透水管樁的群樁沉樁室內模型試驗研究

黃 勇，梅國雄,2，王鈺軻

(1.南京工業(yè)大學 交通學院，江蘇 南京 210009；2.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 5300042.；3.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

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透水管樁的群樁沉樁室內模型試驗研究

黃 勇1，梅國雄1,2，王鈺軻3

(1.南京工業(yè)大學 交通學院，江蘇 南京 210009；2.廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 5300042.；3.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

本文基于室內模型試驗，通過透水管樁和普通管樁沉樁模型試驗對比，探究群樁情況下，透水管樁加速樁周土超靜孔隙水壓力消散的效果和規(guī)律。通過試驗表明透水管樁更有利于樁周土超靜孔壓消散，其促進作用沿深度方向遞增，沿水平方向遞減。透水管樁阻礙了沉樁完成后樁周土超靜孔隙水壓力的上升，從超靜孔隙水壓力產生的角度出發(fā)，降低了樁周土超靜孔隙水壓力的峰值，控制了整個樁周土超靜孔隙水壓力的水平，有利于超靜孔隙水壓力后期的消散。表明沉樁施工中，透水管樁提高了施工進度，降低了對周圍環(huán)境的影響。

透水管樁；超靜孔壓；室內模型實驗

東部沿海地區(qū)存在大量軟土地基，其承載力較低，無法滿足上層建筑的要求，需要樁基礎來解決問題。靜壓樁越來越受到人們的歡迎。靜壓樁具有質量可靠、承載力高、施工方便且環(huán)保等特點得到廣泛應用。但靜壓樁在沉樁施工過程中，由于樁的貫入擠土，樁間土往往會產生較高的超靜孔隙水壓力[1-5]。由于飽和軟粘土的滲透性差，超靜孔隙水壓力消散緩慢，進而妨礙施工進度，影響樁基承載力時效性的發(fā)揮以及周邊環(huán)境。為了減小沉樁過程中產生的擠土效應，國內學者對減小沉樁擠土效應的措施進行了大量研究[6-12]。目前透水管樁研究還處于理論階段，本文以周小鵬[13-14]透水管樁數值模擬研究為基礎，進行室內模型實驗[15]，通過對比普通管樁和透水管樁群樁沉樁后樁周土超靜孔壓的消散情況，得出透水管樁加速超靜孔壓消散的效果和規(guī)律。

1　模型試驗設計

1.1試驗設備材料

透水管樁沉樁模型試驗在模型箱內進行，模型箱尺寸為2000 mm×2000 mm×1500 mm(高)，由角鋼和鋼板焊接而成。試驗土體取自溫州歐飛圍墾工程現場吹填土，在室內模型箱內進行真空預壓處理，固結時間為兩個月。由于本文不涉及樁身強度的研究，可選用塑料管作為模型樁材料。透水管樁模型由塑料管沖壓鉆孔加工而成，外表面粘貼濾布，下端口固定錐形塑料接頭。其尺寸參數：管樁長度L為900 mm，管樁直徑D為60 mm，開孔直徑d為6 mm(1/10D)，開孔間距36 mm(6d)。該模型樁設有內部套管，為塑料圓管，外徑略小于透水管樁內徑。透水管樁沉樁前，提前將套管塞入透水管樁內部，從內堵住透水管樁樁身透水孔，防止沉樁過程中樁周土體受擠堵住透水孔和進入管樁內腔，影響透水管樁的透水效果。本試驗采用YH-30301A型號孔壓計,量程0.1mPa ,溫度范圍-20℃～80℃，直徑25mm，長度170 mm。

1.2試驗過程

將土體運回實驗室后，倒入模型箱內，高度達140 mm左右，用攪拌器攪拌均勻。吹填淤泥土樣整平之后，將塑料排水板固定在內置鋼架四個角上。設置鋼架的主要目的是用來固定排水板，防止排水板在真空預壓的過程中發(fā)生較大位移和彎折。排水板間距為80 mm。接著將內置鋼架緩慢地壓入模型箱中心。然后在土體表面鋪設一層土工編織布，隨后使用三通接頭將鋼絲軟管連接到塑料排水板上，接著在土體表面鋪設一層土工布，使用兩層塑料薄膜進行密封，將鋼絲軟管連接真空泵，完成整個裝置的連接。啟動真空泵，進行真空預壓處理，待土體沉降和孔隙水壓力基本穩(wěn)定時，真空預壓處理結束。

土體真空預壓處理后，進行孔壓計的埋設，孔壓計三個一組，綁在1m長的鋼筋上，共六組。圖1為孔壓計及樁位分布示意圖。群樁試驗孔壓計的埋設點位分布在群樁內部、邊界和外部。內部為群樁中心，邊界為相鄰兩根樁連線中點，樁外在群樁外120 mm(2D)處，水平向三個點位成一條直線，間距相等，均為120 mm(2D)?？讐河嬝Q向分三個高度埋設，分別離土體表面200、450、700 mm?？讐河嬄裨O完成后，測量孔壓計讀數，待孔壓計讀數穩(wěn)定時，既土體恢復到靜孔隙水壓力，即可進入壓樁環(huán)節(jié)。群樁試驗的壓樁點位如圖1所示。樁間距為240 mm(4D)，成正方形布置，位于模型箱中央。

對于本次群樁試驗，樁是一根一根按順序打入土體中，待全部透水管樁沉入土體后，同時抽出內管，實現排水。如果每根樁沉樁完成時立即抽出內管，無法保證模型箱1、2中樁周土超靜孔隙水壓力產生過程的一致，因此無法保證透水管樁和普通管樁對比初始條件的基本相同，不便于透水管樁和普通管樁的對比。對于群樁試驗，樁周土超靜孔隙水壓力隨沉樁數量的增多而不斷累加，這要求每沉入一根樁，隨即測量樁周土各測點超靜孔隙水壓力值，了解樁周土超靜孔隙水壓力產生的過程。

2　實驗結果分析

2.1群樁沉樁過程中樁周土超靜孔隙水壓力變化情況

群樁情況下，樁周土超靜孔隙水壓力的產生是每根樁共同作用的結果。每沉入一根樁，樁周土超靜孔隙水壓力相應增大。表1為模型箱1中普通管樁沉樁過程中，各測點超靜孔隙水壓力變化情況。表2為模型箱2中透水管樁沉樁過程中，各測點超靜孔隙水壓力變化情況。由表1表2看出，沉樁過程中，模型箱中各測點超靜孔隙水壓力隨著沉樁數量的增多而不斷增大。當沉入第一根樁時，類似于單樁沉樁試驗；樁周土離樁越近，產生的超靜孔隙水壓力越大；深度越深，產生的超靜孔隙水壓力越大。體現在C測點產生的超靜孔隙水壓力最大，G測點產生的超靜孔隙水壓力最小。沉入第二根樁時，各測點超靜孔隙水壓力值繼續(xù)增大，但增大值小于第一根樁沉樁產生的超靜孔隙水壓力值。沉入第三根樁時，群樁邊界上各測點超靜孔隙水壓力突然猛增，這是由于群樁邊界上測點離第三根樁最近。同理，由于第三根樁較前兩根樁離群樁外各測點較近，所以群樁外各測點超靜孔隙水壓力增長值較前兩根樁變化較大。值得一提的是沉入第四根樁后，群樁內中部及下部測點(B、C測點)和群樁邊界中部及下部測點(E、F測點)超靜孔隙水壓力突然減小，其他各測點超靜孔隙水壓力正常增大。

2. 2透水管樁和普通管樁沉樁完成后超靜孔隙水壓力上升階段對比

沉樁結束后，由于樁周土超靜孔隙水壓力傳遞滯后效應，各測點(B、E測點除外)超靜孔隙水壓力并沒有立即消散，而是在一段時間內上升到峰值。這段時間為沉樁結束后3h之內。

表1表2中給出第四根樁完成后3h時，各測點超靜孔隙水壓力值的大小。這一時刻樁周土各測點超靜孔隙水壓力增長也基本結束。表3為透水管樁和普通管樁3h內樁周土各測點(B、E點除外)超靜孔隙水壓力的上升值。對比透水管樁和普通管樁沉樁后樁周土各測點超靜孔隙水壓力上升情況，可以發(fā)現，透水管樁3h內超靜孔隙水壓力上升值明顯小于普通管樁。如測點F，在透水管樁條件下超靜孔隙水壓力上升1.1kPa，在普通管樁條件下超靜孔隙水壓力上升1.8 kPa，兩種情況相差多達0.7 kPa。C點相差0.5kPa之多，K點相差0.3kPa，其他測點相差較小。可見透水管樁阻礙了超靜孔隙水壓力的上升，降低了樁周土超靜孔隙水壓力的峰值，有利于超靜孔隙水壓力后期的消散。

透水管樁發(fā)揮作用的原因為：第四根樁完成后，由于超靜孔隙水壓力傳遞的滯后性，各測點超靜孔隙水壓力處于緩慢上升階段。此時透水管樁開始排水，加速了超靜孔隙水壓力的就地消散，將樁邊部分超靜孔隙水壓力消散，減少了超靜孔隙水壓力向遠處的傳遞量。從超靜孔隙水壓力產生的角度出發(fā)，透水管樁降低了各測點超靜孔隙水壓力的峰值，控制了整個樁周土超靜孔隙水壓力的水平，減小了沉樁擠土效應。

表1　普通管樁沉樁過程中超靜孔隙水壓力產生情況

表2　透水管樁沉樁過程中超靜孔隙水壓力產生情況

表3　普通管樁和透水管樁3小時內各測點超靜孔隙水壓力的上升值

2. 3透水管樁和普通管樁在超靜孔隙水壓力消散階段的對比

沉樁結束后，樁周土各測點超靜孔隙水壓力在3h內先后上升到峰值，接著進入超靜孔隙水壓力消散階段。圖2為普通管樁各測點超靜孔隙水壓力消散曲線，圖3為透水管樁各測點超靜孔隙水壓力消散曲線。圖2、圖3中可以看出：樁周土底部測點(C、F、K點)產生的超靜孔隙水壓力較大，樁周土上部測點(A、D、G點)產生的超靜孔隙水壓力較小，反映沉樁完成后，樁周土超靜孔隙水壓力沿深度方向增加。

其中群樁內底部測點C超靜孔隙水壓力值最大，群樁邊界底部測點F超靜孔隙水壓力值次之，群樁外底部測點K超靜孔隙水壓力值為第三。反映了沉樁完成后，群樁內部擠土效應最為嚴重，群樁邊界擠土效應次之，群樁外擠土效應最小。從消散過程來看，群樁下部土體消散速度較快，但由于超靜孔隙水壓力初始值較大，消散時間較長，最久需要120 h。群樁上部土體消散速度稍慢，但由于超靜孔隙水壓力初始值較小，消散時間較短，基本50 h左右消散完成。

群樁內部和群樁邊界的中部土體較特殊，沉入第四根樁時，超靜孔隙水壓力突然減小，隨后并未反彈增大，導致超靜孔隙水壓力值偏小，接近上部土體超靜孔隙水壓力值，消散時間明顯減小，這與單樁中部土體的超靜孔隙水壓力消散規(guī)律不同。群樁外中部土體超靜孔隙水壓力產生和消散過程均反映出跟單樁相同的規(guī)律。

圖2、圖3中各測點超靜孔隙水壓力消散曲線初始階段較陡，反映初始階段超靜孔隙水壓力消散速度較快，后期階段曲線較平緩，反映固結后期超靜孔隙水壓力消散較慢。圖2、圖3超靜孔隙水壓力消散曲線基本吻合樁周土固結規(guī)律，反映了試驗過程的正常進行和數據的可靠性，保證了接下來試驗對比的可行性。

第四根樁沉樁完成后，模型箱1、2中各測點超靜孔隙水壓力初始值并非完全相同，但誤差不超過0.2kPa，不影響透水管樁和普通管樁的對比。為方便直觀的比較透水管樁和普通管樁的超靜孔隙水壓力消散曲線，將兩者相同測點的超靜孔隙水壓力初始值調整為相同值。圖4為調整超靜孔隙水壓力初始值后，普通管樁和透水管樁各測點超靜孔隙水壓力消散對比曲線。(a)、(b)、(c)分別為樁周土體上部、中部，下部各測點的超靜孔隙水壓力消散對比曲線。(d)、(e)、(f)分別為群樁內部、群樁邊界、群樁外部各測點的超靜孔隙水壓力消散對比曲線。

圖4可以看出透水管樁樁周土各測點超靜孔隙水壓力消散曲線均位于普通管樁相應曲線之下，說明透水管樁樁周土超靜孔隙水壓力消散速度快于普通管樁，顯示出透水管樁對于樁周土超靜孔壓消散的加速作用?？梢园l(fā)現，在樁周土超靜孔隙水壓力消散前期，透水管樁和普通管樁超靜孔隙水壓力消散曲線間距較大，表示透水管樁的加速作用最明顯；在樁周土超靜孔隙水壓力消散后期，透水管樁和普通管樁超靜孔隙水壓力消散曲線間距較小，表示透水管樁的加速作用慢慢衰退。這與超靜孔隙水壓力消散規(guī)律相吻合，因為固結前期，超靜孔隙水壓力消散較快，在此基礎上透水管樁更能發(fā)揮作用。而固結后期，超靜孔隙水壓力消散已經很緩慢，導致透水管樁的加速作用不明顯。

每個測點，兩條曲線圍成的區(qū)域大小，代表該測點透水管樁加速超靜孔隙水壓力消散的程度。區(qū)域面積越大，代表加速效果越好。從圖4(a)、(b)、(c)可以看出,無論是上部，中部還是下部土體，都反映出透水管樁在群樁條件下加速超靜孔隙水壓力消散的規(guī)律：群樁內及群樁邊界，透水管樁加速超靜孔隙水壓力消散的作用較大，群樁外透水管樁加速超靜孔隙水壓力消散的作用稍小。這是因為群樁內部和群樁邊界土體超靜孔隙水壓力相對較大，且離透水管樁的距離較近，所以超靜孔隙水壓力消散的加速效果較好。

由圖4(d)、(e)、(f)可以看出，無論是群樁內部、群樁邊界還是群樁外部，都反映出統(tǒng)一的規(guī)律，即底部土體超靜孔隙水壓力消散的加速效果最佳，中部土體次之，上部土體最小?？梢娡杆軜都铀俪o孔隙水壓力消散的作用隨土體深度的增加而增大。這是因為深度越深，土體超靜孔隙水壓力值越大，消散速率相對較快，使透水管樁單位時間排水量較大，所以透水管樁加速超靜孔隙水壓力消散效果明顯。

3　結論

1)透水管樁阻礙了沉樁完成后樁周土超靜孔隙水壓力的上升，從超靜孔隙水壓力產生的角度出發(fā)，降低了樁周土超靜孔隙水壓力的峰值，控制了整個樁周土超靜孔隙水壓力的水平，有利于超靜孔隙水壓力后期的消散。在樁周土超靜孔隙水壓力消散前期，透水管樁的加速作用最明顯；在樁周土超靜孔隙水壓力消散后期，透水管樁的加速作用慢慢衰退。

2)對于上部土體：群樁內、群樁邊界和群樁外各測點超靜孔隙水壓力消散加速效果差別不明顯；對于中部和下部土體：在群樁內及群樁邊界，透水管樁加速超靜孔隙水壓力消散的作用較大，在群樁外，透水管樁加速超靜孔隙水壓力消散的作用稍小。

3)無論是群樁內部、群樁邊界還是群樁外部，底部土體超靜孔隙水壓力消散的加速效果最佳，中部土體次之，上部土體最小。反映透水管樁加速超靜孔隙水壓力消散的作用隨土體深度的增加而增大。

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(責任編輯李軍)

Laboratory model experimental investigation of permeable pipe piles

HUANG Yong1，MEI Guoxiong1,2, WANG Yuke3

( 1. College of Transportation Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China;2.College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China 3. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098)

Based on laboratory model test ,the promotion in effect and law of the dissipation process of excess pore water pressure by permeable pipe pile.Compared permeable pipe pile with normal pipe pile model experiment,the evidently positive effect on the dissipation of excess pore water pressure could be found in permeable pipe pile model test.The impact scope of the soil mass in the middle and lower part was the depth direction,decreasing along the horizontal direction..Permeable pipe pile in the dissipation of excess water pore pressure had the most obvious effect on the early period,greatly speeding up the construction progress. It is found that the excess pore pressure evidently reduced in the soil around the pile at the initial time of drainage pile completed. In the process of pile driving construction, the permeable pipe pile improves the construction schedule and reduces the influence on the surrounding environment.

permeable pipe piles; excess pore water pressure; Laboratory model test

2016-04-22

國家自然科學基金項目(51322807)

黃勇(1991-)，男，安徽宣城,碩士，主要從事土體固結的研究工作。

1673-9469(2016)03-0018-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.004

TU4

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