葉俊能, 周 曄, 朱瑤宏, 劉干斌

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司, 浙江 寧波 315012; 2.寧波大學(xué)巖土工程研究所, 浙江 寧波 315211)

在飽和軟黏土地層中進(jìn)行沉樁時(shí)，由于沉入擠壓作用可使土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生破壞，產(chǎn)生很大的初始超靜孔隙水壓力，會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生很大的影響，這已經(jīng)引起廣泛重視[1]。

理論上，王旭東和王偉等[2-3]給出了沉樁引起的初始超孔隙水壓力沿深度線性增加和沿徑向在樁周彈、塑性區(qū)內(nèi)連續(xù)分布的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，以Biot固結(jié)理論為基礎(chǔ)，進(jìn)一步推導(dǎo)并獲得了超孔隙水壓力消散的三維解析解，分析了樁群不同樁距、不同入樁順序?qū)Τo孔隙水壓力的影響。馬林等[4]從空間圓孔擴(kuò)張理論出發(fā)，考慮到沉樁速率，提出了超靜孔隙水壓力隨徑向和深度方向變化的分布公式。苗永紅等[5]在現(xiàn)有理論解基礎(chǔ)上，考慮土體的應(yīng)變軟化和圓孔擴(kuò)張，結(jié)合Henkel公式推導(dǎo)了沉樁引起的初始超孔隙水壓力理論修正解。陳文等[6]通過(guò)靜壓樁在不同黏土中貫入的離心模型試驗(yàn)，對(duì)樁體貫入飽和黏土?xí)r的土體位移和初始超孔壓的空間分布情況進(jìn)行了研究。廖幼孫等[7]基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)無(wú)孔管樁群樁和3種布孔方式的有孔管樁群樁沉樁時(shí)引起的超孔隙水壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了沉樁順序、布孔方式等因素對(duì)超孔隙水壓力時(shí)空消散的影響。唐世棟等[8-9]通過(guò)對(duì)樁基施工過(guò)程中實(shí)測(cè)資料的分析，探討了沉樁時(shí)單樁、群樁周?chē)林挟a(chǎn)生的超孔隙水壓力的大小、分布及影響范圍，與理論解進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)超孔隙水壓力的產(chǎn)生、分布和變化趨勢(shì)進(jìn)行了探討。張忠苗等[10]通過(guò)對(duì)杭州蕭山某工地的沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到超孔隙水壓力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。錢(qián)峰等[11]通過(guò)飽和黏土中靜壓沉樁模型試驗(yàn)，模擬了預(yù)制混凝土樁的施工過(guò)程，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了孔隙水壓力、樁側(cè)土壓力、地面隆起量隨樁的貫入深度和距樁軸不同距離的變化規(guī)律。

近年來(lái)有大量異型預(yù)制樁應(yīng)用于實(shí)際工程中，例如竹節(jié)型預(yù)應(yīng)力管樁。在沉樁過(guò)程中，由于竹節(jié)間的空隙無(wú)法被周邊的土體填滿，從而形成多節(jié)空腔，阻礙了竹節(jié)上下兩個(gè)空腔內(nèi)水體的流動(dòng)，對(duì)豎向超靜孔隙水壓力的消散產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)有計(jì)算理論無(wú)法考慮這一影響，竹節(jié)型預(yù)應(yīng)力管樁沉樁施工超孔隙水壓力變化規(guī)律有待研究。為此，本文結(jié)合寧波軌道交通4號(hào)線東錢(qián)湖車(chē)輛段竹節(jié)樁復(fù)合地基沉樁施工，開(kāi)展超孔隙水壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并在王偉等[3]的研究基礎(chǔ)上，考慮竹節(jié)樁竹節(jié)間空隙對(duì)豎向超靜孔壓分布影響，建立竹節(jié)型預(yù)應(yīng)力管樁超孔隙水壓力計(jì)算公式，為竹節(jié)型預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

1.1 工程概況

寧波軌道交通4號(hào)線東錢(qián)湖車(chē)輛段地貌類(lèi)型屬于濱海淤積和沖湖積平原，場(chǎng)地地層分布情況及各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層分布及力學(xué)參數(shù)表Table 1 Soil distribution and mechanical parameters

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次竹節(jié)樁復(fù)合地基試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)工況，每個(gè)工況含竹節(jié)樁16枚，正方形布置(4×4)，樁間距分別為1.8，2.0，2.2 m，樁長(zhǎng)分別為20，22，24 m。各工況竹節(jié)樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)、樁長(zhǎng)、樁間距如表2所示。

表2 各工況竹節(jié)樁試驗(yàn)參數(shù)表Table 2 Test results of nodular piles under various conditions

在3個(gè)工況中分別選擇2樁之間、4樁中心均布設(shè)3個(gè)孔隙水壓力傳感器測(cè)點(diǎn)，以測(cè)試打樁前后孔隙水壓力的變化規(guī)律。工況一測(cè)孔編號(hào)為1，4，7，工況二測(cè)孔編號(hào)為2，5，8，工況三測(cè)孔編號(hào)為3，6，9(圖1)。各測(cè)點(diǎn)從2 m以下開(kāi)始按3～7 m間距布設(shè)，布設(shè)深度及間隔如圖2所示。

圖1 孔隙水壓力測(cè)試平面布置示意圖Fig.1 Plane layout of the pore water pressure test

圖2 豎向孔壓水壓力測(cè)點(diǎn)布置示圖Fig.2 Location of the measurement points for vertical hole pressure water pressure

打樁前，鉆孔布設(shè)完成后采集各點(diǎn)孔壓初值；打樁過(guò)程及打樁后持續(xù)采集孔壓值，直至試驗(yàn)結(jié)束?？紫端畨毫鞲衅?需測(cè)試4樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)全過(guò)程的孔壓變化數(shù)據(jù)。

2 理論計(jì)算模型

由于沉樁速度較快，竹節(jié)間的空隙無(wú)法被周邊的土體填滿，從而形成許多空腔(圖3)，這些空腔內(nèi)積滿了大量的因樁周土體固結(jié)而排出的孔隙水。假設(shè)第n個(gè)空腔中的最大超靜孔壓可取土體出現(xiàn)劈裂的極限壓力Pn，為超靜孔壓Pcn與靜水壓力Pjn之和。

圖3 竹節(jié)樁成樁后空腔分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of cavity distribution after nodular piles are piled

樁體竹節(jié)可阻礙上下兩個(gè)空腔內(nèi)水體的流動(dòng)，這種阻力受制于樁周土體與樁體表面的摩擦及樁體下沉期間對(duì)樁周土體的擾動(dòng)，假設(shè)：

(1)當(dāng)竹節(jié)上下兩個(gè)空腔的孔壓差值小于竹節(jié)阻力時(shí)，兩個(gè)空腔內(nèi)的水體不通過(guò)竹節(jié)面發(fā)生滲透。

(2)當(dāng)兩個(gè)空腔內(nèi)的孔壓差值大于竹節(jié)阻力時(shí)，兩個(gè)空腔內(nèi)的水體通過(guò)竹節(jié)面發(fā)生滲透，直至兩個(gè)空腔內(nèi)的孔壓差值等于竹節(jié)阻力。

(3)竹節(jié)阻力隨深度的增加而呈線性增加，即：

qs=q0+kz

(1)

式中：qs——竹節(jié)阻力；

q0——竹節(jié)固有阻力；

k——與深度有關(guān)的竹節(jié)阻力線性增加系數(shù)；

z——深度。

(4)沉樁剛完成時(shí)，樁體樁底以下土體不發(fā)生擠土，即無(wú)超靜孔壓發(fā)生。但樁底上部的最大超靜孔壓Pcm會(huì)突破竹節(jié)阻力進(jìn)行滲透，進(jìn)而使樁底部位也具有較大的超靜孔壓Pb，其分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 竹節(jié)樁沉樁后超靜孔壓豎向分布曲線Fig.4 Vertical distribution of the excess static pore pressure

2.1 徑向孔壓分布

根據(jù)唐世棟等[7]的研究結(jié)果可以得到單樁沉樁引起的超靜孔壓徑向分布，在樁身表面有：

(2)

塑性區(qū)半徑為：

(3)

式中：E——土的彈性模量；

μ——土的泊松比；

r0——樁半徑。

Henkel 孔隙水壓力參數(shù)α與Skempton 孔隙水壓力參數(shù)A之間有如下關(guān)系α=0.707(3A-1)?？辜魪?qiáng)度計(jì)算公式為Cu=c+rztanφ，其中c為黏聚力，γ為土體重度，z為深度，φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 豎向孔壓分布

當(dāng)?shù)貙又械耐馏w因超靜孔壓受到擠壓時(shí)，所能承受的最大超靜孔壓可考慮出現(xiàn)劈裂的極限壓力確定[12]：

(4)

式中：Pn——劈裂的極限壓力。

在竹節(jié)樁沉樁期間Pn主要是超靜孔壓與靜水壓力之和，即Pn=Pcm+Pjn，由此可得出最大超靜孔壓的計(jì)算公式為：

(5)

式中：Pjn——靜水壓力；

Pcm——最大超靜孔壓；

γ——上覆土體重度；

z——計(jì)算深度；

φ——土的內(nèi)摩擦角；

c——土的黏聚力。

當(dāng)沉樁產(chǎn)生的超靜孔壓Δumax>Pcm時(shí)，土體將在超靜孔壓的作用下發(fā)生劈裂，超靜孔壓隨即減小，直至Δumax≤Pcm為止，因此由式(2)和(5)可以設(shè)定最大超靜孔壓深度hm滿足如下關(guān)系：

(6)

式(6)為超越方程，無(wú)法得到解析解，但可以通過(guò)數(shù)學(xué)軟件計(jì)算得到數(shù)值解。為此，對(duì)竹節(jié)樁沉樁期間的超靜孔壓豎向分布應(yīng)做離散化計(jì)算。

(1) 當(dāng)Pn大于極限超靜孔壓時(shí)，Pn在劈裂作用的影響下，其表達(dá)式為極限超靜孔壓的計(jì)算公式，即Pn>Pcm時(shí)，有：

(7)

(2) 當(dāng)Pn小于或等于于極限超靜孔壓，且計(jì)算深度小于或等于最大超靜孔壓深度時(shí)，即Pn≤Pcm、z≤hm，考慮竹節(jié)阻力的影響。

當(dāng)Pn+Pjn>Pn-1+Pjn-1+qsn時(shí)，

Pn=Pn-1+Pjn-1-Pjn+qsn

(8)

當(dāng)Pn+Pjn

(9)

(3)當(dāng)Pn≤Pcm且z>hm時(shí)，設(shè)Pm=Pcm，m為最大超靜孔壓所在的樁節(jié)數(shù)。

(10)

2.3 孔壓時(shí)程分布

王偉等[3]從水力連續(xù)條件出發(fā)，通過(guò)對(duì)Biot方程進(jìn)行近似求解，得出任意時(shí)刻的超靜孔隙水壓力表達(dá)式：

(11)

式中：U(t)——t時(shí)刻超靜孔隙水壓力數(shù)值；

Δu0——超靜孔隙水壓力的初始分布，即初始超靜孔隙水壓力；

a——影響半徑與樁徑的比值，即a=R/r0(R為影響半徑，r0為樁半徑)；

ρ——計(jì)算點(diǎn)到樁中心的距離與樁半徑的比值，即ρ=r/r0；

cv——土的固結(jié)系數(shù)；

bsj1——一階貝塞爾函數(shù)；

bsj0——零階貝塞爾函數(shù)；

λi——零階貝塞爾函數(shù)的第i個(gè)零解。

將Δu0從上述式(11)中提出，化簡(jiǎn)如下：

U(t)=TΔu0

(12)

(13)

當(dāng)t=0時(shí)，即初始時(shí)刻，T的表達(dá)式退化為：

(14)

式中貝塞爾函數(shù)取前10項(xiàng)即可滿足工程計(jì)算需要，即i值取1～10。經(jīng)計(jì)算，式中的T≈1。由此可見(jiàn)，T為超靜孔壓隨時(shí)間消散的因子項(xiàng)。

3 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

(1)沉樁后超靜孔壓最大值

各測(cè)孔超靜孔壓最大值測(cè)試結(jié)果如表3所示，因沉樁期間重型施工機(jī)械碾壓了部分傳感器線纜，且傳感器又位于樁基下部，無(wú)法實(shí)施補(bǔ)救，故而造成部分測(cè)點(diǎn)損壞，整體測(cè)點(diǎn)存活率為92%，該存活率不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

表3 竹節(jié)樁超靜孔壓最大值統(tǒng)計(jì)表Table 3 Maximum static pore pressure of nodular piles

從表3中可以看出，1.8 m樁間距產(chǎn)生的最大超靜孔壓為378.7 kPa，2.0 m樁間距產(chǎn)生的最大超靜孔壓為288 kPa，2.2 m樁間距產(chǎn)生的最大超靜孔壓為352.1 kPa，由于這些最大超靜孔壓是因群樁效應(yīng)疊加而成， 3個(gè)樁基施工區(qū)域相互間距離僅2 m左右，所以這種疊加既有區(qū)域內(nèi)也有區(qū)域間的疊加。

圖5 樁間距為2.0 m工況時(shí)各測(cè)孔超靜孔壓時(shí)程曲線Fig.5 Changes in pore pressure of the monitoring hole when the distance of the piles is 2 m

(2)沉樁后超靜孔壓時(shí)程變化

以2.0 m間距工況為例，各測(cè)孔超靜孔壓時(shí)程曲線如圖5所示。

由圖5可得出：超靜孔壓隨著竹節(jié)樁下沉而增大，沉樁完成后孔壓隨時(shí)間緩緩消散，需要引起重視的是沉樁當(dāng)日孔壓變化非常大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)最大超靜孔壓一般出現(xiàn)在沉樁完成后15～30 min內(nèi)。

(3)沉樁后超靜孔壓分布

以2.0m間距工況為例，超靜孔壓沿徑向分布如圖6所示，可以看出，在不同深度，超靜孔壓沿徑向呈指數(shù)形式衰減，在8 m左右超靜孔壓趨于零。在距樁中心不同距離，超靜孔壓沿深度方向分布如圖7所示，可以看出，沉樁后超靜孔壓豎向隨著深度的增加而逐

圖6 超靜孔壓徑向分布Fig.6 Radial distribution of the excess pore pressure

圖7 超靜孔壓豎向分布Fig.7 Vertical distribution of the excess pore pressure

漸增加；最大超靜孔壓的出現(xiàn)點(diǎn)位于樁底以上的位置，大約在20 m深度處，20 m深度以下開(kāi)始逐漸減??；地表區(qū)域的超靜孔壓隨深度變化較小，樁底區(qū)域的超靜孔壓隨深度變化較大。

3.2 試驗(yàn)與理論計(jì)算對(duì)比

利用工況二超靜孔壓測(cè)試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算(按單樁考慮，沉樁完成后1 d開(kāi)始計(jì)算，參數(shù)見(jiàn)表4)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表4 超靜孔壓數(shù)據(jù)對(duì)比分析參數(shù)表Table 4 Contrastive analysis of parameters of the excess static pressure data

為避免淺部地層孔壓受地面施工及其它地表水體的影響，選取2#測(cè)點(diǎn)，對(duì)其超靜孔壓豎向分布及19 m深徑向分布進(jìn)行分析，同時(shí)為了避免群樁效應(yīng)疊加，僅分析第一根樁(①號(hào)樁，圖1)施工引起的超靜孔壓變化。

圖8 超靜孔壓徑向分布數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.8 Comparison of radial distribution data of the excess static pore pressure

(1)超靜孔壓徑向分布對(duì)比

在工況二區(qū)域，第一根竹節(jié)樁沉樁時(shí)樁周19 m深處超靜孔壓分布規(guī)律如圖8所示，其中理論值由式(2)計(jì)算得到，可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，式(2)可以較好地描述寧波軟土地區(qū)竹節(jié)樁下沉產(chǎn)生的超靜孔壓的徑向分布。

圖9 超靜孔壓豎向分布數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison of vertical distribution data of the excess pore pressure

(2)超靜孔壓豎向分布對(duì)比

利用式(7)～(10)計(jì)算得到距樁心2#測(cè)點(diǎn)超靜孔壓沿深度分布結(jié)果如圖9所示，將實(shí)測(cè)結(jié)果繪于圖9以進(jìn)行對(duì)比，可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，式(7)～(10)可以較好地反映竹節(jié)樁沉樁后的超靜孔壓豎向分布。

4 結(jié)論

(1)由于竹節(jié)樁間距較小，超靜孔隙水壓力有疊加效應(yīng)，1.8 m樁間距產(chǎn)生的最大超靜孔壓為378.7 kPa，2.0 m樁間距的最大超靜孔壓為288 kPa，2.2 m樁間距的最大超靜孔壓為352.1 kPa。

(2)超靜孔壓隨竹節(jié)樁下沉而增大，最大超靜孔壓一般出現(xiàn)在沉樁完成后15～30 min內(nèi)。在不同深度，超靜孔壓沿徑向呈指數(shù)形式衰減，在8 m左右超靜孔壓趨于零，最大超靜孔壓的出現(xiàn)點(diǎn)位于樁底以上約2 m位置。

(3)考慮竹節(jié)樁竹節(jié)間空隙對(duì)豎向孔隙水壓力的影響建立的孔壓計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，可以較好描述竹節(jié)樁施工引起的超孔隙水壓力分布。