靜壓群樁沉樁擠土效應模型試驗

張建新，趙建軍，鹿 群，孫世光

(天津城市建設學院 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

靜壓群樁沉樁擠土效應模型試驗

張建新，趙建軍，鹿 群，孫世光

(天津城市建設學院 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

以往對沉樁擠土效應的研究主要集中于單樁或雙樁，而對群樁擠土效應的分析較少，但在實際工程中，樁基工程通常都是以群樁的形式來設計和施工的．基于室內(nèi)模型試驗，分析了群樁順序壓入土體后所引起的土體變形規(guī)律、超孔隙水壓力的變化和沉樁前后土體的微觀結構特征．試驗結果表明：群樁壓入后，土體水平側移和地表隆起是不斷累積的，存在著已壓入樁的遮簾作用；超孔隙水壓力并不是單樁引起的超孔隙水壓力的簡單疊加；沉樁后，土體微觀孔隙的大小、形態(tài)和排列特征也發(fā)生了變化，其結構性更加緊密，擠土效應明顯．

群樁；擠土效應；模型試驗

以往對沉樁擠土效應的研究主要集中于單樁或雙樁[1-3]，對群樁的擠土效應分析較少[4-7]，群樁一般是按組合進行分區(qū)，將每一分區(qū)的樁近似為當量單樁，然后按單樁分析群樁的擠土效應，但這種分析方法忽略了樁的施工次序、群樁效應對樁間土及對已施工樁的影響．

在實際工程中，樁基工程通常都是以群樁的形式來設計的，特別是在飽和軟黏土中進行靜壓樁的群樁施工，它是目前建筑工程中經(jīng)常采用的方法．雖然沉樁擠土所引起的土體變形[8-11]、超孔隙水壓力[7,12]等問題早已被人們所重視，但由于群樁分析的復雜性，所以到目前為止還沒有得到較好的工程對策，而對群樁沉樁擠土效應機理的分析則更較少涉及．

本文基于室內(nèi)模型試驗，分析了群樁壓入土體后所引起的土體變形規(guī)律、超孔隙水壓力的變化和沉樁前后土體的微觀結構特征，得到了一些有益的結論，這對分析群樁擠土效應，掌握其擠土機理和工程對策具有重要的實踐意義．

1 模型試驗設計

1.1 試驗裝置

群樁沉樁模型試驗是在尺寸為 1,000,mm×800,mm×1,000,mm(高)的模型箱內(nèi)進行，見圖 1．其中箱體一邊為透明的有機玻璃板，按一定的相似比進行模型試驗設計．試驗制備土體取自天津淺層海相軟土，在雙面排水路徑大約 150,kPa壓力下進行固結，再經(jīng)飽和后測定其物理力學性質(zhì)指標．模型樁選用長為500,mm、直徑(D)為30,mm的有機玻璃棒，樁間距為 4D，模擬 9根群樁擠土情況．由于對稱性，靠箱邊玻璃板的模型樁做成了半樁．壓樁順序為倒 Z字型．

圖1 模型試驗布置

1.2 試驗過程

在模型箱內(nèi)不同位置分別布設土體變形測點和孔隙水壓力測點，試驗時跟蹤量測各測點的數(shù)值變化；試驗前后在不同位置分別取土樣，測定沉樁前后土體物理力學指標的變化和微觀結構的變化．

2 群樁沉樁擠土效應分析

2.1 群樁沉樁引起的土體變形分析

在有機玻璃板不同高度上打4排小孔，深度分別為 50，250，450，500,mm．孔內(nèi)插入銀色大頭針，大頭針可在孔內(nèi)移動，壓樁后根據(jù)大頭針頭部與這些孔的相對位置，量測靠近箱邊的土體水平位移和豎向位移．土體表面不同位置再布置測點，量測群樁中地表的水平位移和隆起變化情況．

2.1.1 三樁時土體變形分析

按照施工順序，先壓入①、②號樁，然后將③號樁一次性壓入土中 500,mm．為便于分析，將模型箱中土體分成一、二、三、四四個區(qū)域，見圖 2．分析三樁壓入后土體的變形規(guī)律．

圖2 土體變形區(qū)域劃分

(1)四區(qū)．側向位移的變化規(guī)律與單樁壓入時土體位移的變化規(guī)律一致，在諸多文獻[1,5,12]中都已涉及，在此不再詳細討論．

(2)三區(qū)．由于已有①、②號樁的壓入，三區(qū)土體的側向位移受到了很大限制，比雙樁(只①、②號樁)時該區(qū)域土體側向位移要小很多，見圖 3、圖 4．該區(qū)地表的隆起量雙樁時為 2.63,mm，而三樁時隆起值變大，最大為3.2,mm．

圖3 壓入①、②號樁后三區(qū)土體側移增量

圖4 壓入③號樁三區(qū)土體側移增量

(3)二區(qū)．表 1為③號樁壓入后二區(qū)土體不同徑向距離和深度處的水平位移值，為便于比較，同時列出了雙樁時該區(qū)位移值．可以看出：由于已壓入樁的遮簾和阻擋作用，導致雙樁、三樁壓入后二區(qū)土體水平位移均較單樁時減少很多，三樁時的量比雙樁時更多．分析認為，雙樁時二區(qū)土體位移只受到已壓入①號樁的阻擋作用，而三樁時二區(qū)不僅受到①號樁的阻擋作用，同時還受到已壓入的②號樁的遮簾作用．而該區(qū)在三樁時的地表隆起變小，最大值只有1.63,mm．

表1 二區(qū)不同深度處水平側移增量 mm

(4)一區(qū)．③樁壓入后該區(qū)土體側向位移與地表隆起都非常小，隆起量最大僅為 0.27,mm．分析認為，由于已壓入兩根樁的遮簾作用，使得該區(qū)位移值如此小，甚至沒什么影響，說明群樁沉樁時樁的遮簾作用不容忽視，同時也可更好地利用遮簾作用，以減小沉樁擠土的危害．

2.1.2 群樁壓入時土體變形分析

在樁群附近布置位移測點標記，布置方式為樁群中心區(qū)域每 40,mm插入一根高約 15,mm的鉛芯(a-g)；樁群外每間隔 10,mm，較遠處每 20,mm 布置一根鉛芯，如圖5所示．按順序壓入每根樁，土體表面變形主要以隆起為主，量測結果見表2．

由表 2可見：地表隆起最大值發(fā)生在最后的⑥號樁壓入后樁群d點處，隆起量為3.78,mm，約為樁徑的12.6%；靠近樁群中心處地表隆起量大，遠離中心靠近樁群外地表隆起量逐漸變小．同時發(fā)現(xiàn)樁群外地表面處水平位移量是不斷增加的，約5D處仍可量測到水平位移．

2.2 沉樁引起的超孔隙水壓力分析

試驗時，在樁群內(nèi)外不同位置土體中共埋置了 5只孔壓計(U1—U5)，其布置方法見圖 6．在壓樁過程中對超孔隙水壓力進行同步量測，結果見表3．

表2 樁群中地表隆起量 mm

表3 各測點超孔隙水壓力值 Pa

分析表3可以得到以下結果．

(1)單樁沉樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨著測點至樁徑向距離的加大而呈非線性減小；樁群中超孔隙水壓力要大于群樁外的孔壓值；超孔壓的產(chǎn)生范圍約在10D以內(nèi)，其外土體的超孔壓將變得很?。?/p>

(2)隨著測點深度的增加，在樁長范圍內(nèi)，超孔壓值在不斷增加，且外側增加幅度要大于樁間土中；另外，群樁施工后所產(chǎn)生的最大超孔隙水壓力與有效上覆土壓力的比值與測點埋深有關，在樁群淺層土中的超孔壓值僅為上覆壓力值的 59%，而位于深度 500,mm處的超孔壓值則達到了上覆土壓力的82%．

(3)試驗發(fā)現(xiàn)，孔隙水壓力變化滯后于沉樁施工．分析認為，試驗土體滲透性較低是沉樁引起超孔壓傳遞滯后的主要原因．

2.3 沉樁前后土體的微結構特征

壓樁前后分別在模型箱內(nèi)采取土樣，對其進行了微觀結構實驗．壓樁后取樣平面位置見圖 7，深度方向取樣位置分別為土層表面處和深200,mm處．采用LeicaQwin5000偏光圖像處理系統(tǒng)，對拍攝的電鏡照片進行了處理和分析．

圖7 壓樁后取樣位置平面示意

2.3.1 沉樁前后土體微觀結構的比較

沉樁前后深 200,mm處土體微觀結構的照片見圖 8．對比分析可以看出：沉樁前深 200,mm 處的土體結構均表現(xiàn)為較疏松狀態(tài)，孔隙形狀不規(guī)則；沉樁后樁周土體孔隙明顯減小，孔隙的方向性增強；而且隨著深度的增加，其結構性更加緊密，擠土效應明顯．

圖8 深200 mm處微觀照片

2.3.2 土體微觀孔隙的大小與形態(tài)參數(shù)的變化

為了研究群樁擠土引起的樁周土體微觀結構的變化，針對圖8統(tǒng)計了沉樁前后有代表性的微結構定量化參數(shù)，見表4．

表4 壓樁前后樁周土體的微觀結構參數(shù)

由表4可以看出：

(1)深 200,mm處土層的等效直徑值較壓樁前有所減小，說明沉樁后土體孔隙有所降低，而隨著深度的增加等效直徑變小的趨勢很明顯；

(2)群樁貫入土體后，樁周土體的孔隙體積大幅度減小，平面孔隙率和孔隙周長也隨之減小，隨著取土深度的增加，這種減小的趨勢也有所增加；

(3)群樁貫入土體后，樁周土體被壓縮，單個孔隙被壓成多個，孔隙個數(shù)增多，從而導致有不斷被擠密的現(xiàn)象發(fā)生，而且隨著深度的增加這種擠密效果更加明顯；

(4)群樁壓入后，孔隙的圓度值和形態(tài)比也都有所提高，說明壓樁后孔隙形狀的不規(guī)則程度提高．這是由于沉樁擠土使土顆粒發(fā)生折斷、破碎、互相重疊，以及顆粒的重新組合和排列的結果；

(5)沉樁后，深 200,mm 處土層的顆粒平面分布分維數(shù)增加，孔隙的平面分布分維數(shù)降低，說明沉樁后顆粒的分布面積增大，孔隙的分布面積減小，擠土效應明顯．

2.3.3 微觀孔隙排列特征參數(shù)的變化

采用孔隙定向頻率描述壓樁前后微觀孔隙的排列特征．將 0°～180°分成 n個等份(區(qū)位)，則每個區(qū)代表方向的角度范圍為 a＝180°/n，由此可求出在0°～180°范圍內(nèi)第 i個區(qū)位孔隙的定向頻率，其計算公式如下

式中：mi為孔隙的長軸方向在第 i個區(qū)位內(nèi)的個數(shù)；M為孔隙的總個數(shù)．

改變 a的值，可得到不同頻率的分布情況，一般取a＝10°．圖9示例了壓樁后200,mm深度處垂直截面孔隙定向頻率分布(其它土樣的頻率分布圖限于篇幅沒有列出)．

圖9 壓樁后深200 mm垂直截面孔隙定向頻率分布

由圖9可知：沉樁前深200,mm處的孔隙分布頻率的分布方向主要集中在 15°～75°和 75°～135°，而沉樁后主要集中在 15°～65°和 65°～135°；沉樁前地表處的孔隙分布頻率的分布方向主要集中在 15°～90°和95°～130°，而沉樁后主要集中在 15°～60°和 75°～135°．說明群樁沉樁后，土層表面處和深 200,mm 處土體孔隙的定向性由于沉樁擠土均有所增強，地表處的孔隙定向性較地表下一定深度要大．

2.3.4 土體物理力學性質(zhì)變化的微觀解釋

由前述分析可知，群樁沉樁后土體中顆粒的平面分布分維數(shù)增大，孔隙的平面分布分維數(shù)減?。簿褪钦f，土體在沉樁后顆粒與顆粒之間的孔隙減少，孔隙中的氣體和水在沉樁作用下排出，造成在單位面積內(nèi)顆粒的數(shù)量增多，推廣到三維，單位體積內(nèi)的顆粒增多，即提高了顆粒的密實度．反映到宏觀上，就是沉樁后土體的含水率減小，孔隙比減小，濕密度增大，滲透系數(shù)降低．同時，壓樁后土顆粒的圓度和形態(tài)比變大，顆粒在幾何形態(tài)上向扁長方向發(fā)展，即土體在受壓后，土中氣體、水被擠出，顆粒的形狀變得狹長，顆粒間的孔隙減小，土顆粒之間集合得更緊密，因此群樁沉樁后的宏觀物理力學指標在微觀上得到了印證．

3 結 論

(1)樁壓入后土體水平側移和地表隆起是不斷累積的，存在著已壓入樁的遮簾作用，應該在實際工程中得到重視．

(2)群樁沉樁時產(chǎn)生的超孔隙水壓力并不是單樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力的簡單疊加．樁群內(nèi)部中心樁附近的超孔隙水壓力值明顯大于邊樁處，樁群外部超孔隙水壓力分布類似于單樁情況，且都隨著埋深的增加而增大．

(3)群樁壓入后，樁群中土體孔隙明顯減小，孔隙的方向性增強，且隨深度的增加其結構性更加緊密；等效直徑、平面孔隙率、孔隙周長都有所減小；孔隙個數(shù)增多，土顆粒的圓度和形態(tài)比變大，孔隙定向性集中于一到兩個方向，從微觀上沉樁擠土效應更加明顯．

(4)基于群樁模型試驗，對沉樁擠土效應進行分析，目的在于揭示壓樁前后土體變形、超孔隙水壓力和土體微觀結構特征的變化規(guī)律，這是一種嘗試，還有待實際工程的檢驗．

［1］張明義. 靜力壓入樁的研究與應用[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.

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

［3］鹿 群，龔曉南. 飽和成層地基中靜壓單樁擠土效應的有限元模擬[J]. 巖土力學，2008，29(11)：3 017-3 020.

［4］羅戰(zhàn)友，龔曉南，朱向榮. 考慮施工順序及遮欄效應的靜壓群樁擠土位移場研究[J]. 巖土工程學報，2008，30(6)：825-829.

［5］羅戰(zhàn)友. 靜壓樁擠土效應及施工措施研究[D]. 杭州：浙江大學，2004.

［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)：1 290-1 294.

［7］SCHNAID F， MANTARAS F M. Cavity expansion in cemented materials：structure degradation effects[J].Geotechnique，2003，53(9)：797-807.

［8］周 健，徐建平，許朝陽. 群樁擠土效應的數(shù)值模擬[J]. 同濟大學學報，2000，28(6)：721-725.

［9］SAGASETA C，WHITTLE J. Prediction of ground movements duo to pile-driving in clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127(1)：55-66.

［10］MABSOUT M E，TEESE L C，TASSOULAS J L. Study of pile driving by finite-element method[J]. Journal of Geotechnical Engineering：ASCE，1995，121：535-543.

［11］鹿 群. 成層地基中靜壓樁擠土效應與防治[D]. 杭州：浙江大學，2007.

［12］王育興，孫 鈞. 打樁施工對周圍土性及孔隙水壓力的影響[J]. 巖石力學與工程學報，2004，23(1)：153-158.

Model Test on Squeezing Effect in Static Pressed Pile Group

ZHANG Jian-xin，ZHAO Jian-jun，LU Qun，SUN Shi-guang
(Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TIUC，Tianjin 300384，China)

In the past，the study of squeezing effect by pile driving was mainly focused on single pile or double piles, with meager research into that of the pile group. However，in practical terms, the design and construction of pile foundation engineering are usually embodied by pile group. Based on the indoor model test, the soil deformation caused by group pile pressing，excess pore water pressure and micro-structural characteristics of soil have been analyzed. The test result shows that the soil horizontal displacement and land upheaval accumulate continuously，with sheltering effects after pile pressing. Excess pore water pressure is not the simple stacking of the pressure of each pile.With the pile being driven，and the change of the size，appearance and arrangement character of micro-pore，soil’s structure gets more compacted，and squeezing effect becomes significant.

pile group；squeezing effect；model test

TU473.1

A

1006-6853(2010)02-0085-06

2010-03-15；

2010-04-02

國家自然科學基金(40972170)；天津市自然科學基金(09JCYBJC07800)

張建新（1965—），男，河北定興人，天津城市建設學院教授，博士.