靜壓樁擠土效應及施工措施試驗研究

劉振興 李鏡培 鐘光玉

(1．同濟大學地下建筑與工程系，上海200092;2．同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092;3．上海南匯建工建設(集團)有限公司，上海201399)

1 引言

靜壓樁的擠土效應是巖土工程界廣泛關注的問題。目前關于擠土效應的理論研究多基于各種假設，往往不能反應現場條件的復雜性。因此，擠土效應的試驗研究顯得尤為重要。

國內外諸多學者對沉樁擠土效應進行了大量的試驗研究。Yang等［1］監測了超長H型鋼樁靜力壓入密沙中產生的孔隙水壓力，試驗結果表明，超孔壓在樁尖到達孔壓計埋深水平面時達到最大值。Hwang等［2］進行了預制樁的擠土效應試驗，研究了沉樁時產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模型試驗得出，最大徑向與豎向位移均出現在軟硬土層交界面附近。周火垚等［4］進行了飽和軟土地基中3根足尺靜壓樁的壓入試驗，監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］結合吹填土地區管樁擠土效應的現場試驗與數值模擬的結果，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、現澆 X 形樁的擠土效應進行了現場試驗研究。朱向榮等［8］、唐世棟等［9］對單樁沉樁產生的超孔壓大小、分布規律及影響范圍進行了分析，并與理論解進行了對比。盡管許多學者在不同土層、不同樁型條件下進行了大量的擠土效應試驗，但采取預鉆孔、應力釋放孔措施后的擠土效應實測研究較少，尚需進一步的試驗研究。

本文結合某樁基工程項目，選取3根試樁，分別采取預鉆孔措施、預鉆孔和應力釋放孔結合的措施及無措施。通過對不同工況下樁不同貫入深度時產生的擠土效應進行監測，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律，研究不同施工措施對擠土效應的影響。

2 工程地質概況及監測方案

2．1 試驗區工程地質概況

經勘查，試驗場地位于古河道分布區，地貌類型屬濱海平原，地貌形態單一。地表下深度80 m范圍內地基土均屬第四紀濱海河口相、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。將勘測深度范圍內的地基土劃分為7個層次，每層土物理力學性質指標見表1。

表1 土層物理力學性質指標Table 1 Physical and mechanical characteristics of soil

2．2 試驗樁布置與監測方案

試驗樁布置與監測方案試驗樁采用工程樁，為先張法預應力混凝土空心方樁，型號為HKFZAB 400(200)－12，13，15。樁身混凝土強度等級為C80，樁截面邊長d=400 mm，內徑200 mm，樁身長40 m，分三節(分別為12 m，13 m，15 m)壓入，每節樁之間采用端板焊接，設計單樁抗壓承載力1 350 kN。

本次監測試驗所用3根試驗樁由東向西依次編號為 p1，p2，p3，間距約為15 m，每根試驗樁周圍布置2根測斜管和5組孔隙水壓力計，具體編號如圖1所示。工況1采取了預鉆孔措施;工況2未采取任何減小擠土效應的措施;工況3采取了預鉆孔加應力釋放孔的措施。釋放孔與預鉆孔直徑均為300 mm，深度均為20 m。兩個釋放孔間距為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。孔隙水壓力計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。在壓樁前、每節樁壓入后及整根樁壓入后24小時分別監測土體水平位移及孔隙水壓力的變化情況，每根試驗樁共監測5次。

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

3 試驗結果與分析

3．1 土體水平位移分布規律

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壓樁階段隨深度的變化規律。從圖2可以看出，各個工況下的土體水平位移曲線均在地下9 m附近出現轉折。由表1可以看出，該深度處于砂質粉土與淤泥質黏土的土層分界處，砂質粉土含水率較低、孔隙比較小、壓縮模量較大，而淤泥質黏土含水率高達49．5%，孔隙比為1．42，壓縮模量小，土質較軟，因此導致該處土體水平位移曲線出現轉折。該分布趨勢與李鏡培等［3］所進行的模型試驗所得結論是一致的。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的措施，導致最大土體水平位移達到25 mm，約為6．3%d(d為靜壓樁邊長)。工況1采取預鉆孔措施，最大擠土位移為18 mm，工況3采取預鉆孔加應力釋放孔的措施，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節樁壓入后產生的土體水平位移最大，在壓樁結束靜置24小時后，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，壓樁結束24小時后，最小回彈量約為2 mm，出現在地表附近，最大回彈量約為5 mm，出現在黏土層中，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節及第3節樁壓樁產生的位移曲線幾乎重合，壓樁結束靜置24小時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壓樁階段隨深度的變化規律。圖3表明，該距離處不同壓樁階段產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，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中孔壓計組u1．1在預鉆孔施工中被整體破壞外，其余水壓力組均監測到了孔隙水壓力的變化數據。將3節樁壓樁完成后的超孔壓隨徑向距離的變化規律表示在圖4中。由于第1節樁(長12 m)壓入后，僅有3 m與8 m深度處的孔隙水壓力計監測到了超孔壓，故圖4(c)與圖4(d)中未表示出第1節樁壓入后的超孔壓。圖例中的第一位數字1、2、3分別表示第1節樁壓樁完成后、第2節樁壓樁完成后、第3節樁壓樁完成后，第二位數字表示不同的工況。

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水壓力計組，第三節樁壓樁結束后，15 m處超孔壓為68 kPa，而25 m深度處超孔壓為201 kPa。

在預鉆孔及釋放孔深度范圍內，工況2在距樁較近處產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律

圖4 (c)還表明，工況2第3節樁壓入后產生的超孔壓較第2節樁產生的超孔壓小，說明超孔壓有一定程度的消散。主要原因可能是:第2節樁壓入后，由于擠土位移較大，在樁周一定范圍內產生了較多的豎向和水平向的裂縫，為后續壓樁過程中孔隙水壓力的消散創造了條件，所以在第3節樁施工后，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，這是由于現場施工時距離樁P1較近距離處(約1．5 m)存在另外一根樁的預鉆孔，充當了應力釋放孔的作用，導致樁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處超孔壓較大，中間位置較小。這是由于在進行其他監測項目時，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產生較大影響。距樁4 m、5 m處的超孔壓較大是因為該距離處的孔隙水壓力計處在壓樁機行走支座的正下方，壓樁機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力的增大而增大。砂質粉土中的超孔壓消散較快，而淤泥質黏土中含水率高，孔隙比大，滲透系數小，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 結論

(1)靜壓樁擠土效應引起的水平位移在軟硬土層交界面附近發生突變，故沉樁容易造成鄰近樁基在土層交界處發生彎曲，甚至斷樁等事故，所以當設計樁距較近時，應采取適當的措施減小擠土效應。

(2)預鉆孔加應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產生的擠土位移仍然大于其他兩種工況，故預鉆孔及預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措施壓樁時，前一節樁壓樁在樁周土體中產生裂縫，增大超孔壓的消散速度，故在相同深度處，可能會出現后續壓樁過程中超孔壓減小的現象。

(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，同樣說明預鉆孔及預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力的增大而增大。

［1］ Yang J，ThamL G，Lee P K K，et al．Observed performance of long steel H-piles jacked into sandysoils［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006，132(1):24-35．

［2］ Hwang J，Liang N，Chen C．Ground response during pile driving［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127(11):939-949．

［3］ 李鏡培，李雨濃，張述濤，等．成層地基中靜壓單樁擠土效應試驗［J］．同濟大學學報(自然科版)，2011，39(6):824-829．Li Jingpei，Li Yunong，Zhang Shutao，et al．Experimental analysis of compaction effect of single pile jacked in layered ground［J］．Journal of Tongji University(Natural Science)，2011，39(6):824-829．(in Chinese)

［4］ 周火垚，施建勇．飽和軟黏土中足尺靜壓樁擠土效應試驗研究［J］．巖土力學，2009，30(11):3291-3296．Zhou Huoyao，Shi Jianyong．Test research on soil compacting effect of full scale jacked-in pile in saturated soft clay［J］．Rock and Soil Mechanics，2009，30(11):3291-3296．(in Chinese)

［5］ 雷華陽，李肖，陸培毅，等．管樁擠土效應的現場試驗和數值模擬［J］．巖土力學，2012，33(4):1006-1012．Lei Huayang，Li Xiao，Lu Peiyi，et al．Field test and numerical simulation of squeezing effect of pipe pile［J］．Rock and Soil Mechanics，2012，33(4):1006-1012．(in Chinese)

［6］ 李國維，邊圣川，陸曉岑，等．軟基路堤拓寬靜壓PHC管樁擠土效應現場試驗［J］．巖土力學，2013，34(4):1089-1096．Li Guowei，Bian Shengchuan，Lu Xiaocen．Field test on extruding soil caused of PHC pipe pile driving by static pressure for improving soft foundation of widened embankment［J］．Rock and Soil Mechanics，2013，34(4):1089-1096．(in Chinese)

［7］ 劉漢龍，金輝，丁選明，等．現澆X形混凝土樁沉樁擠土效應現場試驗研究［J］．巖土力學，2012，33(2):219-224．Liu Hanlong，Jin Hui，Ding Xuanming，et al．Field test research on squeezing effects of X-section cast-in-place concrete pile［J］．Rock and Soil Mechanics，2012，33(2):219-224．(in Chinese)

［8］ 朱向榮，何耀輝，徐崇峰，等．飽和軟土單樁沉樁超孔隙水壓力分析［J］．巖石力學與工程學報，2005，5740-5744．Zhu Xiangrong，He Yaohui，Xu Chongfeng，et al．Excess pore water pressure caused by single pile driving in saturated soft soil［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering．2005，5740-5744．(in Chinese)

［9］ 唐世棟，何連生，傅縱．軟土地基中單樁施工引起的超孔隙水壓力［J］．巖土力學，2002，23(6):725-729+732．Tang Shidong，He Liansheng，Fu Zong．Excess pore water pressure caused by an installing pile in soft foundation［J］．Rock and Soil Mechanics，2002，23(6):725-729+732．(in Chinese)