基于模型試驗的群樁沉樁后超孔隙水壓力分析

孫世光 張鳳亮

超孔隙水壓力是影響軟土地基中樁基設(shè)計和施工的重要因素。在飽和軟土中沉樁,由于樁的擠壓作用,樁要排開同體積的土體,使周圍土中的應力場發(fā)生很大變化,會產(chǎn)生很高初始超孔隙水壓力[1,2],沉樁后超孔隙水壓力會逐漸消散,但消散較緩慢,這種超孔隙水壓力的存在,不僅影響著樁的承載力,而且還妨礙了施工的進度,甚至還會對周圍環(huán)境產(chǎn)生很大的影響。因此,研究沉樁引起的超孔隙水壓力大小、分布及消散規(guī)律對研究樁基承載力和樁周土固結(jié)有著重要意義。

2 孔壓計埋設(shè)情況

試驗時,量測了群樁壓入土體后的超孔隙水壓力的變化,在樁群內(nèi)外不同位置和深度的土體共埋置了5只孔壓計(U1～U5),孔壓計分別埋入離樁中心外不同距離和深度處,其布置方法見圖2。在壓樁過程中對各測點超孔壓進行同步測量,各測點在不同工況下的超孔壓值列于表2。

1 群樁模型試驗情況

群樁模型試驗在尺寸為1 000 mm(長)×1 000 mm(高)×800 m(寬)的模型箱內(nèi)進行,按一定的相似比進行模型試驗設(shè)計。試驗土樣取自天津淺層海相軟土,經(jīng)過晾曬、破碎、填箱、加壓固結(jié)等過程,壓樁前進行了土工試驗,土性參數(shù)見表1。

表1 壓樁前土性參數(shù)

表2 各測點處超孔隙水壓力值

模型樁選用長(L)為500 mm、直徑(D)為30 mm的有機玻璃棒,樁間距采用4D,模擬9根群樁擠土情況,由于對稱性,靠玻璃板的模型樁做成了半樁。樁體布置圖見圖1。

3 試驗成果分析

3.1 超孔隙水壓力徑向變化分析

由表2,圖3可見,當單樁沉樁時,先沉入樁對測點附近土體擾動較少,因此此時各測點超孔壓值變化也較少(工況一)。隨著群樁的不斷壓入,沉樁產(chǎn)生的初始超孔隙水壓力在相同深度處的水平方向,隨著測點至樁軸距離的加大而呈非線性減小,這與大量實測資料和模型試驗結(jié)果[3,4]基本一致。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)生范圍約在單樁直徑的5D以內(nèi),其外土體的超孔壓將變得很小。

3.2 超孔壓沿深度的變化

本次模型試驗沿樁側(cè)在兩個深度位置埋設(shè)了孔壓計,分別為土層面下250 mm處的 U1,U3,樁端處的U2,U4。雖然測點較少,但還是看到隨著測點深度的增加,在樁長范圍內(nèi),超孔隙水壓力也是不斷增加的,且較深處超孔壓值增加幅度大于樁間淺層土中超孔壓值(見表3)。另一方面,群樁施工后所產(chǎn)生的最大超孔隙水壓力與有效上覆壓力比值與測點埋深有關(guān),在樁群淺層土中的超孔壓值僅為上覆壓力值的59%,而位于樁群深度500 mm測點處的超孔隙水壓力值達到上覆土壓力的82%。

表3 不同工況下不同深度處超孔壓比值

3.3 沉樁順序的影響

本次模型試驗采用倒“Z”字形壓樁順序依次將模型樁壓入土中。隨著樁的不斷壓入,測量各點超孔壓值呈不斷增長趨勢。由于壓樁順序影響,當沉樁位置與測點相距很近時,會導致該點超孔隙水壓力的猛然上升,從表2中可以看出在壓入第2根樁(工況二)時,樁側(cè)附近測點 U1和U2分別升高了 126%和177%;在壓入第5根樁(工況五)時,樁側(cè)附近測點 U3和 U4分別升高了135%和109%,U5值增加緩慢,僅當工況五時該測點才稍有升高。由表2還可以看出,群樁各處測點位置的超孔壓值是不斷累積的,但樁群中心處超孔壓值比樁周累積值要大,而且超孔壓隨著深度的增加而增加。超孔隙水壓力隨孔壓計與沉樁點的距離變化而變化,沉樁方向趨向測點時超孔壓增大,在測點附近達到最大;背向測點時超孔壓減小,下降速率由快到慢。

3.4 超孔壓的消散

目前,人們對超孔隙水壓力的消散問題進行了理論分析[5,6],本文就模型試驗對沉樁引起的超孔隙水壓力消散進行了實測。

圖4給出了試驗各處超孔壓值隨著時間的增加超孔壓的消散情況。U5距離群樁外較遠處,因此該處的超孔隙水壓力消散較快,3 d左右便趨于緩和。其他各測點在5 d～15 d期間孔壓消散至緩和,15 d～30 d期間各測點超孔隙水逐步消散并趨近于零。

沉樁結(jié)束以后很長一段時間,孔隙水壓力才會逐漸消散,周圍土體會發(fā)生再固結(jié),而再固結(jié)將導致土體有效應力增加,因此,樁的承載力也會隨著時間而逐漸增加,但同時,再固結(jié)將導致樁間土下沉,產(chǎn)生樁的負摩阻力,對樁基工程十分不利。

4 結(jié)語

1)超孔隙水壓力隨著沉入土體內(nèi)樁數(shù)的增加而不斷積累,且積累到一定程度后變化幅度變緩。最初沉樁時由于擾動程度低,故土體內(nèi)部超靜孔壓變化幅度較小,但隨著沉入樁數(shù)的不斷增加而顯著增大。2)沉樁產(chǎn)生的初始超孔隙水壓力在水平方向,隨著測點至樁軸距離的加大而呈非線性減小,超孔壓的產(chǎn)生范圍約在5倍樁徑;在樁群范圍內(nèi),隨著測點深度的增加,超孔隙水壓力是不斷增加的,且外側(cè)增加幅度大于樁群區(qū)域的土中。3)沉樁順序?qū)Τ讐旱挠绊懞苊黠@,沉樁方向趨向測點時超孔壓增大,當沉樁位置與測點相距很近時,會導致該點超孔隙水壓力的猛然上升并達到最大;背向測點時超孔壓減小,下降速率由快到慢。4)超孔隙水壓力的消散與土體的滲透性有關(guān),消散要經(jīng)過一個緩慢的過程,群樁施工時要注意采取能使孔隙水快速排除的措施,以減小沉樁擠土效應。

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