饱和砂中静压沉桩对超孔隙水压力的影响

周兰兰

(上海浦江桥隧隧道管理有限公司，上海市200123)

饱和砂中静压沉桩对超孔隙水压力的影响

周兰兰

(上海浦江桥隧隧道管理有限公司，上海市200123)

通过采用模型试验，研究直径为37 mm的闭口模型桩静压沉桩时，饱和砂中的超孔隙水压力的产生规律。发现饱和砂中沉桩引起的超孔压沿径向远离桩身表面的时候，超孔隙水压力先增大后减小，超孔隙水压力最大值发生在距桩身表面径向距离r=2D(D是桩径)处。沿深度方向，中间部分的土体中超孔压最大,上部和下部的土体中产生的超孔隙水压力较小。最后采用离散元软件研究了静压沉桩速度对超孔隙水压力的影响，发现沉桩速度越快，所产生的超孔压越大。

模型试验；静压桩；锤击沉桩；超孔隙水压力；离散元；沉桩速度

0 引言

传统的沉桩工法对环境有较大的影响，通常会产生较大的噪音［1-3］或者引起结构的破坏开裂［4］。随着对文明施工的要求愈发严格，在人口相对密集的城市中，对传统沉桩工法的使用有所限制。因此，近些年静压沉桩工法相较于传统的沉桩工法得到了较为广泛的采用。静压桩是通过静力压桩机的压桩机构以压桩机自重和机架上的配重提供反力而将预制桩压入土中的沉桩工艺。完全避免了锤击打桩所产生的振动、噪音和污染，因此施工时具有对桩体无破坏、施工无噪音、无振动、无冲击等优点［5］，如图 1所示。

图1 各类沉桩对环境影响的示意图［6］

然而，同普通的预制桩一样，在静压桩的沉桩过程中会有超孔隙水压力的产生。静压沉桩引起的超孔隙水压力的产生，以及后续的消散都将影响桩体的承载力。很多学者［7-8］(Airhart,1967;Tanand Lin,2012 )在其研究中发现,当由沉桩引起的超孔隙水压力随着时间消散之后，桩体的承载力有明显的提升。待超孔压完全消散之后，饱和软粘土中的桩体承载力是超孔压未消散时候的两倍之多。在实际工程设计中考虑到超孔压的产生或消散对桩体的承载力的影响是非常重要的。因此研究超孔压的产生和消散规律具有较为实际的意义。

然而，现有的研究［9-10］大多集中在研究静压沉桩对饱和软粘土中的超孔隙水压力的影响。在采用传统沉桩工法的时候，普遍认为饱和砂土处于排水状态［11］，因此对沉桩在砂土中引起的超孔压的研究较少。随着机械技术的发展，静压沉桩速度相较于传统的沉桩工法较快，在静压沉桩过程中，砂土中产生的超孔压尚未来得及完全消散，在沉桩过程，以及沉桩完成之后饱和砂土中明显存在超孔隙水压力。基于此，本文主要通过模型试验和离散元研究了静压沉桩过程饱和砂土中超孔压的产生及消散规律，以及沉桩速度对土体中超孔压的影响。

1 室内模型试验

鉴于模型试验相较于现场实测具有可重复性高，节约成本，以及研究周期短等特点，该项研究主要通过模型试验展开。

1.1 模型试验的简介

模型试验在自主设计的室内模型箱中进行。模型箱的尺寸为1 m×1 m×0.9 m(见图2)。

图2 模型箱和加载系统示意图(单位：mm)

所采用的铝制模型桩直径为37 mm，长度为580 mm。千斤顶匀速地将模型桩压入到土体之中。砂土采用分层饱和法进行制备，填砂到一定深度的时候暂停填土，然后进行微型孔压计的布设。微型孔压计沿深度方向布设了五层，深度分别为125 mm，250 mm，375 mm，500 mm，550 mm；距离桩身表面的径向距离分别为：1D,2D,3D,5D(D为模型桩的直径)。微型孔压计的平面布置如图3所示。

图3 微型孔压计的平面布置图

1.2 砂土的性质

试验开始前对试验用砂进行了颗粒分析试验。筛分曲线如图4所示。

图4 筛分曲线图

从筛分曲线图可知试验用砂为中细砂。筛分曲线较陡，粒径大小相差不大，土粒较均匀，级配不良。根据筛分试验进一步得到的砂土的颗粒级配指标如表1所列。

表1 砂土的颗粒级配指标一览表

砂土铺设完毕之后对饱和的试验用砂进行了原位触探试验，绘制出qc，fs随深度变化的试验结果如图5所示。

图5 饱和砂中的静力触探曲线图

根据CPT试验结果，认为试验用砂的密实度介于极松和疏松之间。

1.3 试验结果分析

该项室内模型试验通过微型孔隙水压力计记录了静压沉桩及锤击沉桩过程中，饱和砂土中超孔隙水压力的产生，以及后续的消散规律。

埋深为125 mm，距桩身表面的径向距离为r=1D测点A1处的超孔压随沉桩深度的发展如图6所示，125 mm深度的土体处没有明显的超孔隙水压力产生。故主要研究深度为250～550 mm土体处的超孔隙水压力。

分析表层砂土中没能监测到明显的超孔压的原因，一方面由于砂土本身的透水性较高，另一方面在沉桩过程引起表层土体发生隆起，表层土体中形成较良好的排水通道，故表层土体中未能产生明显的超孔隙水压力,试验记录了沉桩过程中各个测点处产生的超孔隙水压力的峰值，绘制出的沉桩过程中超孔压云图如图7所示。其中纵坐标为深度的无量纲化，横坐标为径向距离的无量纲化。

图7 超孔压峰值云图

为了分析沉桩引起的超孔压峰值沿深度和沿径向的分布规律，在图7中距离桩身径向距离为1.5D处绘制一条竖直线，在深度为 375 mm (9.375)处绘制一条水平线。

根据图7的水平横线可以看到，沉桩引起的超孔隙水压沿径向原理桩身表面的时候，超孔压先增大后减小。沿径向超孔隙水压的峰值大致发生在距离桩身表面距离为r=2D处的位置。小孔扩张理论［12］认为超孔隙水压的最大值应该产生在桩身表面。该项实验的观察结果与小孔扩张理论有差别。小孔扩张理论假设沉桩过程是平面扩张的过程，没能够考虑到桩与土之间的摩擦作用。在实际的沉桩过程中，桩与土之间的摩擦使得距离桩身表面较近的砂土摩擦受拉，可以形成较好的排水通道，故沉桩产生的超孔压在紧邻桩身表面处并非最大，最大值发生在距桩身表面径向距离r=2D处。

从图7中的竖向直线可以看到产生的超孔压峰值沿深度方向的分布规律。

可见，随着深度的增加，沉桩引起的超孔隙水压先增大后减小。上部和底部砂土中的超孔压明显小于中部土体的超孔压。上部土体在沉桩的过程中易发生隆起，形成良好的排水通道，故产生的超孔压较小；由于模型桩尖为三角锥，相对于圆柱体积较小，在沉桩完成后对下部分土体的挤土效应相较与对中部土体的挤土效应要小，故底部土体的超孔压也比较小。

2 离散元模拟

本文通过离散元研究了沉桩速度对超孔压的影响规律。有学者［13］认为孔隙压力的变化值同一定土体体积的减小值呈正比。基于此原理，本文利用离散元进行了干砂条件下的数值模拟，通过监测对应土体处的孔隙的变化从而达到监测超孔压变化的目的。对于离散元，不能够精确地给出某一点处的孔隙率的变化，而是采用以测点为圆心，以桩径为直径的圆的范围内土体的平均孔隙率近似表达所研究测点处的孔隙率。

2.1 模型简介

由于离散元计算耗费大量的机时，按照实际模型的1/20进行数值模拟建模。模型试验的桩长为580 mm，沉桩深度为570 mm，桩径为37 mm，填砂深度为80 cm；据此离散元模拟的桩长为29 mm,沉桩深度为28.5 mm，模型桩径为1.85 mm。

2.2 模拟结果

对1 cm/s和2 cm/s的沉桩速度进行对比性模拟研究，图8给出了埋深为25 mm，径向距离r=2D测点处的孔隙率随沉桩深度的变化图。从图8可见沉桩速度越快，孔隙率越小，则产生的超孔压越大。

图8 不同沉桩速度下的孔隙率变化曲线图

3 结论

本文通过室内模型试验和相关的数值模拟研究了静压桩对饱和砂的超孔压影响规律，以及沉桩速度对超孔隙水压力的影响。得出以下主要结论：

(1)静压沉桩在砂土中引起的超孔隙水压沿径向远离桩身表面，先增大后减小。沿径向超孔压的最大值产生在r=2D处。

(2)超孔隙水压沿深度方向先增大后减小，最大值发生在桩身中部所对应的土体中。

(3)通过数值模拟研究，沉桩速度越快则静压沉桩引起的超孔隙水压力越大。

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TU441

A

1009-7716(2015)08-0207-03

2015-04-13

周兰兰(1981-),女，江苏人，硕士，工程师，副总工程师，研究方向：市政工程。