別為:1D,2D,3D,5D(D為模型樁的直徑)。微型孔壓計(jì)的平面布置如圖3所示。

        圖3 微型孔壓計(jì)的平面布置圖

        1.2 砂土的性質(zhì)

        試驗(yàn)開始前對(duì)試驗(yàn)用砂進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)。篩分曲線如圖4所示。

        圖4 篩分曲線圖

        從篩分曲線圖可知試驗(yàn)用砂為中細(xì)砂。篩分曲線較陡,粒徑大小相差不大,土粒較均勻,級(jí)配不良。根據(jù)篩分試驗(yàn)進(jìn)一步得到的砂土的顆粒級(jí)配指標(biāo)如表1所列。

        表1 砂土的顆粒級(jí)配指標(biāo)一覽表

        砂土鋪設(shè)完畢之后對(duì)飽和的試驗(yàn)用砂進(jìn)行了原位觸探試驗(yàn),繪制出qc,fs隨深度變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

        圖5 飽和砂中的靜力觸探曲線圖

        根據(jù)CPT試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為試驗(yàn)用砂的密實(shí)度介于極松和疏松之間。

        1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        該項(xiàng)室內(nèi)模型試驗(yàn)通過微型孔隙水壓力計(jì)記錄了靜壓沉樁及錘擊沉樁過程中,飽和砂土中超孔隙水壓力的產(chǎn)生,以及后續(xù)的消散規(guī)律。

        埋深為125 mm,距樁身表面的徑向距離為r=1D測(cè)點(diǎn)A1處的超孔壓隨沉樁深度的發(fā)展如圖6所示,125 mm深度的土體處沒有明顯的超孔隙水壓力產(chǎn)生。故主要研究深度為250~550 mm土體處的超孔隙水壓力。

        分析表層砂土中沒能監(jiān)測(cè)到明顯的超孔壓的原因,一方面由于砂土本身的透水性較高,另一方面在沉樁過程引起表層土體發(fā)生隆起,表層土體中形成較良好的排水通道,故表層土體中未能產(chǎn)生明顯的超孔隙水壓力,試驗(yàn)記錄了沉樁過程中各個(gè)測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的超孔隙水壓力的峰值,繪制出的沉樁過程中超孔壓云圖如圖7所示。其中縱坐標(biāo)為深度的無(wú)量綱化,橫坐標(biāo)為徑向距離的無(wú)量綱化。

        圖7 超孔壓峰值云圖

        為了分析沉樁引起的超孔壓峰值沿深度和沿徑向的分布規(guī)律,在圖7中距離樁身徑向距離為1.5D處繪制一條豎直線,在深度為 375 mm (9.375)處繪制一條水平線。

        根據(jù)圖7的水平橫線可以看到,沉樁引起的超孔隙水壓沿徑向原理樁身表面的時(shí)候,超孔壓先增大后減小。沿徑向超孔隙水壓的峰值大致發(fā)生在距離樁身表面距離為r=2D處的位置。小孔擴(kuò)張理論[12]認(rèn)為超孔隙水壓的最大值應(yīng)該產(chǎn)生在樁身表面。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果與小孔擴(kuò)張理論有差別。小孔擴(kuò)張理論假設(shè)沉樁過程是平面擴(kuò)張的過程,沒能夠考慮到樁與土之間的摩擦作用。在實(shí)際的沉樁過程中,樁與土之間的摩擦使得距離樁身表面較近的砂土摩擦受拉,可以形成較好的排水通道,故沉樁產(chǎn)生的超孔壓在緊鄰樁身表面處并非最大,最大值發(fā)生在距樁身表面徑向距離r=2D處。

        從圖7中的豎向直線可以看到產(chǎn)生的超孔壓峰值沿深度方向的分布規(guī)律。

        可見,隨著深度的增加,沉樁引起的超孔隙水壓先增大后減小。上部和底部砂土中的超孔壓明顯小于中部土體的超孔壓。上部土體在沉樁的過程中易發(fā)生隆起,形成良好的排水通道,故產(chǎn)生的超孔壓較小;由于模型樁尖為三角錐,相對(duì)于圓柱體積較小,在沉樁完成后對(duì)下部分土體的擠土效應(yīng)相較與對(duì)中部土體的擠土效應(yīng)要小,故底部土體的超孔壓也比較小。

        2 離散元模擬

        本文通過離散元研究了沉樁速度對(duì)超孔壓的影響規(guī)律。有學(xué)者[13]認(rèn)為孔隙壓力的變化值同一定土體體積的減小值呈正比?;诖嗽?,本文利用離散元進(jìn)行了干砂條件下的數(shù)值模擬,通過監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)土體處的孔隙的變化從而達(dá)到監(jiān)測(cè)超孔壓變化的目的。對(duì)于離散元,不能夠精確地給出某一點(diǎn)處的孔隙率的變化,而是采用以測(cè)點(diǎn)為圓心,以樁徑為直徑的圓的范圍內(nèi)土體的平均孔隙率近似表達(dá)所研究測(cè)點(diǎn)處的孔隙率。

        2.1 模型簡(jiǎn)介

        由于離散元計(jì)算耗費(fèi)大量的機(jī)時(shí),按照實(shí)際模型的1/20進(jìn)行數(shù)值模擬建模。模型試驗(yàn)的樁長(zhǎng)為580 mm,沉樁深度為570 mm,樁徑為37 mm,填砂深度為80 cm;據(jù)此離散元模擬的樁長(zhǎng)為29 mm,沉樁深度為28.5 mm,模型樁徑為1.85 mm。

        2.2 模擬結(jié)果

        對(duì)1 cm/s和2 cm/s的沉樁速度進(jìn)行對(duì)比性模擬研究,圖8給出了埋深為25 mm,徑向距離r=2D測(cè)點(diǎn)處的孔隙率隨沉樁深度的變化圖。從圖8可見沉樁速度越快,孔隙率越小,則產(chǎn)生的超孔壓越大。

        圖8 不同沉樁速度下的孔隙率變化曲線圖

        3 結(jié)論

        本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和相關(guān)的數(shù)值模擬研究了靜壓樁對(duì)飽和砂的超孔壓影響規(guī)律,以及沉樁速度對(duì)超孔隙水壓力的影響。得出以下主要結(jié)論:

        (1)靜壓沉樁在砂土中引起的超孔隙水壓沿徑向遠(yuǎn)離樁身表面,先增大后減小。沿徑向超孔壓的最大值產(chǎn)生在r=2D處。

        (2)超孔隙水壓沿深度方向先增大后減小,最大值發(fā)生在樁身中部所對(duì)應(yīng)的土體中。

        (3)通過數(shù)值模擬研究,沉樁速度越快則靜壓沉樁引起的超孔隙水壓力越大。

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        TU441

        A

        1009-7716(2015)08-0207-03

        2015-04-13

        周蘭蘭(1981-),女,江蘇人,碩士,工程師,副總工程師,研究方向:市政工程。

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