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)樁體無破壞、施工無噪音、無振動(dòng)、無沖擊等優(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)為深度的無量綱化，橫坐標(biāo)為徑向距離的無量綱化。

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?。挥捎谀Ｐ蜆都鉃槿清F，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。

［1］ 許清俠.沉樁的擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響［D］.上?！猛瑵?jì)大學(xué), 1998.

［2］ 周光孔.沉樁振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境影響的計(jì)算 ［J］.廣西土木建筑, 1997, 22(3)∶ 89-94.

［3］ 葉觀寶, 徐超.沉管灌注樁施工對(duì)環(huán)境影響的控制措施［J］.地下空間, 2004, 24(2)∶ 204-207.

［4］ 祝龍根, 耿乃興.沉樁的環(huán)境效應(yīng)及監(jiān)測(cè)工作［J］.大壩觀測(cè)與土工測(cè)試, 1998, 22(4)∶ 7-10.

［5］ White D, Finlay T, Bolton M, et al.Press-in piling∶ Ground vibration and noise during pile installation［J］.GEOTECHNICAL SPECIAL PUBLICATION, 2002,(1)∶ 363-371.

［6］ 壓入工法［OL］.http∶//www.giken.com/zh/

［7］ Airhart, T.P., Hirsch, T.J., and Coyle, H.M.1967.Pile-soil system response in clay as a function of excess pore water pressure and other soil properties.Research Rep.No.33-8.Texas Transportation Institute, Texas A&M Univ., College Station, Tex.

［8］ Tan Y, Lin G.Full-scale testing of open-ended steel pipe piles in thick varved clayey silt deposits along the Delaware River in New Jersey［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2012, 139(3)∶ 518-524.

［9］ 宰金珉, 王偉, 王旭東, 等.靜壓樁引起的超孔隙水壓力及單樁極限承載力預(yù)測(cè)［J］.工業(yè)建筑, 2004, 34(8)∶ 33-35.

［10］ 黃院雄, 許清俠.飽和土中打樁引起樁周圍土體的位移［J］.工業(yè)建筑, 2000, 30(7)∶ 15-19.

［11］ Catala M A.Excess pore pressure generation due to pseudostatic tests in saturated sand［R］.Delft Cluster, 2005.

［12］ Carter J P, Booker J R, Yeung S K.Cavity expansion in cohesive frictional soils［J］.Geotechnique, 1986, 36(3)∶ 349-358.

［13］ 錢家炊, 殷宗澤.土工原理與計(jì)算［M］.1996.

TU441

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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。