唐彤芝,明經(jīng)平, 關(guān)云飛, 趙維炳
(南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京 210029)
混凝土芯砂石樁是國內(nèi)學(xué)者提出的由內(nèi)置小直徑預(yù)制混凝土樁和砂石外殼聯(lián)合構(gòu)成的一種新型組合樁[1- 2],一般采用振動沉管施工,一次性成樁,可以同時發(fā)揮預(yù)制混凝土樁的高強度豎向承載能力和砂石外殼的排水固結(jié)作用。與上部設(shè)置的褥墊層形成復(fù)合地基,對深厚軟基進行加固處理以達到提高地基承載力、穩(wěn)定性和控制工后沉降的目的,已經(jīng)在高速公路和水利堤防工程中得到了成功應(yīng)用和初步推廣[3- 5],近年來相關(guān)的理論研究和應(yīng)用得到逐步深入的發(fā)展[6- 9]。
在軟黏土或黏性土地基中采用帶樁靴或預(yù)制樁尖的振動沉管施工,會對土體產(chǎn)生包括超靜孔壓、振動、側(cè)向擠壓及結(jié)構(gòu)擾動與破壞在內(nèi)的一系列效應(yīng),可籠統(tǒng)地稱之為“成樁效應(yīng)”,振動沉管過程是動荷載和靜荷載作用的傳遞和能量的消長累積過程,對地基土結(jié)構(gòu)和強度會造成擾動和破壞,嚴重時影響成樁質(zhì)量和地基安全。國內(nèi)外對靜壓預(yù)制樁引起的擠土效應(yīng)研究較多。振動沉管的成樁過程涉及時間、空間、樁土相互作用以及動靜荷載與能量的傳遞等,其效應(yīng)十分復(fù)雜,現(xiàn)有研究尚未能十分清晰地揭示其對周圍環(huán)境的作用機理,與靜壓樁相比研究較少,主要集中于工程現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗和圓孔擴張法、應(yīng)變路徑法和有限元數(shù)值模擬法等[8, 10]。
混凝土芯砂石樁是一種不同于預(yù)制管樁或CFG樁的新樁型,沉管過程大體相同,但樁型結(jié)構(gòu)、灌料、拔管等有所差異,因此其成樁效應(yīng)也另有特點。目前相關(guān)的研究很少,魯緒文等[8]運用圓孔擴張和固結(jié)理論分析了混凝土芯砂石樁的擠土性狀,指出成樁后擠土產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散遠快于CFG樁。葉觀寶等[6]采用ABAQUS有限元并結(jié)合圓孔擴張和砂井固結(jié)理論對單樁沉樁過程進行了模擬計算分析,表明砂石樁的存在大大加快了地基土中超孔隙水壓力的消散和樁周土強度的恢復(fù)。
目前研究成樁效應(yīng)主要為近距離的單樁測試,以一根試樁為中心,在試樁周圍近距離預(yù)先布設(shè)孔壓計、沉降標或測斜管等,對打樁結(jié)束后一段時間進行監(jiān)測。而對較遠距離多樁施工、全場地施工以及可能存在的孔壓、應(yīng)力、位移等的累積疊加特性的研究尚未多見。針對混凝土芯砂石樁,細化到覆蓋施工準備-沉管-停管灌料-拔管補料的全過程的孔壓監(jiān)測甚少,難以準確掌握施工全過程孔壓的增長、消散規(guī)律以及可能存在的累積疊加特性。本文綜合整理分析混凝土芯砂石樁振動沉管施工時的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),結(jié)合圓孔擴張理論對成樁效應(yīng)及其累積疊加特性進行了研究和探討。
江蘇省某高速公路橋頭場地為河流漫灘沖積形成,地勢平坦,平面布置見圖1,沿路堤中心軸線的土層剖面分布見圖2,土體主要物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。該橋頭路段長約41 m,路基設(shè)計寬度35 m,路堤邊坡坡率1∶2,路堤填土高度達到6~8 m,為高填土路段,設(shè)計軟基處理深度達到22~26 m,采用混凝土芯砂石樁振動沉管法施工,樁徑50 cm(其中預(yù)制混凝土芯樁邊長20 cm),正三角形布置,樁間距分別為1.9 m(靠近橋頭20 m)和2.1 m。施工工序:放樣與樁機就位→振動沉管→吊、接樁→灌中粗砂或碎石屑→振動拔管→砂或碎石封頂→移機。打樁完畢后鋪設(shè)50 cm厚的碎石墊層和一層土工格柵(雙向抗拉強度大于30 kN/m)作為褥墊層構(gòu)成復(fù)合地基。
圖1 場地及勘探點平面布置(單位:m)Fig.1Site and exploration points layout plan (unit: m)
圖2 路堤中心軸線土層剖面分布Fig.2Section of soil layer of embankment center axis
土層土層名稱層厚/mω/%γ/(kN·m-3)e0IpILa(1-2)/MPa-1Es(1-2)/MPa直剪(快剪)c/kPaφ/°fak/kPa①雜填土2.0~5.0②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土6.6~10.937.918.01.04411.61.300.474.877.023.765③-1粉質(zhì)黏土夾粉土0.6~2.535.218.30.96311.61.270.455.3718.016.5105③-2粉土夾粉質(zhì)黏土0.7~2.933.918.50.93410.91.350.415.6810.025.5150③-3粉質(zhì)黏土夾粉土0.6~2.526.619.30.75211.70.760.453.9425.013.7165④粉質(zhì)黏土9.6~10.135.018.70.92713.01.160.435.2913.012.2105
1.2.1遠距離單樁施工引起的孔壓全過程監(jiān)測 如圖3,在場地中心區(qū)域選擇4個相互緊鄰樁位點的中心處采用“單孔單只”方法埋設(shè)4只孔壓計(深度分別為-3.5,-7.0,-11.0和-18.0 m),在距離孔壓計埋設(shè)位置較遠處不同距離(9.6,6.3,11.7和11.7 m)分別進行單樁打樁作業(yè),在“沉管-下樁、灌料-拔管”的全過程對孔壓測值進行實時跟蹤監(jiān)測,分析成樁過程的孔壓變化及增量累積效應(yīng)。
1.2.2連續(xù)成樁的場地外地基土側(cè)向水平位移監(jiān)測 如圖4,在距離場地邊界最外一排樁位3 m處埋設(shè)1根測斜管(深度25 m),監(jiān)測連續(xù)打樁期間地基土深層水平位移變化規(guī)律,分析遠距離連續(xù)成樁產(chǎn)生的側(cè)向擠壓累積效應(yīng),評價沉管施工對周圍環(huán)境的影響。
圖3 遠距離單樁施工的孔壓監(jiān)測布置Fig.3 Monitoring layout of pore pressure in long distance single pile construction
圖4 連續(xù)打樁期間周邊地基土體深層水平位移監(jiān)測圖Fig.4 Monitoring layout of deep horizontal displacement of surrounding foundation soil during continuous piling
1.2.3打樁期間混凝土芯樁樁身應(yīng)力變化監(jiān)測 分別在4根預(yù)制樁(樁號分別為A21-8,A22-8和B26-4,B27-5)體內(nèi)不同深度(分別為-1.0,-6.0,-8.0,-13.0,-15.0和-20.0 m)預(yù)先埋設(shè)鋼筋計,鋼筋計與預(yù)制樁內(nèi)的鋼筋對接焊牢后澆筑成整體。每根樁埋設(shè)6只,共埋設(shè)鋼筋計24支?,F(xiàn)場觀測連續(xù)打樁期間樁身應(yīng)力的變化情況,分析遠距離連續(xù)打樁施工對已完樁的影響。
分別對先后4次施工(施工時間不同、施工樁位距離孔壓測點的水平距離不同)的全過程(振動沉管-吊裝、灌料-振動拔管、補料)孔壓進行了實時跟蹤監(jiān)測。為統(tǒng)一計算不同施工階段對固定測試位置引起的孔壓累積增量,將第1根樁打樁前的孔壓值作為場地測試位置的初始值。整理成樁過程孔壓測值變化曲線見圖5(a)~(d),為探討孔壓及孔壓累積增量隨沉管深度、時間和距離等的變化關(guān)系,繪制相關(guān)曲線見圖6~8。其中,圖5(a)為第1次沉管施工的孔壓監(jiān)測結(jié)果,因埋深3.5和7.0 m的兩只孔壓計只有沉管開始的測值(分別為38.83和77.58 kPa)和沉管到底的測值(分別為38.41和78.23 kPa),缺失過程數(shù)據(jù),故未繪制孔壓變化曲線。
圖5 成樁過程孔壓測值變化曲線
由圖5(a)可見,測點孔壓隨沉管運動產(chǎn)生的振動、擠壓作用而增大,沉管到底時埋深18.0 m的實測孔壓增量值比埋深11.0 m的大,反映了振動擠壓荷載作用對地基深部的能量集聚和累積特性,埋深11.0 m的孔壓計位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,18.0 m位于粉質(zhì)黏土與粉土夾雜層,土層的強度越高,沉管產(chǎn)生的振動擠壓作用越明顯。接樁和裝料過程基本無荷載作用,孔壓消散,拔管時管身逐漸離開地基,對地基土產(chǎn)生“拖曳、抽出”作用,振動的影響逐漸減弱,樁間土應(yīng)力釋放加快了孔壓的消散。拔管后孔壓值基本可恢復(fù)至沉管前,初次沉管產(chǎn)生的孔壓累積增量通過混凝土芯砂石樁形成的豎向通道得到消散,有利于樁間土強度的恢復(fù)。
圖6 沉管到底時孔壓實測值沿深度變化曲線Fig.6 Pore pressure curve along foundation depth at end of immersed pile pipe
圖5(b)~(d)是第2次到第4次成樁監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合圖6~8綜合分析可以看出,實測孔壓出現(xiàn)明顯的累積增量,深度越大,累積增量值越大。在沉管-停管、灌料-拔管、補料的過程中孔壓處于增長與消散的相互交替狀態(tài),深度越大,增長多于消散,其體現(xiàn)的累積效應(yīng)也越大。圖5(b)的第2次成樁獲取的孔壓累積增量值明顯較大,究其原因,一是第2次成樁點距離最小,約為其他3次成樁點距離的2/3和1/2,二是該次成樁過程面臨局部較硬夾層,穿越困難時將90 kW的振動馬達換成了120 kW,增大了1/3的激振能量。
綜上表明,盡管混凝土芯砂石樁具有孔壓消散通道,但在黏性土地基中振動沉管施工仍產(chǎn)生較明顯的孔壓累積效應(yīng),反映了荷載傳遞與能量集聚的過程,其程度與沉管距離、激振能量、地基土層本身的強度大小以及沉管速率等有關(guān),體現(xiàn)出明顯的時間性、空間性和差異性。成樁引起的孔壓累積效應(yīng)對新打樁、地基穩(wěn)定和周圍環(huán)境都會產(chǎn)生一定的不利影響。
從圖9可以看出除了靠近測點施工時孔壓有明顯的增長外,變化過程整體較平穩(wěn)。各測點孔壓值均低于初始值,超靜孔壓總體處于負值狀態(tài),有利于地基穩(wěn)定。與振動沉管的CFG樁、靜壓振動沉管的預(yù)制管樁相比,結(jié)構(gòu)新穎的混凝土芯砂石樁具有較強的孔壓消散能力,有利于消除孔壓累積效應(yīng),保障成樁質(zhì)量和地基穩(wěn)定。
圖7 孔壓變化量與打樁順序的關(guān)系Fig.7 Pressure change with pile sequence
圖8 實測孔壓隨打樁距離的變化Fig.8 Pore pressure variation with distances
圖9 全場地施工過程孔壓實測值變化Fig.9 Pore pressures variation with whole construction process
分別在K63+056和K63+076斷面中心共4根混凝土芯樁內(nèi)不同深度埋設(shè)鋼筋計,整理全場地施工過程鋼筋計測試數(shù)據(jù)并繪制曲線見圖10~11。
(a) K63+056斷面樁號:A21-8
(b) K63+056斷面樁號:A22-8
(c) K63+076斷面樁號:B26-4
(d) K63+076斷面樁號:B27-5
圖11 混凝土芯樁鋼筋軸力沿深度分布曲線Fig.11 Distribution curve of axial force of concrete core piles along depth
混凝土芯樁總體受沉管往下、側(cè)向擠壓,鋼筋軸力以壓應(yīng)力為主,并隨施工停打的交替而產(chǎn)生波動,但總體呈平穩(wěn)增長,隨著打樁過程的結(jié)束,混凝土芯樁鋼筋軸力逐漸回落。A21-8和A22-8兩根測試樁在7月23日和24日出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力,主要是這兩天打樁施工就在測試樁附近(見圖4),樁管沉拔對測試樁產(chǎn)生了振動和拖曳向上的拉伸效應(yīng)。
測得最大鋼筋軸力約為80 MPa(A21-8號樁15.0 m深度),若認為鋼筋與混凝土變形協(xié)調(diào),根據(jù)鋼筋與混凝土的模量關(guān)系,將鋼筋軸力換算為混凝土應(yīng)力,則最大混凝土芯樁樁身應(yīng)力約為壓應(yīng)力10 MPa,說明打樁期間混凝土芯樁受力處于安全范圍。
滿場地持續(xù)施工過程中樁管沉拔對混凝土芯樁產(chǎn)生了樁身應(yīng)力累積疊加效應(yīng),疊加的結(jié)果表現(xiàn)為混凝土芯樁以壓應(yīng)力為主。相比而言,上部測點(1.0~8.0 m)鋼筋軸力變化量小于中下部測點(13.0~15.0 m),說明樁身應(yīng)力累積效應(yīng)主要集中于中下部樁長范圍內(nèi)。應(yīng)力累積效應(yīng)反映了振動擠壓荷載的傳遞與能量的累積過程,具有時間性、空間性和差異性,與孔壓累積特性基本一致。
圖12 打樁期間場外地基土深層水平位移曲線Fig.12 Horizontal displacement curve of outside of foundation during piling
以7月15日的測斜管測值作為初始值,繪制打樁期間測斜管的水平位移變化曲線見圖12,其中圖12(a)為7月15日至8月9日間的測斜管累計水平位移量變化曲線,圖12(b)為比較分析不同時間段、不同打樁區(qū)塊施工產(chǎn)生的側(cè)向水平位移量。7月23日至25日,打樁區(qū)塊與測斜管的最近距離約20 m,施工先漸離后再漸回。7月31日至8月2日,打樁區(qū)塊與測斜管的最近距離約5 m,施工先漸近后再漸離。8月8日至9日,與測斜管平行打樁,最近距離約3~5 m。
累計水平位移量沿深度逐漸減少,實測最大量值在10 mm左右,發(fā)生在地基表面。打樁引起的水平位移主要集中在地面以下約1/3樁長的深度范圍內(nèi)。打樁期間場地外地基土產(chǎn)生具有累積效應(yīng)的側(cè)向水平位移,量值與地基土層分布和特性、打設(shè)深度以及樁位距離等因素有關(guān)。停打期間場地外地基土側(cè)向位移出現(xiàn)回復(fù)現(xiàn)象,說明混凝土芯砂石樁的砂殼為散粒體材料,有利于樁管拔出后樁周土擠壓應(yīng)力的釋放和孔壓消散,消減持續(xù)成樁的累積效應(yīng),減少了對場地外地基土的側(cè)向擠壓。
打樁對場地外地基土產(chǎn)生的深層水平位移的累積效應(yīng)主要集中于地基上部,其特性不同于孔壓和樁身應(yīng)力??讐汉蛻?yīng)力的累積主要體現(xiàn)了荷載(受力)傳遞和能量集聚,地基中下部易集聚而難耗散。而水平位移的累積主要體現(xiàn)在土體的變形,與土體性質(zhì)(結(jié)構(gòu)、孔隙和強度等)和上覆壓力有關(guān),深度越淺,上覆壓力和側(cè)向限制越小,位移量越大。
混凝土芯砂石樁振動沉管工藝為非排土工藝,樁管壓住預(yù)制混凝土樁尖,在大功率(一般90 kW,當遇到堅硬夾層時需要加大至120 kW)馬達振動+豎向加壓聯(lián)合作用下逐漸沉入地基。樁間土主要受到樁管激振力和擠壓力作用,擠壓力主要由來自樁靴的45°斜向下的擠壓力、來自管身的徑向擠壓力和管身側(cè)壁向下的摩擦力3部分合力構(gòu)成,合力方向為斜向下指向樁間土。激振力和擠壓力的強度和大小隨徑向距離的增大而逐漸衰減。越靠近管身,作用強度越大。沉管對樁間土的擠壓導(dǎo)致樁間土內(nèi)產(chǎn)生較大的超靜孔壓和位移,沉管過程是振動擠壓效應(yīng)的逐漸累積過程。
沉管到底后樁管靜止不動,進行接樁、灌料施工,灌料過程基本不存在擠土效應(yīng),灌注的砂石料是松散的散粒體材料,有利于樁周土應(yīng)力釋放和孔壓消散,該階段是擠土效應(yīng)的消散和累積效應(yīng)的消減過程。
振動拔管補料過程,樁管振動上拔對樁周土產(chǎn)生“振動拖曳”作用,具有集聚效應(yīng),但對地基土又產(chǎn)生類似于“抽吸”的效應(yīng),對孔壓特別是中上部土體中的孔壓消散作用明顯,具有消散效應(yīng),集聚與消散作用相互疊加,隨著樁管逐漸脫離地基,“振動拖曳”作用越來越弱,消散作用占據(jù)主導(dǎo),成樁效應(yīng)處于消減狀態(tài)。全場地施工時成樁效應(yīng)具有一定的時間與空間的累積特性,但最終隨著施工的完成,累積效應(yīng)逐漸消減。
不考慮復(fù)雜的振動影響,可運用圓孔擴張理論對混凝土芯砂石樁沉樁擠土效應(yīng)進行計算分析,其基本假定為:① 按軸對稱平面問題進行分析;② 土體是均勻各向同性的理想彈塑性材料;③ 沉樁過程中土體不可壓縮;④ 土體變形符合莫爾-庫倫強度準則。根據(jù)Henkel和Wade提出的適用于完全飽和土的超孔隙水壓力的計算方法,可導(dǎo)出沉樁過程中樁周土超孔隙水壓力為[10]:
(1)
其中:
(2)
式中:E為土的彈性模量;μ為土的泊松比;Cu為土的不排水強度;r0為樁體半徑;α為Henkel孔壓系數(shù)。
當某個徑向距離沉管引起的超靜孔壓為零時,則該徑向距離值為沉管徑向影響范圍值。令式(1)為零,有:
(3)
以本工程為例,混凝土芯砂石樁樁徑0.5 m,工勘揭示的8個孔土層十字板剪切強度統(tǒng)計及泊松比取值見表2,土的彈性模量E根據(jù)工勘提供的壓縮模量Es進行換算得到,目前有兩種方法,一是按彈性理論推出的彈性模量與壓縮模量之間的關(guān)系來計算,計算式如下:
(4)
另一是參考經(jīng)驗公式E=(2.0~5.0)Es,本文取E=3.5Es。兩種方法的計算結(jié)果見表3。
表2 土層十字板強度統(tǒng)計與泊松比取值
表3 沉管引起的Δumax和rmax計算值
利用圓孔擴張理論解答計算沉樁引起的最大超靜孔壓和最大徑向距離與土體強度的相關(guān)曲線見圖13。
圖13 沉樁引起的Δumax和rmax與土體強度的關(guān)系曲線
根據(jù)式(1)振動沉管工藝產(chǎn)生的超靜孔壓在緊靠樁身的樁周土最大,在本工程實例中,Δumax計算值達到數(shù)百千帕,隨著土體十字板強度的提高而基本呈線性增長。沉管引起的最大徑向位移rmax隨土體十字板強度呈自然指數(shù)減少,不超過5 m(即10倍樁徑)。上述結(jié)果反映出土質(zhì)越硬,強度越高,沉管產(chǎn)生的超靜孔壓越大,而引起的徑向位移則越小,與沉管施工與土體相互作用的物理規(guī)律以及現(xiàn)場實測結(jié)果基本吻合。
圖14 泊松比與彈性模量的關(guān)系Fig.14 Relationship between poisson ratio and elastic modulus
彈性模量是土體處于彈性變形階段時的性能參數(shù),在振動沉管過程中土的彈性變形階段很短暫,往往是瞬時性的。表3表明分別采用理論公式法和經(jīng)驗取值法將土體壓縮模量換算為彈性模量來計算Δumax和rmax,結(jié)果差異較大。計算式(4)顯示土的泊松比是唯一參數(shù),泊松比取決于土的類別,同一類土差異較小,一般粉土的泊松比為0.35~0.40,粉質(zhì)黏土為0.40~0.45,黏土為0.45~0.50。分別取最大值、最小值和平均值計算彈性模量,結(jié)果見圖14,可見泊松比的取值變化對彈性模量的影響不大,彈性模量與壓縮模量的比值為1.04~1.13。從Δumax計算值大小與實際情況的適合性來看,理論公式法較好。
沉管過程及其成樁效應(yīng)十分復(fù)雜,是一個復(fù)雜荷載的作用、傳遞以及能量的累積過程,在一定假設(shè)和簡化條件下,圓孔擴張理論得到的計算結(jié)果(Δumax,rmax等)主要與土的性質(zhì)有關(guān)(土類、模量、泊松比、孔壓系數(shù)及不排水強度等),但不能反映沉管的過程性(深度、時間等)和擠土效應(yīng)的累積特性。其理論結(jié)果顯示擠土效應(yīng)徑向影響距離不超過5 m(即10倍樁徑),而本工程的實際監(jiān)測表明,成樁的影響距離大大超過了理論結(jié)果。在較硬的粉質(zhì)黏土與粉土夾雜層,樁管振動與擠壓對樁間土的作用是強烈的。圓孔擴張理論可以體現(xiàn)一些定性規(guī)律,但定量結(jié)果誤差較大。
(1) 首次對采用振動沉管工藝施工的混凝土芯砂石樁在遠距離單樁施工全過程、全場地持續(xù)施工過程中進行孔壓、周邊土體深層水平位移和混凝土芯樁樁身應(yīng)力的實時跟蹤監(jiān)測,獲取了各監(jiān)測量的變化規(guī)律和特點。
(2) 通過現(xiàn)場監(jiān)測分析指出,混凝土芯砂石樁振動沉管施工具有明顯的、機理各異的成樁效應(yīng)累積特性,孔壓和應(yīng)力的累積主要集中于地基中下部,而位移的累積主要集中于地基上部,累積特性反映了振動擠壓荷載的傳遞、能量累積以及通過砂石外殼通道耗散相互交替、作用和疊加的復(fù)雜過程,與沉管距離、激振能量、土的性質(zhì)和強度以及沉管速率等因素有關(guān),具有明顯的時間性、空間性和差異性。
(3) 混凝土芯砂石樁的砂石外殼通道對孔壓和深層水平位移的累積效應(yīng)的消散作用明顯。施工過程中總體保持負的超靜孔壓狀態(tài)。場地外地基深層水平位移最大值在10 mm左右,停止施工時出現(xiàn)明顯位移回彈現(xiàn)象?;炷列緲稑渡碇饕惺馨踩膲簯?yīng)力。
(4) 從沉管-停管灌料-拔管補料3個階段對混凝土芯砂石樁的成樁擠土效應(yīng)進行了分析,運用圓孔擴張理論進行了計算。結(jié)果與沉管施工與土體相互作用的物理規(guī)律以及現(xiàn)場實測結(jié)果基本吻合。采用泊松比換算彈性模量來計算Δumax和rmax得到的結(jié)果較好。擠土徑向影響距離不超過5 m(即10倍樁徑),遠小于本工程的實測結(jié)果。圓孔擴張理論不能反映沉管的過程性(深度、時間等)和擠土效應(yīng)的累積特性,有一定的局限性。