預制自排水樁的抗擠土機理分析

李富榮，周 乾，常素萍，孫厚超

1.鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.鹽城市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 鹽城 224002摘要：基于抗擠土效應，提出了預制自排水樁的設計思想，采用土體固結理論，研究了預制沉樁過程中樁周土體超孔隙水壓力的消散速度，分析了預制自排水樁的沉樁排水效果，并通過工程實例和現(xiàn)場測試進行比較分析和驗證。結果表明，預制自排水樁具有較好的排水效果，可以起到消散樁周土超孔隙水壓力的效果，從而抑制沉樁擠土效應。

預制自排水樁的抗擠土機理分析

李富榮1，周 乾1，常素萍2，孫厚超1

1.鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.鹽城市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 鹽城 224002摘要：基于抗擠土效應，提出了預制自排水樁的設計思想，采用土體固結理論，研究了預制沉樁過程中樁周土體超孔隙水壓力的消散速度，分析了預制自排水樁的沉樁排水效果，并通過工程實例和現(xiàn)場測試進行比較分析和驗證。結果表明，預制自排水樁具有較好的排水效果，可以起到消散樁周土超孔隙水壓力的效果，從而抑制沉樁擠土效應。

預制自排水樁；沉樁排水；抗擠土；機理分析

在軟土地區(qū)，沉樁極易產(chǎn)生擠土效應，并對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，其主要原因是：在樁的擠壓作用下，樁周土在短時間內(nèi)的不可壓縮性，引起樁周土體產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力，由于軟土的低滲透性，超孔壓消散緩慢，從而產(chǎn)生擠土效應[1-5]。減少擠土效應可以設置豎向砂井、砂袋井、塑料排水板等[6-7]，形成豎向排水通道，以縮短或減少孔隙水的滲透路徑，在預制沉樁過程中，孔隙水較快地通過豎向排水通道排出地面或消散。

預制自排水樁是將混凝土預制樁和豎向排水通道結合，在沉樁過程中，形成豎向排水通道，使樁達到自行排水、降低孔隙水壓力的效果，從而達到抑制沉樁擠土效應的目的。試驗研究表明[8]，預制自排水樁的排水效果較好，其樁側砂槽可以起到類似于砂井的豎向排水作用?；诖?，本文采用土體固結理論，提出了一種新型樁基技術——預制自排水樁，結合工程實例，計算分析了預制自排水樁的沉樁排水效果及其抗擠土機理。

1 預制自排水樁的設計思想

制作預制鋼筋混凝土方樁時，在其側向增設豎向溝槽。豎向溝槽可通過在制樁模板內(nèi)墊以型鋼或木條，使之形成如圖1a所示的橫斷面。在沉樁(靜壓或錘擊)過程中，用灌砂漏斗，將含水量較小的黃砂，同步灌入并充滿樁側的豎向溝槽，如圖1b所示。利用黃砂的良好透水性，使豎向溝槽和黃砂形成豎向排水通道，借助沉樁時和沉樁后的側向擠壓力，加快沉樁過程中和沉樁后樁周土超孔隙水壓力的消散，達到抑制擠土效應的目的。

圖1 預制自排水樁原理設計圖Fig.1 The principles design of precast self-draining pile

2 預制自排水樁的排水計算與分析

2.1 基本假定

(1)由于預制自排水樁的排水通道是樁側四周的砂槽，且樁的斷面一般都較單個砂井或塑料排水板折算斷面大得多，但砂槽斷面并不大，且不連續(xù)。此處用一個圓形砂井按面積進行等代，見圖2，即砂井直徑

(1)

式中，b為樁側砂槽的寬度；h為樁側砂槽的深度。

圖2 預制自排水樁計算截面代換圖Fig.2 The substitution chart of precast self-draining pile calculated cross section

(2)每個豎井(即每根樁)的有效影響范圍為一圓柱體。

2.2 計算方法

從理論上講，由于孔隙水是通過砂井四周與土接觸面滲進砂井的，式(1)即是用一根樁側槽的截面積總和與圓形砂井進行等代的，這樣等代應是合理的；同時，樁斷面一般要比正常所設計的砂井斷面要大，這樣等代效果應當是偏于保守的。可用軸對稱問題的固結理論，假如樁底面為不透水層，在不考慮井阻與涂抹作用下，砂井地基中任一點的超孔隙水壓力為：

(2)

砂井地基平均固結度為：

(3)

本研究的條件是飽和軟粘土中沉樁，所以豎向固結度影響很小。因此，可以只考慮徑向固結度，并把它作為砂井的平均固結度，即

(4)

(5)

由此計算出在具體土質(zhì)條件下，經(jīng)過時間t后，即可以進行后沉樁的施工，而不會使先沉樁產(chǎn)生傾斜或偏位，即不會出現(xiàn)沉樁擠土效應問題，更不會對周圍工程環(huán)境造成不利影響。

2.3 計算實例與分析

某群樁基礎，采用邊長為350mm鋼筋混凝土預制方樁，樁側采用側槽h=25mm，b=50mm，如圖2所示，樁呈正方形布置，間距l(xiāng)=1.3m，樁長15 000mm，樁端為砂層，場地土為淤泥質(zhì)粘土，并測得其重度為17.3kN/m3，含水量為48.5%，孔隙比e為1.29，變形模量E為2.92MPa，黏聚力c為13.8kPa，不排水抗剪強度cu為12.2kPa，室內(nèi)試驗測得平均固結度與黏聚力c關系如表1所示。

表1 平均固結度與黏聚力c關系表Table 1 The relational table of average consolidationdegree and cohesion c

對應固結度為77%。

砂井有效影響范圍直徑

de=1.13×l=1.13×1.3=1.47 m

砂井直徑

如果固結系數(shù)ch=75mm2/s，按式(5)計算，得t=13 285s=3.69h，也就是說，當先沉樁施工結束3.69h后，再進行后沉樁施工時，先沉樁就不產(chǎn)生偏位、上浮或傾斜，體現(xiàn)預制自排水樁較好的抗擠土能力。

如果不用預制自排水樁，此時只考慮豎向雙面排水，豎向固結度與水平向固結度相同，則按下式計算豎向固結度。

(6)

在同樣達到固結度77%時，取豎向固結系數(shù)與水平向固結系數(shù)相同，計算得固結時間為t=383 383s=106.5h。

按上述計算結果，使用非預制自排水樁的排水時間與使用預制自排水樁的排水時間之比為106.5h/3.69h=29，也就是說，使用預制自排水樁的固結速度是使用非預制自排水樁固結速度的29倍，亦即使用預制自排水樁的固結速度比使用非預制自排水樁固結速度快28倍。由此可見，預制自排水樁的抗擠土能力是非常好的。

3 現(xiàn)場測試與分析

為驗證自排水樁的排水效果及其抗擠土機理，在理論計算的基礎上，對自排水進行了現(xiàn)場測試。現(xiàn)場測試工作是在某高校圖書館前場地進行，該場地土體為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度達到6m以上，根據(jù)地質(zhì)勘查報告，其土體參數(shù)指標如表2所示。

表2 土體參數(shù)Table 2 The parameters of soil

現(xiàn)場測試采用普通方樁和預制自排水樁兩種樁型，以便比較分析。方樁樁長為120 cm，邊長為20 cm，混凝土強度等級為C25。測試前將孔隙水壓力計埋于地下90 cm深度處，以通過沉樁前后孔隙水壓力的變化反應自排水樁樁周土體的固結速度，即為自排水樁的排水效果及其抗擠土能力。采用人工方法將樁沉至預定深度，預制自排水樁的灌砂方法同文獻[8]?，F(xiàn)場測試沉樁如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場測試沉樁圖Fig.3 The pile-sinking map of field test

圖4給出了孔隙水壓力變化相對值的消散曲線。可見，預制自排水樁沉樁引起的樁周土孔隙水壓力消散速度明顯快于普通方樁。沉樁6h后，自排水樁孔隙水壓力消散49%，而普通方樁受擠土效應影響，孔隙水壓力明顯增大；沉樁24 h后，

圖4 孔隙水壓力變化相對值消散曲線Fig.4 The dissipation curve of relative pore water pressure change value

普通方樁的孔隙水壓力仍未開始消散；沉樁48 h后，普通方樁僅消散7%，而自排水樁已消散93%，比普通方樁的消散速度要快12倍之多，盡管該速度比上述算例中自排水樁樁周土體固結速度慢，但是自排水樁的排水速度依然十分顯著，反應了自排水樁較好的排水效果及其抗擠土能力。

4 結論

本文基于抗擠土效應提出了預制自排水樁的設計指導思想，并采用土體固結理論，結合工程實例，系統(tǒng)分析了沉樁過程中樁周土體的固結情況及預制自排水樁的沉樁排水效果。研究結果表明，預制自排水樁具有較好的排水效果，可以起到消散樁周土超孔隙水壓力的效果，抑制沉樁擠土效應，不影響周圍工程環(huán)境。作為一種新型樁基技術，預制自排水樁尚有較多理論問題需要解決，如開槽后的樁身構造、抗震性能及開槽數(shù)量、形狀等，這些問題都有待于進一步研究，并加以完善，以滿足實際工程的需要。

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(責任編輯：張英健)

Analysis of Anti-Soil Compaction Mechanism by Precast Self-draining Pile

LI Furong1, ZHOU Qian1, Chang Suping2, SUN Houchao1

1.School of Civil Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu 224051, China;2.Yancheng Architectural Design & Research Institute Liability Co. Ltd. , Yancheng Jiangsu 224002, China

Based on the purpose of the anti-soil compaction effect this paper, proposes the design ideas of precast self-draining pile, By adopting the theory of soil consolidation, we studied the dissipation rate of excess pore water pressure during the pre-pile sinking and analyzed the pile-sinking draining effect of precast self-draining pile. An engineering example and field test was used to compare analysis and verification. The results showed that, precast self-draining pile had good drainage effect, and could play a role of dissipating excess pore water pressure, thus resist the effect of soil compaction pile.

precast self-draining pile; pile-sinking draining; anti-soil-compaction; mechanism analysis

2014-03-20

住房和城鄉(xiāng)建設部科技項目(2013-K3-18)

李富榮(1982-)，男，江蘇鹽城人，講師，碩士，主要研究方向為巖土工程。

TU473.1

A

1671-5322(2014)03-0058-04