粉噴樁施工引起的超孔隙水壓力分析

黃 銘，楊 磊，夏國星，王 馳

(1.泰州長江公路大橋建設服務指揮部，江蘇 泰州 225300；2.上海交通大學土木工程系，上海 200240；3.江蘇省長江公路大橋建設指揮部，江蘇 泰州 225300)

0 前言

粉噴樁是深層攪拌樁的一種。在飽和軟粘土中進行粉噴樁施工，由于粉噴樁噴粉壓力大，葉片攪拌作用明顯，而飽和軟土含水量高，在施工中會引起樁周土超孔隙水壓力產生，土體應力狀態發生改變，影響土體力學性質[1]。在高靈敏軟土地區粉噴樁施工經常出現掉樁現象[2]，因此粉噴樁施工過程中，土體超孔隙水壓力現場監測一直受到重視。張慶松[3]等通過現場試驗研究了粉噴樁施工期以及施工結束后樁周土孔隙水壓力的增長消散規律，得到了孔隙水壓力與深度和距樁水平距離的變化關系。岳紅宇[4]等通過室內試驗以及有限元軟件分析，指出距樁邊距離越近擾動度越大；土層埋深越淺擾動度越大。沈水龍[5]對日本有明黏土攪拌樁施工過程進行監測，測得最大超靜孔隙水壓力能超過上覆土體自重，土體處于張拉狀態，超孔壓消散非常快；并考慮固化劑注入的膨脹壓力與旋轉葉片的剪切力作用，采用圓柱形孔擴張理論分析深層攪拌樁施工引起的樁周土體的應力變化，得到超孔壓計算公式。唐世棟等[6]通過現場試驗及理論分析對飽和軟土地基中群樁施工引起的超孔隙水壓力進行研究，認為群樁施工引起超孔隙水壓力的大小、分布和影響范圍與單樁不同，群樁施工時樁間土基本已全部進入塑性區。

以往對粉噴樁的研究多集中在樁周土擾動機理分析和對超孔隙水壓力預測上，但通過現場對比試驗，研究如何減小樁周土超孔壓的工作相對較少。

本文通過現場監測施工過程中樁周土超孔隙水壓力變化情況，總結分析其超孔隙水壓力形成消散規律；根據不同施工順序﹑施工方向﹑施工速度和樁間距的超孔隙水壓力實測結果，提出減小施工過程中超孔隙水壓力的施工措施。

1 工程概況及測點布置

江蘇某省道總體呈南北走向，沿線地貌分區屬里下河淺洼平原區，地貌類型屬古瀉湖平原中的微斜水網平原，沿線軟土主要為1-2層淤泥質土，2-2層灰色淤泥，最大含水量為65.8%，最大孔隙比為1.82，液塑限分別為27%和59%。

圖1 現場儀器埋設圖Fig.1 Instrument installation in the field of saft soil.

試驗段里程樁號為 K74+630～K77+205，儀器布置及成樁次序如圖2所示，圖中字母ABC表示斷面編號，數字表示成樁次序和樁編號，P為孔壓計，T為土壓力盒。試驗段共監測40根粉噴樁，樁長10 m，直徑0.5 m，水泥用量為70 kg/m，樁位按梅花形布置，罐中壓力為0.4～0.6 MPa。

本次試驗共埋設12個孔壓計，1個土壓力計，具體埋深在圖中已標出。為防止施工中儀器被破壞，開挖了保護槽，將導線埋入，現場埋設情況見圖 1所示。

2 試驗結果分析

2.1 土壓力與超孔壓

從圖3中可以看出，超孔隙水壓力與土壓力同時產生、同步增加，土壓力略大于超孔隙水壓力。

圖2 測試區樁位布置圖Fig.2 Pile position in the testing area.

圖3 樁周水土壓力對比Fig.3 Comparison between excess pore pressure and earth pressure around pile.

土壓力是水和土的總壓力，超孔隙水壓力與土壓力同步增加說明超孔隙水壓力的產生是由于土壓力引起的。土壓力增加表明粉噴樁施工具有側向擠壓作用，粉噴樁施工存在一定的擠土效應，樁周土得到了擠密。施工完1小時后孔隙水壓力基本消散。

2.2 樁機旋轉速度對樁周土超孔壓的影響

選取三種鉆進速度和上拔速度，分析不同施工速度對超孔隙水壓力的影響。在B斷面埋設孔隙水壓力傳感器P8，P9和P10，傳感器埋深均為10 m，每個傳感器離樁中心均為1 m。樁機檔位對應的具體速度見表1，超孔隙水壓力隨時間變化的結果如圖4所示。結果表明鉆進和上拔速度越大，超孔隙水壓力的峰值越大，而且變化較為平緩。

表1 樁機轉速

圖4 不同轉速時超孔壓變化Fig.4 Variations of excess pore water pressure in different rotational speeds.

粉噴樁施工對樁周土的影響分為兩部分，鉆頭葉片下鉆攪拌土體和噴灰氣壓擾動土體。氣壓的影響又與樁周土體的松散程度有關：土體松散孔隙較多，氣體能順暢的排出；若土體密實，氣體難以很快排出，容易造成輸氣管堵塞或接頭處漏氣。鉆速緩慢，葉片充分攪拌土體，使土松散，孔隙變大，氣流充滿孔隙，罐中氣壓不變，噴氣壓力很快排出消掉，土體超孔隙水壓力較小。

綜上分析，施工時需實時控制鉆孔速率，對于高靈敏的松軟土層應該控制鉆進和上拔速度，避免產生大的超孔隙水壓力，引起軟土的擾動破壞；在靈敏度低的軟土層中進行攪拌樁施工，可以提高鉆進和上拔速度，提高施工效率。

2.3 施工方向

A斷面埋設孔隙水壓力計P1～P6，研究打樁順序對土體擾動的影響。樁的遮攔效應是樁土相互作用的一種直接表現形式，是樁對其周邊土體發生運動所作的抵抗。在群樁施工中，遮攔效應表現為較近樁的存在會弱化遠處樁施工對樁周土體產生的影響；在粉噴樁施工過程中，施工早的樁可以遮蔽后面施工時的擾動效應。因此改變施工順序可以減小施工對軟土擾動影響。樁號A9～A16成樁次序對于P1～P3是由近及遠，對于P4～P6則為由遠及近。

圖5 施工順序對超孔壓的影響Fig.5 Variations of excess pore water pressure in different constructing orders.

由圖5可知，由近及遠施工時，開始孔隙水壓歷時曲線震蕩劇烈，有明顯的峰值和谷值出現，隨著距離的增大，曲線平緩下降，未見明顯峰值，即孔壓一直處于消散狀態；由遠及近施工時，剛開始孔隙水壓平緩變化，距離靠近，震蕩明顯，可見明顯峰值，孔壓一直維持在較高位置，且呈現疊加的趨勢，表明孔壓一直在增加。由此可知，由近及遠施工比由遠及近施工，對周圍土體的擾動較小。

2.4 打樁順序

A斷面編號為A17～A21的粉噴樁施工用于比較跳打施工和順序施工對土體超孔隙水壓力的影響。

群樁施工對周圍土體的擾動存在累積效應，即后樁的擾動在影響距離范圍內是在前樁的基礎上進行疊加的，如圖6中P3的超孔壓一直升高。但若超出影響距離，孔壓則呈下降趨勢。所謂跳打，即首先在孔壓計 P7附近打 A17，測量超孔隙水壓，后將樁機挪至離孔壓計較遠處打 A18，A19；再施工A20，A21。

圖6 跳打施工與順序施工對比Fig.6 Comparison between skip construction and order construction.

從圖6可知，跳打施工較順序施工孔壓變化幅度較大，且孔壓消散較快，打樁結束已消散至最大孔壓的一半；順序施工時孔壓持續上升，且維持在較大的值，導致施工結束后孔壓消散較慢。施工過程中超孔壓峰值，跳打施工也比順序施工的要小。

2.5 樁間距

B斷面的測試結果與 A斷面測試結果進行對比，用于研究樁間距對超孔隙水壓力的影響。

樁間距1.2 m時，樁周土超孔隙水壓力總體大于1.5 m樁間距的情況，說明樁距越小粉噴樁施工引起的擠土效應越明顯。因此設計間距時，在滿足承載力和沉降要求的條件下盡量增大樁間距。

3 結論

對粉噴樁施工擾動現場測試分析可得以下結論：

（1）粉噴樁施工過程中樁周土同時產生超靜孔隙水壓力和土壓力，土壓力略大于超孔隙水壓力；超孔壓在一小時內消散完畢。

圖7 不同樁間距對超孔壓的影響Fig.7 Variations of excess pore pressure under different pile spacings.

（2）施工中需實時控制鉆孔速率，高靈敏的松軟土層應該控制鉆進和上拔速度，避免產生大的超孔壓，引起軟土的擾動破壞；在靈敏度低的軟土層中進行施工，可以提高鉆進和上拔速度，提高施工效率。

（3）采用由近及遠順序施工時土體產生的超孔隙水壓力，比由遠及近順序施工情況下的要小。

（4）跳打施工比順序施工引起的超孔壓大、孔壓消散較快。

（5）樁間距越小，施工引起的超孔壓越大。

[1]孫鈞，等. 城市環境土工學[M].上海：上海科學技術出版社，2005.

[2]徐永福. 粉體攪拌樁下沉原因分析及其對策[J].建筑技術,2000,31(3):171-172.

[3]張慶松, 李術才, 劉松玉,等. 粉噴樁施工對樁周土體擾動的試驗與數值模擬研究[J]. 巖土力學, 2006,27(增刊):127-130.

[4]岳紅宇,陳加富,鄧永峰. 粉噴樁處置軟土地基的樁土擾動問題及室內模擬試驗研究[J].公路交通科技, 2008,25(11): 3-38.

[5]沈水龍,蔡豐錫,顧偉華.有明黏土中攪拌樁施工時的孔隙水[J].巖土力學, 2006,27(4): 648-652.

[6]唐世棟,王永興,葉真華.飽和軟土地基中群樁施工引起的超孔隙水壓力[J].同濟大學學報, 2003,31(11): 1290-1294.