富水軟弱地層中樁周水土壓力現場實測分析

王千星，龔 晨，付 予

(中建港航局集團有限公司，上海 200433)

樁基礎在減少建筑物沉降、提高地基承載力方面具有獨特的優點和不可替代的作用。隨著基礎建設規模的擴大，樁基礎在高層、超高層建筑物以及復雜地質條件下復雜港口結構中應用越來越廣泛[1-4]。

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

擠土效應的試驗研究成果更多，Adams等[7]對沉樁時地表土體隆起進行現場量測，以土體隆起的體積與土體中樁體的體積之比進行度量。徐建平等[8]通過將樁沉入一個尺寸為800 mm×1 200 mm的軟黏土矩形試驗槽，研究單樁和雙樁的沉樁擠土效應，得到土體在水平和豎向的位移規律；唐世棟等[9-11]通過對沉樁過程測得的超靜孔隙水壓力數據進行分析，認為群樁的擠土效應更為復雜。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應力鋼筋混凝土樁沉樁過程中樁周擠土效應，開展沉樁過程中樁周土壓力和孔隙水壓力現場實測分析，對樁周土水壓力變化規律進行研究。

1 工程概況

以上海某港區護岸高強預應力方樁(PHS樁)基礎為研究背景，進行沉樁過程中樁周孔隙水壓力和土壓力監測分析。該PHS樁邊長500 mm，長50 m，混凝土強度等級為C80。樁長深度范圍內主要分布砂質粉土、淤泥質土、粉質黏土，其參數見表1。

表1 樁長范圍內土的構成與參數

孔隙水壓力和土壓力計布置如圖1所示。共布置4個孔隙水壓力測孔、3個土壓力測孔。每個測孔分別布置4個傳感器，埋設深度分別為10、25、40和60 m，共16支孔隙水壓力計和12支土壓力盒。孔隙水壓力計孔位編號依次為KY1～KY4，土壓力盒孔位編號依次為TY1～TY3。工程現場打樁按S形順序施打，即按照圖1中樁號順序施打。

圖1 樁間監測點位布置(單位：mm)

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

圖2 孔隙水壓力計和土壓力計

2 實測數據分析

2.1 孔隙水壓力實測數據

PHS樁單樁錘擊過程中孔隙水壓力變化如圖3所示。現場所用的每根PHS樁由4節樁組成，長度分別為10、10、15、15 m，相鄰節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為先增加后下降的變化規律，打樁過程會引起樁體周圍孔隙水壓力迅速增加，打樁結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。

根據不同深度孔隙水壓力變化規律可知：在樁體未沉入到監測點位前，該層位孔隙水壓力總體表現為緩慢下降的趨勢；當樁體接近或到達監測點位后，該層位孔隙水壓力迅速增加并達到峰值；隨著樁體繼續沉入，該層位孔隙水壓力逐漸降低并趨于平穩。沉樁過程中當樁端距測點30倍樁寬時開始影響測點孔隙水壓力；當樁端距測點10倍樁寬時，影響顯著增加。

KY1～KY4號孔位的孔隙水壓力實測數據如圖4所示。

圖4 KY1～KY4孔隙水壓力變化規律

由圖4可知：在沉樁過程中，當沉樁方向朝著監測點靠近時，孔隙水壓力迅速增加，且增幅顯著；當沉樁朝著遠離監測點位方向時，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為先迅速降低再緩慢降低；沉樁樁位離監測點最近時，孔隙水壓力達到峰值，如圖 4a)和圖5a)所示，KY1號孔位孔隙水壓力在14#樁打完時1#-10 m孔隙水壓力達到峰值，15#樁打完時1#-25 m和1#40 m孔隙水壓力達到峰值。由圖4b)和圖5b)可見，KY2號孔位在15#樁打完時2#-10 m孔隙水壓力達到峰值，19#樁打完時2#-25 m、2#-40 m和2#-60 m孔隙水壓力達到峰值。由圖4c)、d)和圖5c)、d)可知，KY3和KY4號孔位各深度孔隙水壓力均在22#樁打完后達到峰值，由于現場預制樁未及時供應上，22#打完后停工一段時間，導致孔隙水壓力有所降低，無法跟蹤監測到之后預制樁施工對KY3和KY4號孔孔隙水壓力的連續影響。

圖5 沉樁期間KY1～ KY 4孔隙水壓力變化規律

根據中國工程建設標準化協會標準《孔隙水壓力測試規程》建議，沉樁工程中應控制超靜孔隙水壓力不超過上覆有效土壓力的60%。據此將KY1～KY4 共4個孔位的不同深度監測點位峰值孔壓與有效上覆土壓力進行對比，結果如表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)，須重點關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10 m出測點，因離地面較近，孔壓消散較快，故KY1～KY3測孔內10 m處孔壓在50%以內。4個測孔內，25～60 m測點孔壓占比均在50%以上，其中實測孔位KY1內1#-25 m測點、KY3內3#-25 m測點、3#-40 m測點和KY4內4#-25 m測點、4#-40 m測點孔隙水壓力峰值超過有效上覆土壓力的60%，最高達88%，易在打樁振動過程中引起土中有效應力喪失，因此建議現場施工中控制打樁速率。

2.2 土壓力實測數據

TY1～TY3號孔位的側向土壓力實測數據如圖 6所示。由圖 6可知，預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，當沉樁方向朝著監測點靠近時土壓力迅速增加，且增幅顯著；當沉樁朝著遠離監測點位方向行走時，土壓力逐漸降低。相比增幅，土壓力減幅稍小，具體表現為先迅速降低、再緩慢降低。

圖6 TY1～ TY3土壓力變化規律

圖7給出鄰近區域沉樁期間TY1～ TY3土壓力變化規律。由圖 7可知，與孔隙水壓力規律類似，沉樁過程中，土壓力峰值主要發生在靠近監測孔位附近的樁位沉樁過程中。隨著沉樁向監控位置靠近，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個土壓力測孔數值變化可知，沉樁土壓力影響范圍在12 m左右。

圖7 沉樁期間TY1～ TY3土壓力變化規律

圖8給出沉樁過程中TY3號孔位土壓力和KY4號孔隙水壓力變化對比，TY3和KY4號孔位相近。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據均相近。可見，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，土壓力達到峰值0.27 MPa；在TY3號影響范圍內無沉樁后，土壓力逐漸消散至0.14 MPa，降幅48%(7 d后)。當影響范圍內有沉樁時，土壓力隨之重新增加。

圖8 TY3和KY4號孔位土壓力和孔隙水壓力對比

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

表3 打樁期間土壓力峰值與初始側向土壓力對比

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88%，易引起樁周有效應力損失，降低樁身穩定性。

2)沉樁對樁周土壓力影響范圍較廣，本項目實測影響范圍在20倍樁寬左右。

3)沉樁過程中，在樁端距測點30倍樁寬時，開始影響測點孔隙水壓力；當樁端距測點10倍樁寬以內時，影響顯著增加。

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

4)在現場施工中，應通過控制沉樁速率、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。