王千星，龔 晨，付 予

(中建港航局集團(tuán)有限公司，上海 200433)

樁基礎(chǔ)在減少建筑物沉降、提高地基承載力方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。隨著基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，樁基礎(chǔ)在高層、超高層建筑物以及復(fù)雜地質(zhì)條件下復(fù)雜港口結(jié)構(gòu)中應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。

國內(nèi)外學(xué)者一直在研究直樁的擠土效應(yīng)問題并取得大量研究成果，其中理論成果有圓孔擴(kuò)張法、應(yīng)變路徑法和有限元法等。圓孔擴(kuò)張法最初在金屬加工領(lǐng)域應(yīng)用[5]，后來被推廣應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域。Randolph等基于圓柱孔擴(kuò)張理論，求出沉樁后樁周土有效應(yīng)力和孔隙水壓力[6]。

擠土效應(yīng)的試驗(yàn)研究成果更多，Adams等[7]對(duì)沉樁時(shí)地表土體隆起進(jìn)行現(xiàn)場量測，以土體隆起的體積與土體中樁體的體積之比進(jìn)行度量。徐建平等[8]通過將樁沉入一個(gè)尺寸為800 mm×1 200 mm的軟黏土矩形試驗(yàn)槽，研究單樁和雙樁的沉樁擠土效應(yīng)，得到土體在水平和豎向的位移規(guī)律；唐世棟等[9-11]通過對(duì)沉樁過程測得的超靜孔隙水壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為群樁的擠土效應(yīng)更為復(fù)雜。由于沉樁過程中涉及多種因素，諸如樁土接觸、幾何大變形、非線性等[12]，所以，目前在擠土效應(yīng)方面仍有許多難題未解決。

為了解沿江富水軟弱地層中超長預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁沉樁過程中樁周擠土效應(yīng)，開展沉樁過程中樁周土壓力和孔隙水壓力現(xiàn)場實(shí)測分析，對(duì)樁周土水壓力變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

以上海某港區(qū)護(hù)岸高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力方樁(PHS樁)基礎(chǔ)為研究背景，進(jìn)行沉樁過程中樁周孔隙水壓力和土壓力監(jiān)測分析。該P(yáng)HS樁邊長500 mm，長50 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。樁長深度范圍內(nèi)主要分布砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土，其參數(shù)見表1。

表1 樁長范圍內(nèi)土的構(gòu)成與參數(shù)

孔隙水壓力和土壓力計(jì)布置如圖1所示。共布置4個(gè)孔隙水壓力測孔、3個(gè)土壓力測孔。每個(gè)測孔分別布置4個(gè)傳感器，埋設(shè)深度分別為10、25、40和60 m，共16支孔隙水壓力計(jì)和12支土壓力盒。孔隙水壓力計(jì)孔位編號(hào)依次為KY1～KY4，土壓力盒孔位編號(hào)依次為TY1～TY3。工程現(xiàn)場打樁按S形順序施打，即按照?qǐng)D1中樁號(hào)順序施打。

圖1 樁間監(jiān)測點(diǎn)位布置(單位：mm)

圖2a)為孔隙水壓力計(jì)。為防止孔隙水壓力計(jì)上透水石被淤泥封死，將孔隙水壓力計(jì)透水石部位用裝滿潔凈粗砂的紗布手套包裹，如圖2b)所示。利用經(jīng)處理的測斜管輔助下放土壓力計(jì)并固定土壓力計(jì)的朝向，如圖2c)所示。現(xiàn)場鉆孔埋設(shè)傳感器如圖2d)所示。

圖2 孔隙水壓力計(jì)和土壓力計(jì)

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

2.1 孔隙水壓力實(shí)測數(shù)據(jù)

PHS樁單樁錘擊過程中孔隙水壓力變化如圖3所示?，F(xiàn)場所用的每根PHS樁由4節(jié)樁組成，長度分別為10、10、15、15 m，相鄰節(jié)樁之間通過焊接連接。

圖3 23#樁錘打過程中KY4孔位孔隙水壓力變化

由圖3可知，樁下沉過程中周邊孔隙水壓力總體表現(xiàn)為先增加后下降的變化規(guī)律，打樁過程會(huì)引起樁體周圍孔隙水壓力迅速增加，打樁結(jié)束后孔隙水壓力則逐漸消散，單樁打完后周圍孔隙水壓力比打入之前有所增加。

根據(jù)不同深度孔隙水壓力變化規(guī)律可知：在樁體未沉入到監(jiān)測點(diǎn)位前，該層位孔隙水壓力總體表現(xiàn)為緩慢下降的趨勢；當(dāng)樁體接近或到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)位后，該層位孔隙水壓力迅速增加并達(dá)到峰值；隨著樁體繼續(xù)沉入，該層位孔隙水壓力逐漸降低并趨于平穩(wěn)。沉樁過程中當(dāng)樁端距測點(diǎn)30倍樁寬時(shí)開始影響測點(diǎn)孔隙水壓力；當(dāng)樁端距測點(diǎn)10倍樁寬時(shí)，影響顯著增加。

KY1～KY4號(hào)孔位的孔隙水壓力實(shí)測數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 KY1～KY4孔隙水壓力變化規(guī)律

由圖4可知：在沉樁過程中，當(dāng)沉樁方向朝著監(jiān)測點(diǎn)靠近時(shí)，孔隙水壓力迅速增加，且增幅顯著；當(dāng)沉樁朝著遠(yuǎn)離監(jiān)測點(diǎn)位方向時(shí)，孔隙水壓力逐漸降低，相比增幅，孔隙水壓力減幅稍小，孔隙水壓力減小表現(xiàn)為先迅速降低再緩慢降低；沉樁樁位離監(jiān)測點(diǎn)最近時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到峰值，如圖 4a)和圖5a)所示，KY1號(hào)孔位孔隙水壓力在14#樁打完時(shí)1#-10 m孔隙水壓力達(dá)到峰值，15#樁打完時(shí)1#-25 m和1#40 m孔隙水壓力達(dá)到峰值。由圖4b)和圖5b)可見，KY2號(hào)孔位在15#樁打完時(shí)2#-10 m孔隙水壓力達(dá)到峰值，19#樁打完時(shí)2#-25 m、2#-40 m和2#-60 m孔隙水壓力達(dá)到峰值。由圖4c)、d)和圖5c)、d)可知，KY3和KY4號(hào)孔位各深度孔隙水壓力均在22#樁打完后達(dá)到峰值，由于現(xiàn)場預(yù)制樁未及時(shí)供應(yīng)上，22#打完后停工一段時(shí)間，導(dǎo)致孔隙水壓力有所降低，無法跟蹤監(jiān)測到之后預(yù)制樁施工對(duì)KY3和KY4號(hào)孔孔隙水壓力的連續(xù)影響。

圖5 沉樁期間KY1～ KY 4孔隙水壓力變化規(guī)律

根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《孔隙水壓力測試規(guī)程》建議，沉樁工程中應(yīng)控制超靜孔隙水壓力不超過上覆有效土壓力的60%。據(jù)此將KY1～KY4 共4個(gè)孔位的不同深度監(jiān)測點(diǎn)位峰值孔壓與有效上覆土壓力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 沉樁期間孔隙水壓力峰值與有效上覆土壓力對(duì)比

注：表中密度為層間土密度，如25 m處密度為1.8 t/m3，是10～25 m之間的土層平均密度。

該工程地處長江邊緣，地下水位高(高程0.5 m)，須重點(diǎn)關(guān)注打樁引起的孔隙水壓力增長和土壓力變化。由表 2可知，各測孔內(nèi)10 m出測點(diǎn)，因離地面較近，孔壓消散較快，故KY1～KY3測孔內(nèi)10 m處孔壓在50%以內(nèi)。4個(gè)測孔內(nèi)，25～60 m測點(diǎn)孔壓占比均在50%以上，其中實(shí)測孔位KY1內(nèi)1#-25 m測點(diǎn)、KY3內(nèi)3#-25 m測點(diǎn)、3#-40 m測點(diǎn)和KY4內(nèi)4#-25 m測點(diǎn)、4#-40 m測點(diǎn)孔隙水壓力峰值超過有效上覆土壓力的60%，最高達(dá)88%，易在打樁振動(dòng)過程中引起土中有效應(yīng)力喪失，因此建議現(xiàn)場施工中控制打樁速率。

2.2 土壓力實(shí)測數(shù)據(jù)

TY1～TY3號(hào)孔位的側(cè)向土壓力實(shí)測數(shù)據(jù)如圖 6所示。由圖 6可知，預(yù)制樁施打過程可顯著影響樁周土壓力的變化。在沉樁過程中，當(dāng)沉樁方向朝著監(jiān)測點(diǎn)靠近時(shí)土壓力迅速增加，且增幅顯著；當(dāng)沉樁朝著遠(yuǎn)離監(jiān)測點(diǎn)位方向行走時(shí)，土壓力逐漸降低。相比增幅，土壓力減幅稍小，具體表現(xiàn)為先迅速降低、再緩慢降低。

圖6 TY1～ TY3土壓力變化規(guī)律

圖7給出鄰近區(qū)域沉樁期間TY1～ TY3土壓力變化規(guī)律。由圖 7可知，與孔隙水壓力規(guī)律類似，沉樁過程中，土壓力峰值主要發(fā)生在靠近監(jiān)測孔位附近的樁位沉樁過程中。隨著沉樁向監(jiān)控位置靠近，樁周土壓力逐步升高，且增幅隨著距離縮減逐步增加，如圖 7a)所示。由圖 7中3個(gè)土壓力測孔數(shù)值變化可知，沉樁土壓力影響范圍在12 m左右。

圖7 沉樁期間TY1～ TY3土壓力變化規(guī)律

圖8給出沉樁過程中TY3號(hào)孔位土壓力和KY4號(hào)孔隙水壓力變化對(duì)比，TY3和KY4號(hào)孔位相近。由圖8可知，在沉樁過程中，土壓力和孔隙水壓力增加趨勢和數(shù)據(jù)均相近?？梢?，本工程打樁過程中總土壓力的增加主要是由超靜孔隙水壓力的增加引起的。如圖 8a)所示，在22#樁沉入后，土壓力達(dá)到峰值0.27 MPa；在TY3號(hào)影響范圍內(nèi)無沉樁后，土壓力逐漸消散至0.14 MPa，降幅48%(7 d后)。當(dāng)影響范圍內(nèi)有沉樁時(shí)，土壓力隨之重新增加。

圖8 TY3和KY4號(hào)孔位土壓力和孔隙水壓力對(duì)比

表3給出打樁期間樁間土壓力增長峰值占初始地應(yīng)力的比值?？梢?，埋設(shè)25 m和40 m處土壓力增長峰值占比均在40%以上，最大達(dá)64.51%。

表3 打樁期間土壓力峰值與初始側(cè)向土壓力對(duì)比

注：表中密度為層間土密度，如25 m處密度1.8 t·m-3為10～25 m之間的土層平均密度。

3 結(jié)論

1)沉樁過程中樁周孔隙水壓力和土壓力顯著增加，1#、3#和4#樁周孔壓比均超過60%，最高達(dá)88%，易引起樁周有效應(yīng)力損失，降低樁身穩(wěn)定性。

2)沉樁對(duì)樁周土壓力影響范圍較廣，本項(xiàng)目實(shí)測影響范圍在20倍樁寬左右。

3)沉樁過程中，在樁端距測點(diǎn)30倍樁寬時(shí)，開始影響測點(diǎn)孔隙水壓力；當(dāng)樁端距測點(diǎn)10倍樁寬以內(nèi)時(shí)，影響顯著增加。

3)沉樁過程中，隨著沉樁遠(yuǎn)離觀測孔或暫停沉樁，孔隙水壓力和土壓力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速下降，隨后減速趨于平緩。

4)在現(xiàn)場施工中，應(yīng)通過控制沉樁速率、改變打樁順序(如分段間隔跳打)等方法減小樁周擠土和孔壓影響。