軟土地基中單樁和群樁的超孔隙水壓力

軟土地基中單樁和群樁的超孔隙水壓力

1軟土地基中樁基施工超孔隙水壓力影響機(jī)理間隙水壓力是影響軟土壤結(jié)構(gòu)中單元的重要因素。飽和軟土地基中沉樁基本是在不排水條件下進(jìn)行的。沉樁時(shí)，樁要排開(kāi)同體積的土體，使周?chē)林械膽?yīng)力場(chǎng)發(fā)生很大變化，在低滲透性的飽和軟土中，會(huì)產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力。這種消散緩慢的超孔隙水壓力的存在，不僅影響著樁的承載力，而且還妨礙了施工的速度，甚至威脅著鄰近建筑物和管線(xiàn)的安全。為了研究軟土地基中樁基施工引起的超孔隙水壓力的規(guī)律，對(duì)一工程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得到了關(guān)于單樁和群樁施工時(shí)孔隙水壓力和側(cè)向土壓力變化的一些規(guī)律。文中討論了單樁施工時(shí)對(duì)孔隙水壓力的影響規(guī)律和影響范圍，并與已有的理論解進(jìn)行了對(duì)比。這些結(jié)果可為進(jìn)一步的理論研究和機(jī)理探討積累資料和經(jīng)驗(yàn)，也為合理選擇樁的承載力和減少樁基施工危害提供依據(jù)。2樁側(cè)土中超孔隙水壓力在理論上模擬樁體的貫入過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題。Vesic曾得到在飽和粘土中不排水條件下的理論解。他將單樁貫入過(guò)程模擬為無(wú)限土體中孔穴的擴(kuò)張，利用彈塑性理論求解平面對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，得出圓柱孔擴(kuò)張后在周?chē)林行纬傻膹椝苄詤^(qū)范圍及應(yīng)力、位移分布。其后在現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)對(duì)樁和探頭貫入過(guò)程中測(cè)得的資料表明：樁側(cè)土中的應(yīng)力和孔隙水壓力增量大都可以由圓柱孔擴(kuò)張理論來(lái)近似估算。對(duì)于服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的飽和彈性-完全塑性材料，圓柱孔擴(kuò)張引起的總應(yīng)力增量為式中?σr、?σθ、?σz為分別表示徑向、切向和豎向的應(yīng)力增量；r為離開(kāi)樁中心的距離；Rp為塑性區(qū)半徑；Cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度。孔隙水壓力增量可以根據(jù)Henkel公式計(jì)算，即式中?σOCT、?τOCT分別為八面體正應(yīng)力增量和剪應(yīng)力增量；β、α為Henkel孔隙水壓力參數(shù)，在飽和土中β=1。Henkel孔隙水壓力參數(shù)α與Skempton孔隙水壓力參數(shù)A之間有如下關(guān)系將式（1）和式（3）代入式（2）后，可得到樁周土中超孔隙水壓力的計(jì)算式在塑性區(qū)在彈性區(qū)在樁身表面塑性區(qū)半徑為式中E為土的彈性模量；μ為土的泊松比；r0為樁半徑。樁端周?chē)林械目讐簩?shí)測(cè)資料比較少見(jiàn)。Roy曾綜合了一些資料進(jìn)行分析，與球穴擴(kuò)張理論估算的結(jié)果對(duì)比后認(rèn)為兩者不盡相符。3樁群結(jié)構(gòu)及測(cè)量元件布置實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)位于浙江寧波，工程地質(zhì)概況見(jiàn)表1。地面標(biāo)高在4.29～4.83m，地下水埋深一般為0.4m。現(xiàn)場(chǎng)擬建一幢5層框架結(jié)構(gòu)綜合樓，基礎(chǔ)采用沉管灌注樁，沉管外徑377mm，預(yù)制混凝土樁尖外徑422mm，樁長(zhǎng)13.7m，取(4)1粘質(zhì)粉土層為樁尖持力層。樁位按矩形布置，最小樁距為1m。工區(qū)面積約350m2，總樁數(shù)301根。在本次工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)孔隙水壓力、側(cè)向土壓力、沉樁時(shí)鄰樁軸向力作了全面的觀測(cè)。埋設(shè)的測(cè)量元件有：(1）在樁群內(nèi)外不同位置和深度的土體中共埋置了16只孔隙水壓力計(jì)（U1～16）。其中9只埋置在樁群中心附近，3只埋置在樁群內(nèi)西部邊緣，另外4只埋置在樁群外不同距離和深度處。(2）在樁群中心預(yù)先壓入一根量測(cè)鋼管樁，其外徑為102mm，樁長(zhǎng)14.4m，稍長(zhǎng)于工程樁。量測(cè)樁外壁上裝有小型壓力盒(P1～9)和孔隙壓力計(jì)(Up1～9)各9只，分別布置在3個(gè)不同深度上，在每一深度3個(gè)不同的方向上安裝傳感器各3只。在量測(cè)樁內(nèi)4個(gè)不同的深度和方向上還貼有19組電阻應(yīng)變片（ε1～19），來(lái)測(cè)量沉樁時(shí)對(duì)鄰樁所產(chǎn)生的拉壓和撓曲。土體中埋置的孔隙水壓力計(jì)以及鋼管量測(cè)樁上的壓力盒、孔隙壓力計(jì)和電阻應(yīng)變片，其位置、深度及對(duì)應(yīng)的土層見(jiàn)圖1。采用雙管式孔隙水壓力儀測(cè)量孔隙水壓力。實(shí)測(cè)前將各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力值全部調(diào)成0，以測(cè)定由沉樁施工引起的超孔隙水壓力（不包括原位靜水壓力）?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作持續(xù)了3個(gè)多月。4測(cè)量結(jié)果與分析4.1沉樁超孔隙水壓力隨離樁距離的變化為分析單樁施工引起的超孔隙水壓力的分布及其影響范圍，可把距某一孔隙壓力計(jì)不同距離處沉樁時(shí)在孔隙壓力計(jì)上測(cè)得的各孔隙水壓力增量，看成是單樁施工時(shí)在距樁軸不同距離處引起的超孔隙水壓力。根據(jù)不同埋深的3個(gè)孔隙壓力計(jì)U2、U6、U9測(cè)得的孔隙水壓力增量值，可以整理出3組孔隙水壓力增量Δu與沉樁距離r的關(guān)系。為研究超孔隙水壓力的分布規(guī)律及其影響范圍，可將實(shí)測(cè)結(jié)果歸一化后畫(huà)入半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，如圖2所示。圖中0r為樁半徑，ρ=r/r0；σ′VO為測(cè)點(diǎn)處土的有效上覆壓力?？梢钥闯觯翗兑鸬某紫端畨毫﹄S著離開(kāi)樁的距離增加而逐漸減小，并與距離的對(duì)數(shù)成良好的線(xiàn)性關(guān)系。如果將直線(xiàn)延長(zhǎng)，當(dāng)r=r0時(shí)，即可推算得樁土界面處的超孔隙水壓力值；而在直線(xiàn)與橫軸的交點(diǎn)，可推算出沉樁引起的超孔隙水壓力的影響范圍。這些結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，沉樁時(shí)產(chǎn)生的超孔隙水壓力的最大影響半徑是隨測(cè)點(diǎn)埋深的增加而增大。將U2測(cè)點(diǎn)的資料與U9測(cè)點(diǎn)的資料進(jìn)行比較，前者的最大影響半徑推算值是后者的75%。但從圖2中看出，超孔隙水壓力隨著離開(kāi)樁的距離衰減很快。如在地表以下8m處，離樁軸距離4m以外，沉樁時(shí)產(chǎn)生的超孔隙水壓力已小于5kPa；離樁軸距離6.0m以外，超孔隙水壓力已不到2kPa。雖然有時(shí)在離樁軸距離10m以遠(yuǎn)也還可以測(cè)到沉樁時(shí)產(chǎn)生的孔隙水壓力變化，但其變化量都是微不足道的。對(duì)于實(shí)際工程問(wèn)題，小于5kPa的孔隙水壓力增量可以忽略不計(jì)。據(jù)此，單樁施工時(shí)引起的超孔隙水壓力的影響半徑Rmax大約為20r0（參見(jiàn)表2）。如果令a表示超孔隙水壓力的影響半徑R與樁半徑r0之比，即a=R/r0，則在樁側(cè)土中，a=20。根據(jù)表2中的回歸方程，當(dāng)r=r0，即在樁土界面處，孔隙水壓力增量最大，定義為usm。它與上覆有效壓力σ′vo成比例。在表2中也列出了usm的推算值?？紤]到上述參數(shù)ρ和a的定義，那么表2中所有的3個(gè)方程可統(tǒng)一表示成：4.2埋深對(duì)孔隙水壓力的影響在上節(jié)的分析中，根據(jù)樁側(cè)土中的超孔隙水壓力分布規(guī)律對(duì)樁土界面處的超孔隙水壓力值進(jìn)行了推算。從表2可以看出，沉樁時(shí)在樁土界面處產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨測(cè)點(diǎn)埋深的增大而增加。將U2測(cè)點(diǎn)的資料與U9測(cè)點(diǎn)的資料進(jìn)行比較，前者的樁土界面的超孔隙水壓力推算值僅為后者的65%。但這還只是推算值之間的比較，與實(shí)測(cè)情況相比，這一比值仍然偏大。對(duì)量測(cè)樁表面上不同深度的孔隙水壓力uP進(jìn)行了測(cè)量，并將其與埋深相近測(cè)點(diǎn)（樁土界面處）的超孔隙水壓力推算值usm進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表3。由表列結(jié)果可以看出，在各個(gè)深度上，量測(cè)樁上的孔隙水壓力值均小于相應(yīng)深度處測(cè)點(diǎn)的推算值。但兩者之比隨著埋深的增加而變大。也就是說(shuō)，在埋深較深處表2中樁土界面處的超孔隙水壓力推算值與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，而在淺層土中，兩者的誤差較大。在接近地表的土層中，樁土界面處的超孔隙水壓力實(shí)測(cè)值幾乎為0。產(chǎn)生這些差異的原因可能是：(1)沉樁時(shí)不同深度處的土體位移方向不同。深層土主要產(chǎn)生水平位移，而淺層土除了水平位移外還易產(chǎn)生豎向隆起，形成較好的排水條件；(2)沉樁過(guò)程中樁體緊鄰的土體受到擾動(dòng)后結(jié)構(gòu)破壞，易形成排水通道；(3)超孔隙水壓力的產(chǎn)生和分布與上覆有效壓力有關(guān)。在施工結(jié)束后的固結(jié)過(guò)程中，由于樁表面與土中存在壓力差，土中的孔隙水壓力會(huì)向樁表面轉(zhuǎn)移。所以，在固結(jié)初期，樁表面的孔隙水壓力值先是上升，待達(dá)到土中同樣的壓力后才開(kāi)始下降，此后的消散規(guī)律與土中孔隙水壓力的消散規(guī)律一致。樁土界面處的超孔隙水壓力值的計(jì)算和實(shí)測(cè)還有待進(jìn)一步研究，也許利用孔壓靜力觸探試驗(yàn)（CPTU）可以解決這一問(wèn)題。4.3土體開(kāi)裂率對(duì)樁身高度的影響圖3分別是不同埋深的3個(gè)孔隙壓力計(jì)U2,U6,U9測(cè)得的孔隙水壓力增量Δu與沉樁距離r的關(guān)系曲線(xiàn)。按理論解式（4）和式（5）得到的結(jié)果，將實(shí)測(cè)結(jié)果與理論估算值進(jìn)行比較，可以看出，曲線(xiàn)的形態(tài)是相當(dāng)吻合的，但在靠近樁身的塑性區(qū)中，3組實(shí)測(cè)結(jié)果均比理論估算值要小。根據(jù)上海軟土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，淤泥質(zhì)粘土的剛度比E/Cu≈150～380，按照表1中的土體參數(shù)，正常固結(jié)土取A=0.85，不排水條件下取μ=0.5，代入理論式（6）后可以得到3個(gè)測(cè)點(diǎn)深度處對(duì)應(yīng)的樁身最大值Δumax，其范圍在60～110kPa；代入式（7）后可以得到塑性區(qū)半徑Rp,Rp≈（7.1～11.3)r0，即Rp≈1.4～2.3m。但考慮到沉樁過(guò)程中樁對(duì)土的剪切和振動(dòng)產(chǎn)生的影響，Rp的實(shí)際值應(yīng)該比理論值大。再根據(jù)理論式（4）和（5），在塑性區(qū)邊界上應(yīng)有?u=Cu(1.73A–0.58)。按照這一條件，可以在圖2的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)上求得3層土的塑性區(qū)半徑Rp分別為2.39,2.65,2.91m，相當(dāng)于12.1r0,13.4r0,14.7r0。這與上面的結(jié)論基本一致。將這3個(gè)值分別代入理論式（4），在r=r0處可求得樁土界面處孔隙水壓力增量Δumax（見(jiàn)表4）。將理論估算值與表2中的實(shí)測(cè)推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行比較（參見(jiàn)表4），可以看出，在樁土界面處孔隙水壓力增量的實(shí)測(cè)推導(dǎo)結(jié)果約是理論估算值的51%～59%，而超孔隙水壓力的影響半徑則為塑性區(qū)半徑Rp的1.2～1.5倍。4.4孔隙水壓力隨樁位與測(cè)點(diǎn)的水平距離來(lái)變化在測(cè)點(diǎn)附近施工時(shí)，可以觀察到孔隙水壓力隨樁體貫入深度增加而出現(xiàn)的變化。跟蹤整個(gè)沉樁過(guò)程中孔隙水壓力的變化，可以看出這樣的規(guī)律：測(cè)點(diǎn)處的孔隙水壓力在樁尖達(dá)到測(cè)點(diǎn)埋置標(biāo)高以上一定高度時(shí)已經(jīng)開(kāi)始增大，并在樁尖達(dá)到測(cè)點(diǎn)埋置標(biāo)高時(shí)升到最大值。這一值隨著樁位與測(cè)點(diǎn)的水平距離增大而減小。樁與測(cè)點(diǎn)相距很近時(shí)，樁尖穿過(guò)測(cè)點(diǎn)標(biāo)高后孔隙水壓力有明顯下降，并漸漸達(dá)到一穩(wěn)定值。最大值與穩(wěn)定值之比也隨著樁位與測(cè)點(diǎn)的水平距離增大而減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與樁的貫入機(jī)理有關(guān)：即樁端下某一標(biāo)高的土體隨著樁體的貫入受到越來(lái)越大的擠壓，到樁尖穿過(guò)該標(biāo)高后該處的土體主要不再是受擠壓，而是樁壁與土體的摩擦剪切。在沉樁過(guò)程中，連續(xù)地觀察樁尖逐漸接近測(cè)點(diǎn)時(shí)的孔隙水壓力變化，可以得到樁端土中孔隙水壓力增量隨距離的變化曲線(xiàn)。圖4是根據(jù)實(shí)測(cè)資料擬合的曲線(xiàn)，它與孔穴擴(kuò)張理論估算的結(jié)果不盡相符。在靠近樁體的地方，實(shí)測(cè)分布曲線(xiàn)與筆者提出的負(fù)指數(shù)型分布規(guī)律?u=uTme-α(ρ-)1基本吻合，但在離開(kāi)樁體較遠(yuǎn)的地方，似乎更符合如下規(guī)律：式中uTm為樁端最大超孔隙水壓力值，ρ為距離比；。樁端下土中孔隙水壓力的變化比較難測(cè)，因此上述分布規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。將測(cè)點(diǎn)處孔隙水壓力開(kāi)始變化時(shí)樁軸與測(cè)點(diǎn)的水平距離以及樁尖與測(cè)點(diǎn)的高差標(biāo)入圖5，可以估算出樁尖以下球形影響區(qū)的最大半徑約為19r0。如果也不計(jì)小于5kPa的孔隙水壓力的影響，那么樁端下球形影響區(qū)的半徑R約為10r0，即a=10。5樁側(cè)土中孔隙水壓力(1）樁側(cè)土中超孔隙水壓力隨距離的分布呈對(duì)數(shù)型衰減，具有如式（8）所表達(dá)的形式。這一分布規(guī)律與采用圓柱孔擴(kuò)張理論估算的結(jié)果比較吻合。但在靠近樁身的地方，用圓柱孔擴(kuò)張理論估算的結(jié)果要大于實(shí)測(cè)值。(2）樁土界面處的超孔隙水壓力值與土的上覆有效壓力有關(guān)。實(shí)測(cè)資料推算值usm為圓柱孔擴(kuò)張理論估算結(jié)果的51