飽和砂中靜壓沉樁對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)

飽和砂中靜壓沉樁對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，研究直徑為37 mm的閉口模型樁靜壓沉樁時，飽和砂中的超孔隙水壓力的產生規律。發現飽和砂中沉樁引起的超孔壓沿徑向遠離樁身表面的時候，超孔隙水壓力先增大后減小，超孔隙水壓力最大值發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超孔隙水壓力的影響，發現沉樁速度越快，所產生的超孔壓越大。

模型試驗；靜壓樁；錘擊沉樁；超孔隙水壓力；離散元；沉樁速度

0 引言

傳統的沉樁工法對環境有較大的影響，通常會產生較大的噪音［1-3］或者引起結構的破壞開裂［4］。隨著對文明施工的要求愈發嚴格，在人口相對密集的城市中，對傳統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的壓樁機構以壓樁機自重和機架上的配重提供反力而將預制樁壓入土中的沉樁工藝。完全避免了錘擊打樁所產生的振動、噪音和污染，因此施工時具有對樁體無破壞、施工無噪音、無振動、無沖擊等優點［5］，如圖 1所示。

圖1 各類沉樁對環境影響的示意圖［6］

然而，同普通的預制樁一樣，在靜壓樁的沉樁過程中會有超孔隙水壓力的產生。靜壓沉樁引起的超孔隙水壓力的產生，以及后續的消散都將影響樁體的承載力。很多學者［7-8］(Airhart,1967;Tanand Lin,2012 )在其研究中發現,當由沉樁引起的超孔隙水壓力隨著時間消散之后，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候的兩倍之多。在實際工程設計中考慮到超孔壓的產生或消散對樁體的承載力的影響是非常重要的。因此研究超孔壓的產生和消散規律具有較為實際的意義。

然而，現有的研究［9-10］大多集中在研究靜壓沉樁對飽和軟粘土中的超孔隙水壓力的影響。在采用傳統沉樁工法的時候，普遍認為飽和砂土處于排水狀態［11］，因此對沉樁在砂土中引起的超孔壓的研究較少。隨著機械技術的發展，靜壓沉樁速度相較于傳統的沉樁工法較快，在靜壓沉樁過程中，砂土中產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。基于此，本文主要通過模型試驗和離散元研究了靜壓沉樁過程飽和砂土中超孔壓的產生及消散規律，以及沉樁速度對土體中超孔壓的影響。

1 室內模型試驗

鑒于模型試驗相較于現場實測具有可重復性高，節約成本，以及研究周期短等特點，該項研究主要通過模型試驗展開。

1.1 模型試驗的簡介

模型試驗在自主設計的室內模型箱中進行。模型箱的尺寸為1 m×1 m×0.9 m(見圖2)。

圖2 模型箱和加載系統示意圖(單位：mm)

所采用的鋁制模型樁直徑為37 mm，長度為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行制備，填砂到一定深度的時候暫停填土，然后進行微型孔壓計的布設。微型孔壓計沿深度方向布設了五層，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)。微型孔壓計的平面布置如圖3所示。

圖3 微型孔壓計的平面布置圖

1.2 砂土的性質

試驗開始前對試驗用砂進行了顆粒分析試驗。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用砂為中細砂。篩分曲線較陡，粒徑大小相差不大，土粒較均勻，級配不良。根據篩分試驗進一步得到的砂土的顆粒級配指標如表1所列。

表1 砂土的顆粒級配指標一覽表

砂土鋪設完畢之后對飽和的試驗用砂進行了原位觸探試驗，繪制出qc，fs隨深度變化的試驗結果如圖5所示。

圖5 飽和砂中的靜力觸探曲線圖

根據CPT試驗結果，認為試驗用砂的密實度介于極松和疏松之間。

1.3 試驗結果分析

該項室內模型試驗通過微型孔隙水壓力計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生，以及后續的消散規律。

埋深為125 mm，距樁身表面的徑向距離為r=1D測點A1處的超孔壓隨沉樁深度的發展如圖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測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生明顯的超孔隙水壓力,試驗記錄了沉樁過程中各個測點處產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。其中縱坐標為深度的無量綱化，橫坐標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候，超孔壓先增大后減小。沿徑向超孔隙水壓的峰值大致發生在距離樁身表面距離為r=2D處的位置。小孔擴張理論［12］認為超孔隙水壓的最大值應該產生在樁身表面。該項實驗的觀察結果與小孔擴張理論有差別。小孔擴張理論假設沉樁過程是平面擴張的過程，沒能夠考慮到樁與土之間的摩擦作用。在實際的沉樁過程中，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，故沉樁產生的超孔壓在緊鄰樁身表面處并非最大，最大值發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生的超孔壓峰值沿深度方向的分布規律。

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生隆起，形成良好的排水通道，故產生的超孔壓較小；由于模型樁尖為三角錐，相對于圓柱體積較小，在沉樁完成后對下部分土體的擠土效應相較與對中部土體的擠土效應要小，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超孔壓的影響規律。有學者［13］認為孔隙壓力的變化值同一定土體體積的減小值呈正比。基于此原理，本文利用離散元進行了干砂條件下的數值模擬，通過監測對應土體處的孔隙的變化從而達到監測超孔壓變化的目的。對于離散元，不能夠精確地給出某一點處的孔隙率的變化，而是采用以測點為圓心，以樁徑為直徑的圓的范圍內土體的平均孔隙率近似表達所研究測點處的孔隙率。

2.1 模型簡介

由于離散元計算耗費大量的機時，按照實際模型的1/20進行數值模擬建模。模型試驗的樁長為580 mm，沉樁深度為570 mm，樁徑為37 mm，填砂深度為80 cm；據此離散元模擬的樁長為29 mm,沉樁深度為28.5 mm，模型樁徑為1.85 mm。

2.2 模擬結果

對1 cm/s和2 cm/s的沉樁速度進行對比性模擬研究，圖8給出了埋深為25 mm，徑向距離r=2D測點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 結論

本文通過室內模型試驗和相關的數值模擬研究了靜壓樁對飽和砂的超孔壓影響規律，以及沉樁速度對超孔隙水壓力的影響。得出以下主要結論：

(1)靜壓沉樁在砂土中引起的超孔隙水壓沿徑向遠離樁身表面，先增大后減小。沿徑向超孔壓的最大值產生在r=2D處。

(2)超孔隙水壓沿深度方向先增大后減小，最大值發生在樁身中部所對應的土體中。

(3)通過數值模擬研究，沉樁速度越快則靜壓沉樁引起的超孔隙水壓力越大。

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TU441

A

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。