預(yù)制樁施工中超孔隙水壓力監(jiān)測(cè)案例分析

李 睿

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200001）

0 引言

城鎮(zhèn)化的進(jìn)程一方面為人民群眾提供了更加方便快捷的生活環(huán)境，另一方面不可避免地會(huì)帶來(lái)城市核心區(qū)域土地資源逐漸稀缺，特別是東部沿海地區(qū)，土地價(jià)格和住宅價(jià)格增長(zhǎng)明顯，這些因素迫使城市的建設(shè)逐步向地下更深處或者天空更高處發(fā)展，城市內(nèi)出現(xiàn)了越來(lái)越多的高層住宅及商業(yè)建筑。這些建筑物荷載較大，對(duì)工程建設(shè)穩(wěn)定性要求高，而東部沿海地區(qū)主要以軟土～中軟土為主，對(duì)重要性等級(jí)較高或者荷載較大的建筑物而言需進(jìn)行地基處理，結(jié)合各地區(qū)的巖土特點(diǎn)，一般的地基處理方式以預(yù)制樁及鉆孔灌注樁為主。

相比鉆孔灌注樁造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)、環(huán)境污染大的缺點(diǎn)，預(yù)制混凝土樁憑借其造價(jià)較低、施工速度快、可提前預(yù)制及環(huán)境污染小等特點(diǎn)在東部沿海地區(qū)被廣泛采用。根據(jù)場(chǎng)地的周邊環(huán)境和地質(zhì)條件可以選擇錘擊法沉樁或靜壓法沉樁，后者是預(yù)制樁施工的主要方法之一。但在地下水位較低的飽和土層中，預(yù)制樁沉樁過(guò)程中容易出現(xiàn)由于管樁的擠土效應(yīng)引起的超孔隙水壓力[1]，致使樁周飽和砂土和粉土出現(xiàn)液化、鄰近樁基上浮及擠土作用對(duì)周邊管網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，因此，預(yù)制樁施工中土層超孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)工作具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1 孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)

1.1 孔隙水壓力概念

依據(jù)土體的三相組成，在飽和土體中僅由固體及液體兩相組成，固體即土粒顆粒、土骨架，液體即顆粒間的孔隙水。沉樁過(guò)程中，土的體積被樁的體積所置換，土顆粒間出現(xiàn)擠壓，一部分土體發(fā)生塑性破壞，此時(shí)土體主要承受兩部分外力作用：顆粒間應(yīng)力及孔隙水壓力[2]。顆粒間應(yīng)力主要通過(guò)顆粒間的接觸面?zhèn)鬟f應(yīng)力，由土體骨架承擔(dān)；孔隙水壓力則是通過(guò)孔隙水傳遞，但孔隙水壓力僅可承受法向應(yīng)力，而無(wú)法承受剪應(yīng)力。

孔隙水壓力根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理主要分為靜孔隙水壓力及超孔隙水壓力[3]。靜孔隙水壓力是普遍存在飽和土體中的一種力，是由穩(wěn)定土體中的靜水位自重引起的，不隨時(shí)間的變化而變化；而超孔隙水壓力是在受到外力作用或水位急劇變化時(shí)土層中產(chǎn)生的一種力，由附加應(yīng)力引起，固結(jié)過(guò)程中逐步向有效應(yīng)力轉(zhuǎn)換，變化規(guī)律與時(shí)間有關(guān)。

1.2 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)方法

孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)可采用孔壓靜力觸探試驗(yàn)或孔隙水壓力計(jì)測(cè)量[4]。孔壓靜力觸探試驗(yàn)是在雙橋靜力觸探試驗(yàn)探頭上加入了水壓力傳感器，適合于軟土及中軟土地區(qū)，實(shí)踐證明，孔壓靜力觸探試驗(yàn)探頭的壽命較短、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)且試驗(yàn)結(jié)果誤差大，一般較少采用；孔隙水壓力計(jì)可根據(jù)試驗(yàn)要求選擇埋設(shè)的深度及位置，可長(zhǎng)時(shí)間對(duì)孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，近期振弦式水壓力計(jì)使用較多，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、溫度敏感低、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)，更適合長(zhǎng)期的高精度水壓力監(jiān)測(cè)工作。

2 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)案例

為了減少超孔隙水壓力對(duì)周邊環(huán)境及鄰近樁基的影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)沉樁過(guò)程中超孔隙水壓力的變化為后續(xù)樁基的施工速度及施工方案提供數(shù)據(jù)參考。

2.1 項(xiàng)目概況

白鶴灘-浙江±800kV特高壓直流輸電工程受端換流站工程位于浙江省杭州市余杭區(qū)塘棲鎮(zhèn)五坑村、唐公村行政區(qū)域內(nèi)，站址北距京杭大運(yùn)河250m，西側(cè)緊鄰順達(dá)路，場(chǎng)地東部有村道通過(guò)，交通便利。為確定樁基施工方案，選擇場(chǎng)地西北角，進(jìn)行樁基前期試樁工作，對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的樁基進(jìn)行抗壓/水平靜載荷試驗(yàn)及孔隙水壓力監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)試樁位置平面示意圖見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試樁位置平面示意圖

2.2 地質(zhì)條件

擬建站址位于浙北平原區(qū)的杭嘉湖平原西南部，地貌成因?yàn)闆_湖積、海積平原。場(chǎng)地地勢(shì)相低洼，地形較為平坦，地面高程一般為2.0～4.0m，場(chǎng)地現(xiàn)以菜地和果園為主。場(chǎng)地地層分布較為平穩(wěn)，上部以第四系全新統(tǒng)湖沼積粉質(zhì)黏土、海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、沖海積黏質(zhì)粉土和海積淤泥質(zhì)黏土為主，下部以第四系上更新統(tǒng)沖湖積粉質(zhì)黏土、海積粉質(zhì)黏土和沖積成因的圓礫混砂為主。各地基土層性狀及分布自上而下描述見表1。

表1 各地基土層性狀及分布描述

2.3 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，平面上測(cè)試孔宜沿著應(yīng)力變化最大方向并結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象位置布置，本次試驗(yàn)擬布置3個(gè)點(diǎn)位（SY01、SY02、SY03），孔深45m，分別布置在樁深43m管樁附近，在垂直方向上測(cè)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)分布特點(diǎn)和地層結(jié)構(gòu)布設(shè)，本次試驗(yàn)每隔5m深度布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，保證每個(gè)布孔每層不少于一個(gè)測(cè)點(diǎn)，管樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)布置圖見圖2。

圖2 管樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)布置圖

采用鉆機(jī)成孔，成孔后先向孔內(nèi)注入高為20cm的粗砂，然后向孔內(nèi)緩緩放入孔隙水壓力計(jì)，再灌入30cm的粗砂，填入黏性土，依次埋設(shè)下一個(gè)孔壓計(jì)，上部用黏性土密封好，孔隙水壓力計(jì)引出電纜用套筒保護(hù)，探頭和讀數(shù)儀通過(guò)電纜相連，用于觀測(cè)孔隙水壓力計(jì)的頻率變化，通過(guò)換算得到孔隙水壓力變化情況。

孔隙水壓力計(jì)算式如下：

式中：

u——孔隙水壓力，kPa；

k——標(biāo)定系數(shù)，kPa/Hz2；

?i——測(cè)試頻率，Hz；

?0——初始頻率，Hz。

在樁基施工前先對(duì)孔壓力計(jì)進(jìn)行測(cè)讀，在施工過(guò)程中進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，直到孔隙水壓力消散情況恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求。

3 監(jiān)測(cè)成果分析與討論

孔隙水壓力試驗(yàn)的主要目是觀測(cè)PHC樁在打樁過(guò)程中土層中孔隙水壓力的增加與消散情況，為工程樁施工時(shí)提供合理間距與打樁順序。該試驗(yàn)于2021年3月13日開始于2021年4月5日晚上結(jié)束。

3.1 監(jiān)測(cè)成果

現(xiàn)場(chǎng)采用的孔隙水壓力測(cè)試儀系常州生產(chǎn)，設(shè)備編號(hào)SYYT-KY-2021-03。分別對(duì)樁基影響范圍內(nèi)5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m及40m處進(jìn)行孔隙水壓力監(jiān)測(cè)并計(jì)算超孔隙水壓力。SY02孔孔隙水壓力與時(shí)間的變化關(guān)系及超孔隙水壓力與時(shí)間變化關(guān)系情況見圖3～圖4。

圖3 SY02孔孔隙水壓力與時(shí)間的變化關(guān)系

圖4 SY02孔超孔隙水壓力與時(shí)間變化關(guān)系

3.2 分析與討論

（1）根據(jù)沉樁過(guò)程中孔隙水壓力及超孔隙水壓力與時(shí)間的變化關(guān)系可知，開始施工后，場(chǎng)地內(nèi)各深度處孔隙水壓力均發(fā)生變化，且在施工第一天變化最為明顯，隨著樁基施工的進(jìn)行，場(chǎng)地內(nèi)孔隙水壓力及超孔隙水壓力逐漸趨于穩(wěn)定，樁基施工完成后一段時(shí)間場(chǎng)地內(nèi)超孔隙水壓力逐步開始緩慢消散，打樁結(jié)束4d后孔壓消散約25%。由于場(chǎng)地內(nèi)樁側(cè)主要土層以滲透性較弱的黏性土及淤泥質(zhì)土為主，土顆粒間孔隙較小，孔隙水傳遞速度慢，導(dǎo)致擠密效應(yīng)引起的超孔隙水壓力不易消散，根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，砂土中超孔隙水壓力消散速度較快，一般于施工完成后1～2d內(nèi)可消散90%以上，而黏性土中的消散速度較慢[5-6]。

（2）由于不同的樁與孔壓埋設(shè)點(diǎn)土層的距離遠(yuǎn)近不同，孔隙水壓力的上升幅度亦有區(qū)別。根據(jù)沉樁過(guò)程中樁側(cè)土體的受力情況，近樁側(cè)位置土層出現(xiàn)塑性破壞，土顆粒重新排列，該處的超孔隙水壓力最大；而在樁側(cè)外一定范圍內(nèi)僅出現(xiàn)部分彈性變形或土層基本不受沉樁的影響，超孔隙水壓力較小或?yàn)榱恪Ｒ虼耍瑧?yīng)重視沉樁引起的超孔隙水壓力對(duì)周邊環(huán)境造成的破壞；按照第一天試驗(yàn)的試樁結(jié)果并結(jié)合孔壓測(cè)試孔與樁之間的距離可以得知：在打樁間距大于3.8m時(shí)土層中超孔隙水壓力與有效覆蓋應(yīng)力之比一般小于60%，滿足《孔隙水壓力測(cè)試規(guī)程》要求[7]，確定打樁間距需大于3.8m，在3.8m之內(nèi)布置有打入樁時(shí)，要設(shè)置24h以上的間歇期，大規(guī)模施工中務(wù)必采取隔行跳打；另一方面，根據(jù)樁身附近的孔壓測(cè)試土層中15m內(nèi)的瞬時(shí)超孔隙水壓力與有效覆蓋應(yīng)力之比大于規(guī)范要求的60%，沉樁過(guò)程中需控制好沉樁速率，避免在較短時(shí)間內(nèi)連續(xù)打入大量樁，必要時(shí)可考慮預(yù)鉆孔措施進(jìn)行排水卸壓。

（3）根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，打樁過(guò)程中超孔隙水壓力最大值為315.3kPa（SY02孔），出現(xiàn)在35.0m深度處，位于5-1（黏土）層及5-2（粉質(zhì)黏土）層中，距離樁端持力層6（圓礫混砂）約2.0～3.0m；由于樁側(cè)除樁端持力層外均為低滲透性土層，層6（圓礫混砂）超孔隙水壓力消散速度較快，沉樁時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)超孔隙水壓力在短時(shí)間內(nèi)可消散，造成在該深度處的超孔隙水壓力反而比35.0m的小。因此，宜控制好沉樁速率，在黏性土中不宜過(guò)快，在砂性土中可根據(jù)工程需要適當(dāng)增加沉樁速率。

4 結(jié)束語(yǔ)

靜壓管樁基礎(chǔ)方案已成為東部沿海地區(qū)進(jìn)行地基處理的首選方案。對(duì)于地下水位較低的飽和土層，靜壓樁基施工時(shí)易出現(xiàn)較大的超孔隙水壓力，對(duì)周邊的建筑物及主要管網(wǎng)的影響較大。本文依托白鶴灘-浙江±800kV特高壓直流輸電工程受端換流站工程前期試樁過(guò)程中孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)結(jié)果，介紹了超孔隙水壓力產(chǎn)生的機(jī)理及主要的監(jiān)測(cè)手段，分析了沉樁過(guò)程中超孔隙水壓力的影響因素及變化趨勢(shì)，以供同行借鑒。