富水軟弱地層中樁周水土壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

王千星，龔 晨，付 予

(中建港航局集團(tuán)有限公司，上海 200433)

樁基礎(chǔ)在減少建筑物沉降、提高地基承載力方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。隨著基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，樁基礎(chǔ)在高層、超高層建筑物以及復(fù)雜地質(zhì)條件下復(fù)雜港口結(jié)構(gòu)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在研究直樁的擠土效應(yīng)問(wèn)題并取得大量研究成果，其中理論成果有圓孔擴(kuò)張法、應(yīng)變路徑法和有限元法等。圓孔擴(kuò)張法最初在金屬加工領(lǐng)域應(yīng)用[5]，后來(lái)被推廣應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域。Randolph等基于圓柱孔擴(kuò)張理論，求出沉樁后樁周土有效應(yīng)力和孔隙水壓力[6]。

擠土效應(yīng)的試驗(yàn)研究成果更多，Adams等[7]對(duì)沉樁時(shí)地表土體隆起進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，以土體隆起的體積與土體中樁體的體積之比進(jìn)行度量。徐建平等[8]通過(guò)將樁沉入一個(gè)尺寸為800 mm×1 200 mm的軟黏土矩形試驗(yàn)槽，研究單樁和雙樁的沉樁擠土效應(yīng)，得到土體在水平和豎向的位移規(guī)律；唐世棟等[9-11]通過(guò)對(duì)沉樁過(guò)程測(cè)得的超靜孔隙水壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為群樁的擠土效應(yīng)更為復(fù)雜。由于沉樁過(guò)程中涉及多種因素，諸如樁土接觸、幾何大變形、非線性等[12]，所以，目前在擠土效應(yīng)方面仍有許多難題未解決。

為了解沿江富水軟弱地層中超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樁沉樁過(guò)程中樁周擠土效應(yīng)，開(kāi)展沉樁過(guò)程中樁周土壓力和孔隙水壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，對(duì)樁周土水壓力變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

以上海某港區(qū)護(hù)岸高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力方樁(PHS樁)基礎(chǔ)為研究背景，進(jìn)行沉樁過(guò)程中樁周孔隙水壓力和土壓力監(jiān)測(cè)分析。該P(yáng)HS樁邊長(zhǎng)500 mm，長(zhǎng)50 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。樁長(zhǎng)深度范圍內(nèi)主要分布砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土，其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樁長(zhǎng)范圍內(nèi)土的構(gòu)成與參數(shù)

孔隙水壓力和土壓力計(jì)布置如圖1所示。共布置4個(gè)孔隙水壓力測(cè)孔、3個(gè)土壓力測(cè)孔。每個(gè)測(cè)孔分別布置4個(gè)傳感器，埋設(shè)深度分別為10、25、40和60 m，共16支孔隙水壓力計(jì)和12支土壓力盒。孔隙水壓力計(jì)孔位編號(hào)依次為KY1～KY4，土壓力盒孔位編號(hào)依次為TY1～TY3。工程現(xiàn)場(chǎng)打樁按S形順序施打，即按照?qǐng)D1中樁號(hào)順序施打。

圖1 樁間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置(單位：mm)

圖2a)為孔隙水壓力計(jì)。為防止孔隙水壓力計(jì)上透水石被淤泥封死，將孔隙水壓力計(jì)透水石部位用裝滿潔凈粗砂的紗布手套包裹，如圖2b)所示。利用經(jīng)處理的測(cè)斜管輔助下放土壓力計(jì)并固定土壓力計(jì)的朝向，如圖2c)所示。現(xiàn)場(chǎng)鉆孔埋設(shè)傳感器如圖2d)所示。

圖2 孔隙水壓力計(jì)和土壓力計(jì)

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 孔隙水壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

PHS樁單樁錘擊過(guò)程中孔隙水壓力變化如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)所用的每根PHS樁由4節(jié)樁組成，長(zhǎng)度分別為10、10、15、15 m，相鄰節(jié)樁之間通過(guò)焊接連接。

圖3 23#樁錘打過(guò)程中KY4孔位孔隙水壓力變化

由圖3可知，樁下沉過(guò)程中周邊孔隙水壓力總體表現(xiàn)為先增加后下降的變化規(guī)律，打樁過(guò)程會(huì)引起樁體周圍孔隙水壓力迅速增加，打樁結(jié)束后孔隙水壓力則逐漸消散，單樁打完后周圍孔隙水壓力比打入之前有所增加。

根據(jù)不同深度孔隙水壓力變化規(guī)律可知：在樁體未沉入到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位前，該層位孔隙水壓力總體表現(xiàn)為緩慢下降的趨勢(shì)；當(dāng)樁體接近或到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位后，該層位孔隙水壓力迅速增加并達(dá)到峰值；隨著樁體繼續(xù)沉入，該層位孔隙水壓力逐漸降低并趨于平穩(wěn)。沉樁過(guò)程中當(dāng)樁端距測(cè)點(diǎn)30倍樁寬時(shí)開(kāi)始影響測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力；當(dāng)樁端距測(cè)點(diǎn)10倍樁寬時(shí)，影響顯著增加。

KY1～KY4號(hào)孔位的孔隙水壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 KY1～KY4孔隙水壓力變化規(guī)律

由圖4可知：在沉樁過(guò)程中，當(dāng)沉樁方向朝著監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近時(shí)，孔隙水壓力迅速增加，且增幅顯著；當(dāng)沉樁朝著遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)位方向時(shí)，孔隙水壓力逐漸降低，相比增幅，孔隙水壓力減幅稍小，孔隙水壓力減小表現(xiàn)為先迅速降低再緩慢降低；沉樁樁位離監(jiān)測(cè)點(diǎn)最近時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到峰值，如圖 4a)和圖5a)所示，KY1號(hào)孔位孔隙水壓力在14#樁打完時(shí)1#-10 m孔隙水壓力達(dá)到峰值，15#樁打完時(shí)1#-25 m和1#40 m孔隙水壓力達(dá)到峰值。由圖4b)和圖5b)可見(jiàn)，KY2號(hào)孔位在15#樁打完時(shí)2#-10 m孔隙水壓力達(dá)到峰值，19#樁打完時(shí)2#-25 m、2#-40 m和2#-60 m孔隙水壓力達(dá)到峰值。由圖4c)、d)和圖5c)、d)可知，KY3和KY4號(hào)孔位各深度孔隙水壓力均在22#樁打完后達(dá)到峰值，由于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制樁未及時(shí)供應(yīng)上，22#打完后停工一段時(shí)間，導(dǎo)致孔隙水壓力有所降低，無(wú)法跟蹤監(jiān)測(cè)到之后預(yù)制樁施工對(duì)KY3和KY4號(hào)孔孔隙水壓力的連續(xù)影響。

圖5 沉樁期間KY1～ KY 4孔隙水壓力變化規(guī)律

根據(jù)中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《孔隙水壓力測(cè)試規(guī)程》建議，沉樁工程中應(yīng)控制超靜孔隙水壓力不超過(guò)上覆有效土壓力的60%。據(jù)此將KY1～KY4 共4個(gè)孔位的不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位峰值孔壓與有效上覆土壓力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 沉樁期間孔隙水壓力峰值與有效上覆土壓力對(duì)比

注：表中密度為層間土密度，如25 m處密度為1.8 t/m3，是10～25 m之間的土層平均密度。

該工程地處長(zhǎng)江邊緣，地下水位高(高程0.5 m)，須重點(diǎn)關(guān)注打樁引起的孔隙水壓力增長(zhǎng)和土壓力變化。由表 2可知，各測(cè)孔內(nèi)10 m出測(cè)點(diǎn)，因離地面較近，孔壓消散較快，故KY1～KY3測(cè)孔內(nèi)10 m處孔壓在50%以內(nèi)。4個(gè)測(cè)孔內(nèi)，25～60 m測(cè)點(diǎn)孔壓占比均在50%以上，其中實(shí)測(cè)孔位KY1內(nèi)1#-25 m測(cè)點(diǎn)、KY3內(nèi)3#-25 m測(cè)點(diǎn)、3#-40 m測(cè)點(diǎn)和KY4內(nèi)4#-25 m測(cè)點(diǎn)、4#-40 m測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力峰值超過(guò)有效上覆土壓力的60%，最高達(dá)88%，易在打樁振動(dòng)過(guò)程中引起土中有效應(yīng)力喪失，因此建議現(xiàn)場(chǎng)施工中控制打樁速率。

2.2 土壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

TY1～TY3號(hào)孔位的側(cè)向土壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖 6所示。由圖 6可知，預(yù)制樁施打過(guò)程可顯著影響樁周土壓力的變化。在沉樁過(guò)程中，當(dāng)沉樁方向朝著監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近時(shí)土壓力迅速增加，且增幅顯著；當(dāng)沉樁朝著遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)位方向行走時(shí)，土壓力逐漸降低。相比增幅，土壓力減幅稍小，具體表現(xiàn)為先迅速降低、再緩慢降低。

圖6 TY1～ TY3土壓力變化規(guī)律

圖7給出鄰近區(qū)域沉樁期間TY1～ TY3土壓力變化規(guī)律。由圖 7可知，與孔隙水壓力規(guī)律類似，沉樁過(guò)程中，土壓力峰值主要發(fā)生在靠近監(jiān)測(cè)孔位附近的樁位沉樁過(guò)程中。隨著沉樁向監(jiān)控位置靠近，樁周土壓力逐步升高，且增幅隨著距離縮減逐步增加，如圖 7a)所示。由圖 7中3個(gè)土壓力測(cè)孔數(shù)值變化可知，沉樁土壓力影響范圍在12 m左右。

圖7 沉樁期間TY1～ TY3土壓力變化規(guī)律

圖8給出沉樁過(guò)程中TY3號(hào)孔位土壓力和KY4號(hào)孔隙水壓力變化對(duì)比，TY3和KY4號(hào)孔位相近。由圖8可知，在沉樁過(guò)程中，土壓力和孔隙水壓力增加趨勢(shì)和數(shù)據(jù)均相近?？梢?jiàn)，本工程打樁過(guò)程中總土壓力的增加主要是由超靜孔隙水壓力的增加引起的。如圖 8a)所示，在22#樁沉入后，土壓力達(dá)到峰值0.27 MPa；在TY3號(hào)影響范圍內(nèi)無(wú)沉樁后，土壓力逐漸消散至0.14 MPa，降幅48%(7 d后)。當(dāng)影響范圍內(nèi)有沉樁時(shí)，土壓力隨之重新增加。

圖8 TY3和KY4號(hào)孔位土壓力和孔隙水壓力對(duì)比

表3給出打樁期間樁間土壓力增長(zhǎng)峰值占初始地應(yīng)力的比值?？梢?jiàn)，埋設(shè)25 m和40 m處土壓力增長(zhǎng)峰值占比均在40%以上，最大達(dá)64.51%。

表3 打樁期間土壓力峰值與初始側(cè)向土壓力對(duì)比

注：表中密度為層間土密度，如25 m處密度1.8 t·m-3為10～25 m之間的土層平均密度。

3 結(jié)論

1)沉樁過(guò)程中樁周孔隙水壓力和土壓力顯著增加，1#、3#和4#樁周孔壓比均超過(guò)60%，最高達(dá)88%，易引起樁周有效應(yīng)力損失，降低樁身穩(wěn)定性。

2)沉樁對(duì)樁周土壓力影響范圍較廣，本項(xiàng)目實(shí)測(cè)影響范圍在20倍樁寬左右。

3)沉樁過(guò)程中，在樁端距測(cè)點(diǎn)30倍樁寬時(shí)，開(kāi)始影響測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力；當(dāng)樁端距測(cè)點(diǎn)10倍樁寬以內(nèi)時(shí)，影響顯著增加。

3)沉樁過(guò)程中，隨著沉樁遠(yuǎn)離觀測(cè)孔或暫停沉樁，孔隙水壓力和土壓力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速下降，隨后減速趨于平緩。

4)在現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)通過(guò)控制沉樁速率、改變打樁順序(如分段間隔跳打)等方法減小樁周擠土和孔壓影響。