深厚軟土地區(qū)孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)技術(shù)研究

付貴海，魏麗敏，王永和，周 慧

(1.中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，長沙 410075;2.湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000;3.湖南城市學(xué)院 城市管理學(xué)院，湖南 益陽 413000)

在深厚軟土地區(qū)采用錘擊法或靜壓法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管樁施工，由于土體受到劇烈擾動及軟土較差的滲透性，會在樁周飽和軟土中產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力，擠土使樁周土隆起，可造成已打入的樁上浮、側(cè)移或撓曲，損壞附近的地下管線和設(shè)施。因此在沉樁過程中進(jìn)行孔壓力監(jiān)測很有必要?？讐河?jì)埋設(shè)的質(zhì)量對測試結(jié)果有較大的影響，多數(shù)論文對監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析得較多，對埋設(shè)過程、埋設(shè)方法介紹得較少［1-5］，而部分文獻(xiàn)只介紹一個孔埋設(shè)一個孔壓計(jì)的情況［6-8］。在江浙一些地區(qū)，軟土深達(dá)數(shù)十米，一孔埋設(shè)一個孔壓計(jì)并不困難，但鉆孔工作量大，不經(jīng)濟(jì)，且不同深度的孔壓計(jì)在平面上的距離相差較大，此時土質(zhì)條件可能發(fā)生較大變化，因此得到的孔隙水壓力變化規(guī)律并不是在同一個豎直平面內(nèi)不同深度的孔壓變化規(guī)律，也就是說測試數(shù)據(jù)會缺乏相比性。若一孔設(shè)置多個孔壓計(jì)，埋設(shè)第一個會比較順利，但埋設(shè)其余孔壓計(jì)會因?yàn)榭s孔而導(dǎo)致孔壓計(jì)埋設(shè)不到位。張功新等利用改進(jìn)后的孔壓計(jì)封孔裝置，實(shí)現(xiàn)一孔埋設(shè)多個孔壓計(jì)，但其裝置制作比較麻煩，還有可能壓壞孔壓計(jì)[9]。本文結(jié)合實(shí)際工程，摸索出一套在深厚軟土地區(qū)埋設(shè)孔壓計(jì)的適用方法。

1 工程概況

新建杭甬鐵路為時速300～350 km的無砟軌道客運(yùn)專線，杭甬客運(yùn)專線上虞北站位于浙江省上虞市境內(nèi)，屬沖海積平原區(qū)，主要辟為園林、果園，有數(shù)條溝渠橫穿站址，水塘零星分布。地表水主要來自溝渠和塘水;地下水以第四系孔隙潛水為主，埋深約0.5～2.5 m，主要受大氣降水及地表水的補(bǔ)給。鐵路正線及其它站線地基采用預(yù)應(yīng)力管樁+筏板結(jié)構(gòu)加固，樁徑0.5 m，樁間距2.5 m，樁長43～47 m(樁端嵌入(3)4細(xì)圓礫土層內(nèi)不小于1.0 m)，按正方形布置?？紫端畨毫τ?jì)埋設(shè)于K73+400斷面附近，該斷面工程地質(zhì)概況見表1。

表1 工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)樁SP3布置于DK73+400斷面處，在距試驗(yàn)樁SP3中心前后左右1.25 m處布置4個測試孔，其中一個孔埋設(shè)4個孔壓計(jì)，另外三個孔每孔布置3個孔壓計(jì)，孔壓計(jì)設(shè)計(jì)最大埋深41 m，采用鉆孔埋設(shè)。

2 孔壓計(jì)埋設(shè)步驟

2.1 埋設(shè)前準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)采用的是長沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JMZX-5506AT和JMZX-5510AT兩種型號的孔隙水壓力計(jì)，導(dǎo)線采用四芯加強(qiáng)屏蔽水工電纜線，用綜合測試儀可直接顯示壓力值，也可顯示振弦頻率，測量直觀、簡便、快捷。而傳統(tǒng)的孔隙水壓力計(jì)大都直接顯示振弦頻率，根據(jù)振弦頻率和孔隙水壓力的關(guān)系公式再計(jì)算孔隙水壓力值。埋設(shè)前應(yīng)做以下準(zhǔn)備工作:①制作砂袋。為了保證孔隙水壓力計(jì)進(jìn)水口暢通，防止泥漿堵塞，用較密的尼龍網(wǎng)自制比孔壓計(jì)直徑大2～3 cm的砂袋，見圖1。其內(nèi)裝中細(xì)砂，將孔隙水壓力計(jì)部分放置在砂袋中，要保證孔隙水壓力計(jì)上的透水石全部置于砂中，砂袋上部用鐵絲固定在孔隙水壓力計(jì)上，防止砂袋滑落。②購買細(xì)繩子。本試驗(yàn)采用直徑為4 mm的尼龍繩，其作用有兩方面:一是保護(hù)導(dǎo)線，將細(xì)繩系于孔壓計(jì)頂部，在孔隙水壓力計(jì)下沉過程中逐漸釋放繩子，不要讓導(dǎo)線受力以免被拉斷;二是通過細(xì)繩確定孔壓計(jì)下沉的深度。③準(zhǔn)備黏土泥球。泥球主要用于封孔，封孔目的是隔斷水壓計(jì)上下水源，以防竄孔。泥球是用膨潤土制成，風(fēng)干后的泥球遇水崩解，從而達(dá)到封孔的目的。泥球可以自制也可購買，自制比較麻煩，泥球因黏性大不易搓且風(fēng)干時間較長，至少一周以上，未風(fēng)干的泥球不易崩解。④水中浸泡。在埋設(shè)前將孔隙水壓力計(jì)連同砂袋一起放入清水中浸泡4～5 h，目的主要是排除孔隙水壓力計(jì)空腔及透水石內(nèi)的空氣，提高測試的精度。⑤調(diào)零。另外埋設(shè)前還要將孔隙水壓力計(jì)連接到綜合測試儀，校準(zhǔn)孔隙水壓力計(jì)的零點(diǎn)。綜合測試儀見圖2。

圖1 砂袋包裹的孔隙水壓力計(jì)

圖2 綜合測試儀

2.2 鉆孔

在深厚軟土地區(qū)鉆孔若采用干鉆會產(chǎn)生塌孔、縮孔現(xiàn)象，必須采用套管跟進(jìn)。但當(dāng)鉆孔過深時套管難以拔出，后考慮采用泥漿護(hù)壁鉆孔，見圖3。因擔(dān)心可能產(chǎn)生縮孔，應(yīng)采用110 mm及以上的大直徑鉆頭鉆孔。泥漿為鉆機(jī)鉆孔產(chǎn)生的泥漿，鉆孔過程中注意泥漿的稠度。用鉆桿的長度控制鉆孔的深度，鉆孔深度應(yīng)比孔隙水壓力計(jì)最大設(shè)計(jì)埋深深50 cm，鉆孔過程較為順利。

圖3 現(xiàn)場泥漿護(hù)壁鉆孔

2.3 孔隙水壓力計(jì)的埋設(shè)

鉆孔完成后立即用清水進(jìn)行清孔，若不清孔，封孔用的泥球及填充用的粗砂由于泥漿的較大浮力難以下沉。清孔后先往孔內(nèi)填大約厚0.5 m的砂子，而后迅速用細(xì)繩將埋設(shè)位置最深的孔壓計(jì)下沉到位，繩子可通過打結(jié)的方式做記號，確定下沉深度。填大約厚0.5 m的粗砂，用砂量可通過計(jì)算大致確定。其后將泥球投入到鉆孔中，為防止泥球出現(xiàn)架空情況無法下沉，可將鉆機(jī)的鉆頭取掉，將鉆桿接長深入鉆孔中一定深度，在投擲泥球的過程中，使鉆桿上下升降幾次以免泥球出現(xiàn)架空情況，泥球的厚度應(yīng)至少在1 m以上。泥球投擲完成后，繼續(xù)往孔內(nèi)填粗砂，若兩孔隙水壓力計(jì)的距離較大，通過用砂量控制填砂深度比較困難，可用人工升降鉆桿接觸填砂面確定填砂的深度。因?yàn)槊抗?jié)鉆桿的長度是固定的，通過計(jì)算鉆桿的長度可確定填砂的深度。距次深的孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)高程大約1.5 m處停止填砂，向孔內(nèi)投擲泥球，泥球的厚度應(yīng)保證至少有1 m，而后往孔內(nèi)填砂子約0.5 m。此時因軟土的自穩(wěn)性較差，加上填砂造成的擾動，孔內(nèi)可能出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，孔隙水壓力計(jì)難以下沉到位。孔隙水壓力計(jì)生產(chǎn)廠家一般會提供安裝夾具和安裝套筒，見圖4。安裝夾具可擰在鉆機(jī)的鉆桿上，安裝套筒可擰在孔隙水壓力計(jì)上，該工具主要用于壓入埋設(shè)法。在鉆孔出現(xiàn)縮孔，影響埋設(shè)時，可用細(xì)繩系于孔隙水壓力計(jì)頂部，安裝夾具擰在鉆機(jī)的鉆桿上，此時可不用安裝套筒，讓孔隙水壓力計(jì)頂部伸入安裝夾具內(nèi)并互相接觸，緩緩將孔隙水壓力計(jì)壓入鉆孔內(nèi)，逐漸釋放繩子，不要讓導(dǎo)線受力，直至設(shè)計(jì)深度，提升鉆桿。次深的孔隙水壓力計(jì)就位后，向鉆孔內(nèi)填粗砂，填砂的深度應(yīng)在孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)位置0.5 m左右，而后又向孔內(nèi)投擲泥球，泥球厚度應(yīng)不少于1 m。孔內(nèi)其余孔隙水壓力計(jì)可按上述方法埋設(shè)。以測孔3-2為例，共布置3個孔隙水壓力計(jì)，埋設(shè)深度分別為5 m、17.5 m和29 m，孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)示意見圖5。

圖4 安裝夾具及套筒

圖5 孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)示意

2.4 孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)后情況

孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)完7 d后，埋設(shè)過程產(chǎn)生的超孔隙水壓力基本消散，測得孔隙水壓力初始值如表2，在打樁過程中某時刻所測得超孔隙水壓力與埋深的關(guān)系曲線如圖6。

圖6 超孔隙水壓力與埋深的關(guān)系曲線

由表2可知，用上述方法埋設(shè)的孔隙水壓力計(jì)，除一個無數(shù)據(jù)外，其余孔隙水壓力初始值約等于埋深處的靜水壓力，表明測試結(jié)果正常。由圖6可以看出，打樁過程中各個孔壓計(jì)所測超孔隙水壓力差別顯著，說明上下孔壓計(jì)之間封孔效果良好，未出現(xiàn)竄孔現(xiàn)象。圖6顯示，打樁過程中20.5 m深度處的孔隙水壓力最大值可達(dá)109 kPa，其他各孔孔隙水也出現(xiàn)較大增長。由此可見，預(yù)應(yīng)力管樁的打樁過程對樁周土可產(chǎn)生較大的擾動影響，一方面管樁的下沉可使地基土受到擠壓，產(chǎn)生擠土效應(yīng);另一方面樁錘的擊打也可對其產(chǎn)生振動影響，這兩方面影響都將導(dǎo)致樁周土的孔隙水壓力顯著地增長，使地基土體原有結(jié)構(gòu)部分遭到破壞、有效應(yīng)力減小、強(qiáng)度下降。

表2 孔隙水壓力初始值

3 結(jié)論

進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，精心準(zhǔn)備，做好試驗(yàn)方案，將試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的問題考慮周全，將會事半功倍。一般來說，在深厚軟土地區(qū)一孔埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)最好不要超過3個，最深和最淺的孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)較為容易，中間部分的孔隙水壓力計(jì)由于縮孔，埋設(shè)較為困難，且要注意封孔。采用本文所述的方法有效地解決深厚軟土地區(qū)因縮孔不易埋設(shè)孔壓計(jì)問題，且埋設(shè)方便快速，定位準(zhǔn)確，有效地防止了上下孔連通問題。

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