靜壓樁擠土效應(yīng)及施工措施試驗(yàn)研究

劉振興 李鏡培 鐘光玉

(1．同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092;2．同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092;3．上海南匯建工建設(shè)(集團(tuán))有限公司，上海201399)

1 引言

靜壓樁的擠土效應(yīng)是巖土工程界廣泛關(guān)注的問題。目前關(guān)于擠土效應(yīng)的理論研究多基于各種假設(shè)，往往不能反應(yīng)現(xiàn)場條件的復(fù)雜性。因此，擠土效應(yīng)的試驗(yàn)研究顯得尤為重要。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。Yang等［1］監(jiān)測了超長H型鋼樁靜力壓入密沙中產(chǎn)生的孔隙水壓力，試驗(yàn)結(jié)果表明，超孔壓在樁尖到達(dá)孔壓計(jì)埋深水平面時(shí)達(dá)到最大值。Hwang等［2］進(jìn)行了預(yù)制樁的擠土效應(yīng)試驗(yàn)，研究了沉樁時(shí)產(chǎn)生的樁周孔隙水壓力、土體位移。李鏡培等［3］通過成層地基中靜壓樁的擠土效應(yīng)模型試驗(yàn)得出，最大徑向與豎向位移均出現(xiàn)在軟硬土層交界面附近。周火垚等［4］進(jìn)行了飽和軟土地基中3根足尺靜壓樁的壓入試驗(yàn)，監(jiān)測了沉樁過程中土體水平位移、孔隙水壓力沿徑向和豎向的變化特性。雷華陽等［5］結(jié)合吹填土地區(qū)管樁擠土效應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果，分析得出沉樁過程中超孔壓影響范圍約為10倍樁徑，土體水平位移在0．2～0．4倍樁長處較大。李國維等［6］、劉漢龍等［7］分別對 PHC 管樁、現(xiàn)澆 X 形樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究。朱向榮等［8］、唐世棟等［9］對單樁沉樁產(chǎn)生的超孔壓大小、分布規(guī)律及影響范圍進(jìn)行了分析，并與理論解進(jìn)行了對比。盡管許多學(xué)者在不同土層、不同樁型條件下進(jìn)行了大量的擠土效應(yīng)試驗(yàn)，但采取預(yù)鉆孔、應(yīng)力釋放孔措施后的擠土效應(yīng)實(shí)測研究較少，尚需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

本文結(jié)合某樁基工程項(xiàng)目，選取3根試樁，分別采取預(yù)鉆孔措施、預(yù)鉆孔和應(yīng)力釋放孔結(jié)合的措施及無措施。通過對不同工況下樁不同貫入深度時(shí)產(chǎn)生的擠土效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，分析樁周土體水平位移、孔隙水壓力沿深度與水平方向的變化規(guī)律，研究不同施工措施對擠土效應(yīng)的影響。

2 工程地質(zhì)概況及監(jiān)測方案

2．1 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)概況

經(jīng)勘查，試驗(yàn)場地位于古河道分布區(qū)，地貌類型屬濱海平原，地貌形態(tài)單一。地表下深度80 m范圍內(nèi)地基土均屬第四紀(jì)濱海河口相、濱海淺海相、沼澤相沉積物，主要由黏性土、粉性土和沙土組成，一般呈水平狀分布。將勘測深度范圍內(nèi)的地基土劃分為7個(gè)層次，每層土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical characteristics of soil

2．2 試驗(yàn)樁布置與監(jiān)測方案

試驗(yàn)樁布置與監(jiān)測方案試驗(yàn)樁采用工程樁，為先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁，型號為HKFZAB 400(200)－12，13，15。樁身混凝土強(qiáng)度等級為C80，樁截面邊長d=400 mm，內(nèi)徑200 mm，樁身長40 m，分三節(jié)(分別為12 m，13 m，15 m)壓入，每節(jié)樁之間采用端板焊接，設(shè)計(jì)單樁抗壓承載力1 350 kN。

本次監(jiān)測試驗(yàn)所用3根試驗(yàn)樁由東向西依次編號為 p1，p2，p3，間距約為15 m，每根試驗(yàn)樁周圍布置2根測斜管和5組孔隙水壓力計(jì)，具體編號如圖1所示。工況1采取了預(yù)鉆孔措施;工況2未采取任何減小擠土效應(yīng)的措施;工況3采取了預(yù)鉆孔加應(yīng)力釋放孔的措施。釋放孔與預(yù)鉆孔直徑均為300 mm，深度均為20 m。兩個(gè)釋放孔間距為1．2 m，距樁中心距離為1 m。

測斜管距樁中心的距離分別為1．5 m，5 m，埋深25 m?？紫端畨毫τ?jì)組距樁中心的距離分別為1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，每組分別在距地表深度 3 m，8 m，15 m，25 m處布置孔隙水壓力計(jì)。在壓樁前、每節(jié)樁壓入后及整根樁壓入后24小時(shí)分別監(jiān)測土體水平位移及孔隙水壓力的變化情況，每根試驗(yàn)樁共監(jiān)測5次。

圖1 樁位及監(jiān)測儀器布置圖Fig．1 Sketch of field testing facilities

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 土體水平位移分布規(guī)律

圖2給出了3種工況下距離樁軸1．5 m(約4d)處土體水平位移在各個(gè)壓樁階段隨深度的變化規(guī)律。從圖2可以看出，各個(gè)工況下的土體水平位移曲線均在地下9 m附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。由表1可以看出，該深度處于砂質(zhì)粉土與淤泥質(zhì)黏土的土層分界處，砂質(zhì)粉土含水率較低、孔隙比較小、壓縮模量較大，而淤泥質(zhì)黏土含水率高達(dá)49．5%，孔隙比為1．42，壓縮模量小，土質(zhì)較軟，因此導(dǎo)致該處土體水平位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。該分布趨勢與李鏡培等［3］所進(jìn)行的模型試驗(yàn)所得結(jié)論是一致的。在軟硬土層交界面處，硬土層土體位移偏小，而軟土層土體位移偏大，故容易使樁產(chǎn)生傾斜或者彎曲。

圖2顯示，工況2由于沒有采取減小擠土效應(yīng)的措施，導(dǎo)致最大土體水平位移達(dá)到25 mm，約為6．3%d(d為靜壓樁邊長)。工況1采取預(yù)鉆孔措施，最大擠土位移為18 mm，工況3采取預(yù)鉆孔加應(yīng)力釋放孔的措施，最大擠土位移減小到了9 mm。故工況3采取的措施最有效地減小了擠土位移。

從圖2(a)、圖2(b)可以看出，第2節(jié)樁壓入后產(chǎn)生的土體水平位移最大，在壓樁結(jié)束靜置24小時(shí)后，土體水平位移自上而下均有一定程度的回彈。以圖2(a)為例，壓樁結(jié)束24小時(shí)后，最小回彈量約為2 mm，出現(xiàn)在地表附近，最大回彈量約為5 mm，出現(xiàn)在黏土層中，平均回彈量約為4 mm。圖2(c)顯示，由于采取了較好的措施，在第2節(jié)及第3節(jié)樁壓樁產(chǎn)生的位移曲線幾乎重合，壓樁結(jié)束靜置24小時(shí)后的位移變化也不明顯。

圖3給出了3種工況下距離樁軸5 m(約12d)處土體水平位移在各個(gè)壓樁階段隨深度的變化規(guī)律。圖3表明，該距離處不同壓樁階段產(chǎn)生的位移值相差不大，位移曲線較為平緩。測斜管c3．2由于距釋放孔較遠(yuǎn)，所測得位移值與c1．2幾乎一樣，而圖3(b)顯示工況2該距離處的擠土位移約為2%d，仍然較其他兩種工況大。說明所采取措施的影響范圍超過了12d。

除工況1中孔壓計(jì)組u1．1在預(yù)鉆孔施工中被整體破壞外，其余水壓力組均監(jiān)測到了孔隙水壓力的變化數(shù)據(jù)。將3節(jié)樁壓樁完成后的超孔壓隨徑向距離的變化規(guī)律表示在圖4中。由于第1節(jié)樁(長12 m)壓入后，僅有3 m與8 m深度處的孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測到了超孔壓，故圖4(c)與圖4(d)中未表示出第1節(jié)樁壓入后的超孔壓。圖例中的第一位數(shù)字1、2、3分別表示第1節(jié)樁壓樁完成后、第2節(jié)樁壓樁完成后、第3節(jié)樁壓樁完成后，第二位數(shù)字表示不同的工況。

從圖4(c)、圖4(d)可以看出，壓樁過程中引起的超孔隙水壓力隨徑向距離的增加而近似成指數(shù)減小。在相同徑向距離處，超孔壓隨著深度的增大而增大，特別是距樁較近處，這種趨勢更加明顯，例如工況2中c2．1水壓力計(jì)組，第三節(jié)樁壓樁結(jié)束后，15 m處超孔壓為68 kPa，而25 m深度處超孔壓為201 kPa。

在預(yù)鉆孔及釋放孔深度范圍內(nèi)，工況2在距樁較近處產(chǎn)生的最大超孔壓要大于其他兩種工況，但隨徑向距離的衰減速度較快。從圖4(c)、圖4(d)可以看出，在距新樁5 m(12d)處產(chǎn)生的超孔壓仍大于5 kPa，說明超孔壓的影響半徑大于12d，在工程實(shí)際中仍要考慮其影響。在該距離處不同工況之間超孔壓仍然有差別，所以預(yù)鉆孔與釋放孔措施的影響范圍也超過12d。

圖2 不同工況下距樁軸1．5 m處土體位移Fig．2 Radial displacement at the distance of 1．5 m from the pile

圖3 不同工況下距樁軸5 m處土體位移Fig．3 Radial displacement at the distance of 5 m from the pile

3．2 超孔隙水壓力分布規(guī)律

圖4 (c)還表明，工況2第3節(jié)樁壓入后產(chǎn)生的超孔壓較第2節(jié)樁產(chǎn)生的超孔壓小，說明超孔壓有一定程度的消散。主要原因可能是:第2節(jié)樁壓入后，由于擠土位移較大，在樁周一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了較多的豎向和水平向的裂縫，為后續(xù)壓樁過程中孔隙水壓力的消散創(chuàng)造了條件，所以在第3節(jié)樁施工后，超孔壓有一定程度的減小。從圖4(b)和圖4(d)中亦可以看出此趨勢。

圖4(b)顯示，超孔壓總體上呈現(xiàn)隨徑向距離減小的趨勢，但是工況1的超孔壓明顯小于其他兩種工況，這是由于現(xiàn)場施工時(shí)距離樁P1較近距離處(約1．5 m)存在另外一根樁的預(yù)鉆孔，充當(dāng)了應(yīng)力釋放孔的作用，導(dǎo)致樁p1周圍的超孔壓減小。

圖4(a)表明，該深度處在距樁較近和較遠(yuǎn)處超孔壓較大，中間位置較小。這是由于在進(jìn)行其他監(jiān)測項(xiàng)目時(shí)，附近開挖了深度2 m，寬度1 m，長約3 m的溝槽，該溝槽起到了防擠溝的作用，對埋深較淺的孔隙水壓力計(jì)產(chǎn)生較大影響。距樁4 m、5 m處的超孔壓較大是因?yàn)樵摼嚯x處的孔隙水壓力計(jì)處在壓樁機(jī)行走支座的正下方，壓樁機(jī)較大的壓力使該深度處的超孔壓增大。由于受地表的影響較大，不同工況之間的對比沒有一定的規(guī)律性。

圖4 不同壓樁階段超孔壓變化Fig．4 Changes of excess pore pressure during different driving stage

表2表示距樁2 m處孔隙水壓力組的消散情況。由于距離地表3 m深度處的超孔壓較小且受環(huán)境影響較大，故表2中未將該深度處的超孔壓表示出。從表2可以看出，超孔隙水壓力隨上覆有效應(yīng)力的增大而增大。砂質(zhì)粉土中的超孔壓消散較快，而淤泥質(zhì)黏土中含水率高，孔隙比大，滲透系數(shù)小，故超孔壓消散速度較慢。

表2 距樁2 m處孔隙水壓力消散情況Table 2 Dissipation of excess pore pressure at the distance of 2 m from the pile

4 結(jié)論

(1)靜壓樁擠土效應(yīng)引起的水平位移在軟硬土層交界面附近發(fā)生突變，故沉樁容易造成鄰近樁基在土層交界處發(fā)生彎曲，甚至斷樁等事故，所以當(dāng)設(shè)計(jì)樁距較近時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧p小擠土效應(yīng)。

(2)預(yù)鉆孔加應(yīng)力釋放孔的措施最有效地減小了距樁較近處的擠土位移，在距樁12d處工況2產(chǎn)生的擠土位移仍然大于其他兩種工況，故預(yù)鉆孔及預(yù)鉆孔加釋放孔的措施有效范圍在12d以上。

(3)未采取減小擠土效應(yīng)措施壓樁時(shí)，前一節(jié)樁壓樁在樁周土體中產(chǎn)生裂縫，增大超孔壓的消散速度，故在相同深度處，可能會(huì)出現(xiàn)后續(xù)壓樁過程中超孔壓減小的現(xiàn)象。

(4)在距樁12d處，不同工況下的超孔壓仍然不可忽略，故超孔壓的影響范圍大于12d，且該處不同工況之間的超孔壓仍然有差別，同樣說明預(yù)鉆孔及預(yù)鉆孔加釋放孔的措施有效范圍在12d以上。

(5)超孔隙水壓力隨上覆有效應(yīng)力的增大而增大。

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