基于模型试验的群桩沉桩后超孔隙水压力分析

孙世光 张凤亮

超孔隙水压力是影响软土地基中桩基设计和施工的重要因素。在饱和软土中沉桩,由于桩的挤压作用,桩要排开同体积的土体,使周围土中的应力场发生很大变化,会产生很高初始超孔隙水压力[1,2],沉桩后超孔隙水压力会逐渐消散,但消散较缓慢,这种超孔隙水压力的存在,不仅影响着桩的承载力,而且还妨碍了施工的进度,甚至还会对周围环境产生很大的影响。因此,研究沉桩引起的超孔隙水压力大小、分布及消散规律对研究桩基承载力和桩周土固结有着重要意义。

2 孔压计埋设情况

试验时,量测了群桩压入土体后的超孔隙水压力的变化,在桩群内外不同位置和深度的土体共埋置了5只孔压计(U1～U5),孔压计分别埋入离桩中心外不同距离和深度处,其布置方法见图2。在压桩过程中对各测点超孔压进行同步测量,各测点在不同工况下的超孔压值列于表2。

1 群桩模型试验情况

群桩模型试验在尺寸为1 000 mm(长)×1 000 mm(高)×800 m(宽)的模型箱内进行,按一定的相似比进行模型试验设计。试验土样取自天津浅层海相软土,经过晾晒、破碎、填箱、加压固结等过程,压桩前进行了土工试验,土性参数见表1。

表1 压桩前土性参数

表2 各测点处超孔隙水压力值

模型桩选用长(L)为500 mm、直径(D)为30 mm的有机玻璃棒,桩间距采用4D,模拟9根群桩挤土情况,由于对称性,靠玻璃板的模型桩做成了半桩。桩体布置图见图1。

3 试验成果分析

3.1 超孔隙水压力径向变化分析

由表2,图3可见,当单桩沉桩时,先沉入桩对测点附近土体扰动较少,因此此时各测点超孔压值变化也较少(工况一)。随着群桩的不断压入,沉桩产生的初始超孔隙水压力在相同深度处的水平方向,随着测点至桩轴距离的加大而呈非线性减小,这与大量实测资料和模型试验结果[3,4]基本一致。桩群中超孔隙水压力要大于群桩外的孔压值;超孔压的产生范围约在单桩直径的5D以内,其外土体的超孔压将变得很小。

3.2 超孔压沿深度的变化

本次模型试验沿桩侧在两个深度位置埋设了孔压计,分别为土层面下250 mm处的 U1,U3,桩端处的U2,U4。虽然测点较少,但还是看到随着测点深度的增加,在桩长范围内,超孔隙水压力也是不断增加的,且较深处超孔压值增加幅度大于桩间浅层土中超孔压值(见表3)。另一方面,群桩施工后所产生的最大超孔隙水压力与有效上覆压力比值与测点埋深有关,在桩群浅层土中的超孔压值仅为上覆压力值的59%,而位于桩群深度500 mm测点处的超孔隙水压力值达到上覆土压力的82%。

表3 不同工况下不同深度处超孔压比值

3.3 沉桩顺序的影响

本次模型试验采用倒“Z”字形压桩顺序依次将模型桩压入土中。随着桩的不断压入,测量各点超孔压值呈不断增长趋势。由于压桩顺序影响,当沉桩位置与测点相距很近时,会导致该点超孔隙水压力的猛然上升,从表2中可以看出在压入第2根桩(工况二)时,桩侧附近测点 U1和U2分别升高了 126%和177%;在压入第5根桩(工况五)时,桩侧附近测点 U3和 U4分别升高了135%和109%,U5值增加缓慢,仅当工况五时该测点才稍有升高。由表2还可以看出,群桩各处测点位置的超孔压值是不断累积的,但桩群中心处超孔压值比桩周累积值要大,而且超孔压随着深度的增加而增加。超孔隙水压力随孔压计与沉桩点的距离变化而变化,沉桩方向趋向测点时超孔压增大,在测点附近达到最大;背向测点时超孔压减小,下降速率由快到慢。

3.4 超孔压的消散

目前,人们对超孔隙水压力的消散问题进行了理论分析[5,6],本文就模型试验对沉桩引起的超孔隙水压力消散进行了实测。

图4给出了试验各处超孔压值随着时间的增加超孔压的消散情况。U5距离群桩外较远处,因此该处的超孔隙水压力消散较快,3 d左右便趋于缓和。其他各测点在5 d～15 d期间孔压消散至缓和,15 d～30 d期间各测点超孔隙水逐步消散并趋近于零。

沉桩结束以后很长一段时间,孔隙水压力才会逐渐消散,周围土体会发生再固结,而再固结将导致土体有效应力增加,因此,桩的承载力也会随着时间而逐渐增加,但同时,再固结将导致桩间土下沉,产生桩的负摩阻力,对桩基工程十分不利。

4 结语

1)超孔隙水压力随着沉入土体内桩数的增加而不断积累,且积累到一定程度后变化幅度变缓。最初沉桩时由于扰动程度低,故土体内部超静孔压变化幅度较小,但随着沉入桩数的不断增加而显著增大。2)沉桩产生的初始超孔隙水压力在水平方向,随着测点至桩轴距离的加大而呈非线性减小,超孔压的产生范围约在5倍桩径;在桩群范围内,随着测点深度的增加,超孔隙水压力是不断增加的,且外侧增加幅度大于桩群区域的土中。3)沉桩顺序对超孔压的影响很明显,沉桩方向趋向测点时超孔压增大,当沉桩位置与测点相距很近时,会导致该点超孔隙水压力的猛然上升并达到最大;背向测点时超孔压减小,下降速率由快到慢。4)超孔隙水压力的消散与土体的渗透性有关,消散要经过一个缓慢的过程,群桩施工时要注意采取能使孔隙水快速排除的措施,以减小沉桩挤土效应。

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