塑料套管混凝土桩挤土效应现场试验

2011-01-27陈永辉王新泉齐昌广

地震工程学报 2011年1期

陈永辉，陈龙，王新泉，齐昌广

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京210098；3.浙江大学城市学院土木工程系，浙江杭州 310015）

0 引言

塑料套管混凝土桩[1-2]（简称TC桩）是借鉴国外Augeo桩及沉管灌注桩技术的基础上改进并发展起来的，由预制桩尖、塑料套管、套管内混凝土，顶部桩帽等几部分组成。塑料套管桩最主要的特点有：将塑料套管拉入沉管内，在打设沉管时向套管内注水以平衡深层管侧土压力对塑料套管的力，待场地内套管全部打设完毕集中抽水浇筑[3]。TC桩是一种新型的小直径桩体，目前国内推广应用的PVC塑料套管直径一般为16 cm，由于直径较小，其挤土效应小于大直径桩型，但仍然属于挤土桩范畴。

静压桩挤土效应已得到了工程界和学术界的重视。常用的理论研究方法有圆孔扩张理论法[4-5]，应变路径法[6-7]及数值模拟法[8-9]等，高子坤[10]应用变分原理推导出沉桩挤土位移、应变和应力场的解答式，并使用前述的几种理论进行了验证。通过足尺试验、模型试验和现场试验[11-16]等试验方法则是研究挤土效应最有效的手段。不同桩型在不同地质条件下表现出了不同的挤土效应，TC桩作为一种新桩型，对其产生的挤土效应还未有进行研究，因此有必要针对TC桩进行现场挤土试验研究。

本文通过在场地内埋设隆起观测点研究桩周地面隆起量随沉管不同打设深度的变化规律；利用木桩模拟TC桩放置于土中，研究在邻桩施工过程中TC桩所处环境的变化情况。在木桩前后两个面凿槽放置土压力计和孔隙水压力计研究邻桩打设后、邻桩打设间歇期、场地施工结束后木桩所受挤土压力和孔隙水压力的变化规律。通过本试验可以进一步对塑料套管进行研究，合理选择套管材料、环刚度、壁厚。

1 地质条件

现场试验依托申嘉湖杭高速公路练杭段L10合同段工程，TC桩试验桩处理段落为一般路段，采用正方形布桩方式，桩长12 m，桩间距1.6 m，采用辅助振动沉管打设。现场土层物理力学参数如表1所示。

表1 试验段落土层物理力学参数

土层概况为：①种植土，主要成分为粘性土，结构松散，力学性质较差；②亚粘土，层薄，物理力学性质一般；③淤泥质亚粘土，含少量有机质及云母碎屑，局部为亚粘土夹层，具高压缩性；④亚粘土，物理力学性质一般，中偏高缩性，可作荷载不大构筑物短桩基础持力层；⑥亚粘土，物理力学性质一般，中偏高压缩性。

2 试验方案

2.1 地表隆起试验

打设桩之前在距桩位中心0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、3 m处分别设置地面隆起观测点，将长度约20 cm的钢筋在设定点处打入土体。测点布置见图1。

图1 练杭L10测点布置简图Fig.1 Arrangement of measuring points in L10 section of the expressway.

2.2 桩侧土压力和孔隙水压力

为准确测出桩侧土压力及孔隙水压力，需在桩身周围埋设土压力盒和孔隙水压力计。但是桩身为圆形且外带套管，要合理埋设仪器并使其处于稳定受力状态是很难实现的。为了方便仪器的埋设，本次试验采用凿槽埋设测试仪器的木桩模拟TC桩，利用在木桩上绑定测试仪器的方式能保证测试数据的正确性。

TC桩横截面积与TC桩横截面积存在一定的差别，但是本文研究重点在于邻桩施工对于TC桩桩侧的桩侧土压力，孔隙水压力的影响，与测试桩桩身材料并无联系。

木桩截面为10 cm×10 cm，主要设置方法为：沿木桩长上下面每隔一定间距凿槽，一面设置土压力计，另一面设置孔隙水压力计，用铁丝和铁钉固定。土压力计和孔隙水压力计受力面均背向木桩，略高于槽口以保证测试数据的精确性，各段木桩之间采用专门加工的钢板进行拼接，为保证木桩打入地基后测试线路的安全，所有线路同样采取沿木桩桩身凿槽镶嵌，并用薄铁皮将线路槽口封闭，如图2所示。

图2 拼接好的木桩Fig.2 The matched timber pile.

木桩桩尖用铁板焊接制作，桩顶部设一拉环，埋设时用沉管内的拉升塑料套管的吊绳进行牵引，将木桩拉入沉管，随后跟随沉管打至地基预定深度后拔管，将木桩留在土中，桩周土体回挤，仪器与土接触，进行测试。

该段落仪器埋深分别为0.5 m、2 m、4 m、6 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m，打桩次序如图3编号所示。.

图3 打桩打设次序示意图（单位：mm）Fig.3 Sequence of pile driving（unit：mm）

2.3 测试方案

为了研究地表隆起量随沉管不同下沉深度的变化规律，试验过程将沉管下沉过程分为间断的4次，即沉管每下沉2 m测读一次数据。

木桩打设后测读一次数据。打设邻近工程桩时（图3中编号桩），每打设完一根桩测读一次数据；遇到停机不打桩时或打设桩距离木桩较远时，初期间隔时间10～20分钟测读一次，随后间隔可增大；场地内桩全部打设完成后，将测试线路牵引埋设至路基外作长期观测用，测试频率根据填土实际情况调整。

3 试验结果分析

3.1 桩周地表土体隆起量观测结果分析

桩在贯入过程中，会对周围土体产生挤压作用，从而使土体产生隆起和水平位移，随着沉管的不断贯入，由于扩孔作用沉管将地基土体不断排开。由于地表自由无约束，沉桩应力向地表释放时，桩周径向土体产生不同程度隆起。如国内徐建平[14]等通过在软粘土中压入单桩的模型试验，得出地面最大隆起量为7%D（TC桩为小直径桩，施工时先将螺纹塑料套管插入内径更大的钢沉管内，然后打入至地基设计深度，因此D取为沉管外径23 cm），出现在距桩中心1.65D处，隆起影响范围约为3～5D。

从图4中可以看出，在本试验中地表的隆起主要发生在沉管下沉的初期，特别是沉管下沉2 m时测得的数据很明显反映出这一点；之后随着沉管的下沉，地面隆起量有缓慢增加，但增长已经不大。试验结果与唐世栋等[15]现场测得的沉管灌注桩沉管深度-隆起量关系规律基本一致。这是因为地表无约束，浅层土体受力后就向上产生较大的隆起，而位于深层的土体由于上覆土压力比较大，竖向变形必然受到约束，土体主要产生侧向位移。

图4 地表隆起量随沉管打设深度变化规律Fig.4 Variation of surface uplift with driving depth of immersed tube.

图5 地表隆起量沿径向的变化规律Fig.5 Variation of surface uplift along the radial direction.

图5所示，随着距桩中心距离的增大，在沉管下沉不同深度时测得的地表隆起量服从指数衰减趋势，距桩轴3 m处测得的最大隆起量仅为0.6 mm，可以认为TC桩施工引起的地表竖向隆起影响范围约为6～7D。

本次试验沉管完成后，在距桩轴0.5 m（约2.2D）处测得的隆起量最大，为3.96 cm，约为17.2%D，与上述文献结果相比偏大。实际在打入钢沉管时，由于钢管与土体界面之间的摩阻力作用，桩周部分土体会随着钢沉管下带，因此地表最大隆起并不是发生在界面处，而是发生在距桩中心一定距离处。

利用origin软件对测得数据进行拟合，结果如图6所示。

应用Gauss函数进行拟合，相关度为0.999 71；应用指数型函数拟合，相关度为0.980 1；应用S曲线拟合，相关度为0.995 96。经过比较，作者推荐采用Gauss函数拟合结果作为TC桩沉桩挤土地面隆起公式：

其中x为据TC桩中心距离（m）；y为地面隆起量（cm）。

图6 地面隆起量拟合曲线Fig.6 Fitted curves of ground heave.

3.2 侧向土压力及孔压观测结果分析

3.2.1 打设后桩侧土压力与静止土压力的比较

如图7为木桩打设后测得的桩侧土压力和桩侧孔隙水压力分布图。桩侧土压力变化曲线与理论静土压力曲线看出，沉桩扩孔对天然土体产生扰动之后，在桩身上部桩侧土压力与静止土压力相差不多，是因为由于挤土作用多余的力通过地面隆起得到了释放，而在深层土中应力得不到释放导致桩侧土应力急剧增加。8 m处桩侧土压力最大为118.9 kPa，结合图7（a）还可以看出8 m深度处产生了较大的孔隙水压力83.2 kPa，又因为该土层为压缩量较小的淤泥质粘土，该处成桩后的侧向力明显大于静止侧压力。同样的状况发生在桩端，说明沉桩过程使桩尖土体发生极限破坏，土的有效应力减小甚至为零，形成塑性流动状态。

TC桩的塑料套管刚度有限，前期的实际工程中就会出现桩端处塑料套管破裂甚至完全破坏的情况，可以通过进一步试验研究桩身采取不同环刚度塑料套管、塑料套管中注水、隔桩跳打等方式进行TC桩的打设，保证成桩质量。

3.2.2 土压力盒受力面朝向邻桩打设过程间歇观测结果

按图3所示方向打设木桩相邻桩，图8为应力计受力面朝向邻桩打设过程间歇的桩侧土压力和孔压的观测结果，其观测是在上一根桩打设的基础之上进行的观测，邻桩打设的影响主要是看两次打设之间观测数据的变化大小。

图7 埋设后桩侧土压和孔隙水压力分布Fig.7 Lateral earth pressure and pore water pressure distribution after piling.

图8 受力面朝向邻桩打设后桩侧土压力与孔压分布Fig.8 Later earth pressure and pore water pressure distribution after pile installations in parallel direction.

如图8所示，随着打设桩距木桩施工距离的渐远，两次打桩后的孔压曲线逐渐重合，说明施工对于孔压的影响逐渐变小，桩身5～9.5 m范围为深厚的淤泥质软土层，沉桩产生的超孔压没有良好的排水条件，消散较慢；但发现桩端处超孔压消散相当迅速。

对照图 7(a)与图 8(a)可以发现：打设完第一根相邻桩，打设桩对于桩侧土压力的影响基本不变，可认为已超出TC桩的影响范围。第一根桩打设完毕后，上部半临空区域土体向桩侧回挤，土压力迅速增大，8 m处桩侧土压力达到143 kPa，桩端处桩侧土压力达到180 kPa，都增大约20%。图7(b)与图8(b)相比得出桩侧孔隙水压力变化相对较小约为10%～15%。

3.2.3 场地内桩打设完毕后观测结果

练杭L10试验段于1月17日（即约木桩打设后140 h）场地内打设完毕。由于没有外荷载的影响，随着时间的推移沉桩引起的超孔隙水压力逐步消散，土体固结回挤，桩周土体强度快速恢复、强度增加。

从随时间变化的曲线图9中看出超孔压消散是一个长期缓慢的过程，施工期结束后间歇期孔压曲线仍呈现下降趋势，位于淤泥质粘土层中8 m孔压在施工结束期后800 h才基本稳定；侧向土压力曲线总体也随之下降，桩顶上部土体逐渐回拢，前期沉管扩孔产生的半临空状态得到改善，因此浅层土体曲线略有增大趋势。曲线在700 h左右处出现显著波动是由重型机械在场地内操作施工引起的。

通过本试验可以充分了解作为一种新桩型，TC桩产生的挤土效应，并能为合理选择塑料套管材料、环刚度等提供数据。建议根据不同的深度对套管的壁厚及环刚度进行控制及搭配，要求环刚度（KN/m2）约8～16级，套管其强度应保证打设过程中不挤破，混凝土浇筑前后不损坏。

4 结论

（1）通过布置隆起观测点研究TC桩在打设时引起的地表隆起量，在距桩轴距0.5 m处测得隆起量最大，为3.96 cm，约为17.2%D。

（2）打设木桩后，在该场地地质条件下，下部土体 8 m和桩端处桩侧土压力和孔隙水压力受力最大。

（3）打设完成第一根相邻桩（1.6 m）桩侧土压力及孔隙水压力增大 10%～20%之间。其后随着打设桩距木桩施工距离的渐远，两次打桩后的孔压曲线逐渐重合，仅在下部桩端处变化较大。

图9 施工完毕后侧压力和孔压随时间变化Fig.9 Variation of lateral earth pressure and pore water pressure with time after construction.

（4）场地内施工完毕，由于没有外荷载的影响，随着时间的推移，沉桩引起的超孔隙水压力逐渐消散并趋向稳定，给出塑料套管质量标准：可根据不同的深度对套管的壁厚及搭配，要求环刚度（kN/m2）约8～16级。

[1]陈永辉，王新泉，刘汉龙，等.塑料套管混凝土桩及其加固处理软土地基的方法：中国，ZL200910024639.2[P].2009-09-09.

[2]陈永辉，曹德洪，马文彬，等. 塑料套管混凝土桩：中国，ZL2009200367 95.6[P]. 2009-12-09.

[3]CHEN Yong-hui，CAO De-hong，WANG Xin-quan， et al.. Field study of Plastic Tube Cast-in-place Concrete Pile[J]. J. Cent. South Univ.(Science and Technology),2008, 15(2):195-202.

[4]CAO L F, THE C I, CHANG M F. Undrainded Cavity Expansion In Modified Cam Clay I: Theoretical Analysis[J].GEOTECHNIQUE,2001, 51(4): 323-334.

[5]李月健.土体内球形孔扩张及挤土桩沉桩机理研究[D].杭州: 浙江大学, 2001.

[6]BALIGH M M. Strain Path Method[J]. J GEOTECH ENG, ASCE,1985,111: 1108-1136.

[7]SAGASETA C. ANALYSIS OF UNDRAINED SOIL DEFORMATION DUE TO GROUND LOSS[J]. GEOTECHNIQUE,1987, 37(3): 301-320.

[8]周健，邓益兵,叶建忠,等.砂土中静压桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟[J].岩土工程学报,2009,31(4):501-507.

[9]付艳斌,廖少明,朱合华.搅拌桩加固挤土效应及在地铁隧道保护中的应用[J].岩土力学,2009,30(7):2005-2010.

[10]高子坤，施建勇. 考虑桩体几何特征的压桩挤土效应理论解答研究[J].岩土工程学报,2010,32(6):956-962.

[11]刘钟,杨松,卢璟春,等.螺旋挤土灌注桩与长螺旋灌注桩承载力足尺试验研究[J].岩土工程学报,2010,31(S2):127-131.

[12]周火垚，施建勇. 饱和软黏土中足尺静压桩挤土效应试验研究[J].岩土力学,2009,30(11):3291-3296.

[13]詹乐,李镜培,饶平平.坡顶邻近处群桩对边坡的挤土效应模型试验研究[J].岩土工程学报,2010,32(S2):150-153.

[14]徐建平,周健,许朝阳,等.沉桩挤土效应的模型试验研究[J].岩土力学,2000,21(3)：235-238.

[15]唐世栋，杨卫东，王永兴.软土地基中桩基施工时的挤压力影响[J].同济大学学报(自然科学版),2004, (5):570-574.