成層地基土中群樁擠土效應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究

萬 星 丁建文 黃 聰 丁 誠

(東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 211189)

預(yù)制樁打入地基土中需排開相同體積的土體，施打過程中樁與土體發(fā)生劇烈的擠壓剪切作用，從而改變了土體的天然應(yīng)力狀態(tài)，在地基土中產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力及土體位移.當(dāng)布樁密度較大或施工速率過快時，易造成超孔隙水壓力的過量集聚,并產(chǎn)生較大的土體位移，從而妨礙后續(xù)施工的進(jìn)行，對已打入的預(yù)制樁及周圍構(gòu)筑物、管線等均會造成不利影響或破壞[1-3]，軟土地區(qū)群樁擠土效應(yīng)導(dǎo)致的工程事故頻發(fā)[4-5].有關(guān)預(yù)制樁擠土效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理及表現(xiàn)形式的研究由來已久.Vesic[6]采用相關(guān)聯(lián)流動的Mohr-colomb屈服準(zhǔn)則，給出了均質(zhì)可壓縮理想彈塑性土的圓孔擴(kuò)張問題的基本解，從力學(xué)角度提供了預(yù)制樁沉樁擠土效應(yīng)的機(jī)理解釋.唐世棟等[7]對單樁貫入引起的超孔隙水壓力開展現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)超孔隙水壓力隨徑向距離增加呈對數(shù)關(guān)系衰減.

已有研究大多針對均質(zhì)地基土中的沉樁問題，并且側(cè)重于同一深度處孔隙水壓力及土體位移沿徑向分布規(guī)律的探討.然而，沉樁擠土效應(yīng)是一個復(fù)雜的空間問題，采用平面應(yīng)變分析方法存在很大缺陷[8-9].工程實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)上軟下硬、上硬下軟或軟硬互層等非均質(zhì)土層分布情況，此類地層中的擠土效應(yīng)沿深度方向往往具有特別的空間分布規(guī)律.如鹿群等[10]通過數(shù)值模擬方法指出成層地基土中軟硬交界處土體位移加大，擠壓應(yīng)力發(fā)生劇變，出現(xiàn)應(yīng)力間斷的現(xiàn)象.李鏡培等[11]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了成層地基中模型樁在整個沉樁過程中的擠土效應(yīng)，揭示了樁周不同位置特別是軟硬土層交界處土體位移的變化規(guī)律.這些文獻(xiàn)主要從數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)2個角度對成層土地基中的沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了探討，有關(guān)成層地基土中擠土效應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究則較為缺乏.

本文依托連云港地區(qū)某風(fēng)電試樁項目，開展大面積預(yù)制方樁錘擊貫入的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，針對深厚淤泥層下臥粉砂粉土互層的上軟下硬特殊地層條件，分析了成層地基土中擠土效應(yīng)的空間分布規(guī)律，為類似地層條件下的沉樁施工建設(shè)提供參考.

1 工程概況

現(xiàn)場試驗(yàn)依托連云港和風(fēng)灌西100 MW風(fēng)電場試樁項目展開.試樁區(qū)主要為農(nóng)田及魚塘，地形較為平坦，區(qū)域地貌單元主要為海積平原，場址區(qū)上部分布約16 m深的淤泥軟土層，其工程性質(zhì)較差.孔隙潛水主要賦存于上部軟弱土層中，地下水位埋深為1.30～1.70 m.場地下部土層主要為粉土及粉砂互層，土層分布及相應(yīng)的物理力學(xué)指標(biāo)見表1.由表可知，試樁場地土層呈現(xiàn)顯著的上軟下硬分布特征.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

考慮到海相土的腐蝕性，本電場試樁工程選用550 mm×550 mm預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁，打樁施工總數(shù)共計19根，其中T1～T6為靜載試樁，M1～M13為錨樁.試樁T1～ T3、M12～ M13的樁長為32 m，其余樁樁長均為29 m.試樁T4～ T6、錨樁M1～ M11以土層⑦為持力層，試樁T1～ T3、錨樁M12～ M13以土層⑧為持力層.樁位布置均勻，打樁面積覆蓋率為7.77%.施工設(shè)備采用D40型柴油錘，預(yù)制樁均分為兩節(jié)錘擊貫入，沉樁工況記錄見表2.

2 測點(diǎn)埋設(shè)

如圖1所示，在樁群的不同位置處鉆孔并記為測孔B1～B3.沿地基土不同深度處布設(shè)振弦式孔壓計，通過不同的平面位置與深度位置研究超孔隙水壓力的空間分布規(guī)律[1,7,12]，孔壓計的埋深及其對應(yīng)的土層剖面見圖2.埋設(shè)前先排凈孔壓計透水石內(nèi)的氣泡，將孔壓計壓至埋設(shè)深度，將導(dǎo)線引至孔口以測定頻率，隨后上部用黏土球進(jìn)行封堵.在場地的最西側(cè)及東南側(cè)布設(shè)測斜管，分別記為 CX1、 CX2，測斜管埋深為40 m.A軸與B軸為測斜管中垂直的槽口方向，B軸朝向正北.

表2 主要沉樁施工工況

圖1 樁位及觀測點(diǎn)布置圖(單位：mm)

圖2 孔壓計埋深及對應(yīng)土層情況(單位：m)

3 測試結(jié)果與分析

3.1 超孔隙水壓力的產(chǎn)生

圖3為測孔B1各深度處超孔隙水壓力隨時間的變化曲線.由圖可知，施工前4 d超孔隙水壓力上升緩慢，存在一定波動；第5 d沉樁樁位靠近B1測孔，不同深度土體中超孔隙水壓力均迅速上升，其中最大值為135 kPa，位于12 m深度處；第6 d盡管仍有部分樁體貫入，但由于遠(yuǎn)離測孔，超孔隙水壓力峰值已開始回落，說明平面徑向距離是影響超孔隙水壓力大小的首要因素；20 d后，淺層土體的超孔隙水壓力輕微上升，這與靜載試驗(yàn)時大型設(shè)備的進(jìn)場碾壓等因素有關(guān).

圖3 測孔B1各深度處超孔隙水壓力隨時間變化曲線

由圖4可見，在上部淤泥土中，超孔隙水壓力隨深度增加近似線性增大，這主要是由于地基土的初始應(yīng)力以及不排水抗剪強(qiáng)度等隨深度增加而增長所致[12-13].下部粉砂粉土互層滲透性明顯較強(qiáng)，測孔B1、B3的超孔隙水壓力在16 m深度處(軟硬土層交界面)開始衰減，超孔隙水壓力要明顯低于上部淤泥層.測孔B2則呈現(xiàn)了不同的豎向分布規(guī)律，超孔隙水壓力峰值產(chǎn)生于18 m(④粉質(zhì)黏土夾粉砂層)處，這與初始地應(yīng)力、沉樁施工速率密切相關(guān)，下臥粉砂粉土互層中初始地應(yīng)力較高，且距離測孔B2最近的4根預(yù)制樁均在第5 d打入，周圍土體的初始應(yīng)力場急劇改變，因此，盡管土體的滲透系數(shù)較大，但仍產(chǎn)生了較高的超孔隙水壓力.由此可見，同一平面位置處沉樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力與地基土初始應(yīng)力、土體滲透系數(shù)、沉樁速率等因素均有關(guān)，是一個復(fù)雜的空間問題.鑒于沉樁施工速率對超孔隙水壓力的峰值有著很大的影響，合理控制施工速率有助于抑制超孔隙水壓力的短時間集聚上升.

圖4 最大超孔隙水壓力沿深度分布曲線

3.2 超孔隙水壓力的消散

圖6對比了測孔B1的不同深度超孔隙水壓力的消散情況,其中超孔壓消散率k定義為

(1)

式中，u0為沉樁完成時超孔隙水壓力的消散初始值；ut為沉樁完成后任意時刻的超孔隙水壓力.

圖6 測點(diǎn)B1各深度超孔壓隨時間消散曲線

由圖6可知，深厚淤泥層中超孔隙水壓力的消散速度緩慢，休止30 d后超孔壓消散率低于50%，其中，8 m深度處超孔隙水壓力的消散速度最慢，30 d后k僅為32.3%，這是因?yàn)? m深度位于淤泥土層的中部，徑向消散速率與豎向消散速率均很慢.此外，超孔壓消散曲線在消散初期易發(fā)生突變，一日內(nèi)超孔壓可消散20%～30%，隨后曲線趨于平緩；究其原因在于，淤泥層中超孔隙水壓力峰值接近或大于有效上覆壓力或有效側(cè)壓力時，土體會發(fā)生水力壓裂現(xiàn)象[17-18]，地基土中產(chǎn)生水平或豎向裂縫，形成良好的排水通道，超孔隙水壓力迅速消散，而當(dāng)超孔隙水壓力消散至較低應(yīng)力水平時，排水通道逐漸閉合，超孔隙水壓力的消散又趨于緩慢.相比之下，在下臥粉砂粉土互層中，由于滲透系數(shù)較大，超孔隙水壓力消散迅速，2 d后超孔壓消散率均在95%以上，可認(rèn)為已基本消散完全.

淤泥土中超孔隙水壓力的消散情況見圖7.由圖可知，休止10 d時，不同深度超孔壓的消散率為25%～50%；休止30 d時，消散率僅稍有增大；休止10～30 d 階段內(nèi)，超孔隙水壓力的消散率不足10%，消散速率緩慢.這一方面是由于水力壓裂導(dǎo)致超孔隙水壓力的消散具有顯著的先快后慢特征;另一方面也與連云港海相軟黏土的強(qiáng)結(jié)構(gòu)性特征有關(guān)[19]，預(yù)制樁錘擊施工破壞了原狀土的天然結(jié)構(gòu)，土體屈服后孔隙比急劇降低，滲透系數(shù)大幅度衰減[20-22].

圖7 淤泥土中超孔隙水壓力的消散圖

3.3 土體深層水平位移

圖8為測孔CX1處垂直2個方向的土體深層水平位移曲線.其中，土體水平位移通過自下而上累加得到.由圖可知，土體朝向西南方向發(fā)生偏移，A軸、B軸2個方向上深層水平位移的大小及分布較為相似.由于樁位布置具有南北對稱性，南北方向的位移可能是由沉樁施工的遮簾作用導(dǎo)致[23-24]，也可能是因?yàn)槁裨O(shè)測斜管時槽口方向存在偏差.

(a) A軸方向

(b) B軸方向

隨著沉樁樁位靠近，土體水平位移逐漸增加，施工第5 d時，土體位移發(fā)生突變，地表水平位移增大約20 mm，這與超孔隙水壓力的突變時間相吻合.在14～16 m深度處，水平位移自下而上急劇增大，此深度范圍大約為上部軟土層與下部硬土層的分界面，預(yù)制樁在交界面處受力發(fā)生劇變[10]，土體水平位移發(fā)生急劇變化，故沉樁過程中應(yīng)特別注意軟硬土層的交界面，防止樁身變形突變導(dǎo)致樁體的偏移與折斷.

土體水平位移的分布形式呈上大下小的特征，這與上軟下硬的地層特征有關(guān)[14,25].淤泥土層的抗變形、抗剪切能力較弱，超孔隙水壓力難以消散，應(yīng)力釋放緩慢，土體變形難以恢復(fù)，故其上覆壓力較小，預(yù)制樁打入時會產(chǎn)生較大的位移量.而下臥粉砂粉土互層的模量及強(qiáng)度明顯較高，且上覆壓力較大，土體所受約束較大，下部土體的變形量較小.

3.4 位移與孔壓的動態(tài)關(guān)系

圖9給出了休止7 d時超孔壓消散與土體側(cè)向回移的關(guān)系曲線.土體側(cè)向回移率m為

(2)

式中，s0為沉樁完成時土體側(cè)向位移；st為沉樁完成后任意時刻的土體側(cè)向位移.

圖9 超孔壓消散與土體側(cè)向回移的關(guān)系

由圖9可知，休止期超孔壓的消散與土體的側(cè)向回移具有一定的相關(guān)性，粉砂粉土互層中超孔隙水壓力的消散率明顯高于上覆淤泥層，土體側(cè)向回移率也呈現(xiàn)相同的規(guī)律.然而，地基土中土體的側(cè)向回移速率要明顯低于超孔壓的消散速率，淤泥層中超孔壓的消散率為 20%～40%，土體回移率僅為10%甚至更低；而在下臥粉砂粉土互層中，盡管超孔壓已完全消散，土體水平位移仍較大.這是因?yàn)閷?shí)心預(yù)制方樁為擠土樁，沉樁施工時排開部分地基土體不可恢復(fù)，錘擊沉樁施工形成劇烈的擠壓剪切，海相結(jié)構(gòu)性軟土地基中產(chǎn)生的大變形、結(jié)構(gòu)損傷、膠結(jié)作用破壞等導(dǎo)致部分側(cè)向變形無法恢復(fù)，且土體回移速率緩慢[26]，這與文獻(xiàn)[13]的觀測結(jié)論相吻合.由此表明，分析休止期內(nèi)土體的位移與孔壓動態(tài)關(guān)系時，需合理考慮土體的不可恢復(fù)側(cè)向變形.由于本風(fēng)電項目預(yù)制方樁均通過錘擊法動力貫入，大面積群樁施工對連云港海相軟土地基的天然結(jié)構(gòu)造成了顯著的損傷破壞，故土體的側(cè)向回移速率明顯滯后于孔壓的消散速率.

4 結(jié)論

1) 深厚淤泥土中超孔隙水壓力的大小隨深度增加近似線性增大，最大超孔隙水壓力可達(dá)有效上覆壓力的1.61倍.下部粉砂粉土層中超孔隙水壓力峰值較低，與深度無線性規(guī)律，沉樁擠土效應(yīng)明顯較弱.

2) 群樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)與超孔隙水壓力分布是一個復(fù)雜的空間問題.徑向距離是影響沉樁產(chǎn)生的超孔隙水壓力大小的首要因素，而超孔隙水壓力的空間分布規(guī)律與地基土初始應(yīng)力、土層滲透系數(shù)、沉樁施工速率等因素均有關(guān).

3) 由于上軟下硬的地層特征，沉樁產(chǎn)生的土體深層水平位移呈現(xiàn)上大下小的分布規(guī)律，并且軟硬土層交界面易發(fā)生土體水平位移突變，在實(shí)際工程中應(yīng)予以重視，以防造成樁體偏移或樁身損傷.

4) 錘擊沉樁施工造成土體天然結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致土體側(cè)向回移速率明顯滯后于超孔隙水壓力的消散速率.因此，在分析超孔隙水壓力消散與土體側(cè)向回移的動態(tài)關(guān)系時，需合理考慮土體不可恢復(fù)變形的影響.