粉喷桩施工引起的超孔隙水压力分析

2011-01-27夏国星

地震工程学报 2011年1期

黄铭，杨磊，夏国星，王驰

(1.泰州长江公路大桥建设服务指挥部，江苏泰州 225300；2.上海交通大学土木工程系，上海 200240；3.江苏省长江公路大桥建设指挥部，江苏泰州 225300)

0 前言

粉喷桩是深层搅拌桩的一种。在饱和软粘土中进行粉喷桩施工，由于粉喷桩喷粉压力大，叶片搅拌作用明显，而饱和软土含水量高，在施工中会引起桩周土超孔隙水压力产生，土体应力状态发生改变，影响土体力学性质[1]。在高灵敏软土地区粉喷桩施工经常出现掉桩现象[2]，因此粉喷桩施工过程中，土体超孔隙水压力现场监测一直受到重视。张庆松[3]等通过现场试验研究了粉喷桩施工期以及施工结束后桩周土孔隙水压力的增长消散规律，得到了孔隙水压力与深度和距桩水平距离的变化关系。岳红宇[4]等通过室内试验以及有限元软件分析，指出距桩边距离越近扰动度越大；土层埋深越浅扰动度越大。沈水龙[5]对日本有明黏土搅拌桩施工过程进行监测，测得最大超静孔隙水压力能超过上覆土体自重，土体处于张拉状态，超孔压消散非常快；并考虑固化剂注入的膨胀压力与旋转叶片的剪切力作用，采用圆柱形孔扩张理论分析深层搅拌桩施工引起的桩周土体的应力变化，得到超孔压计算公式。唐世栋等[6]通过现场试验及理论分析对饱和软土地基中群桩施工引起的超孔隙水压力进行研究，认为群桩施工引起超孔隙水压力的大小、分布和影响范围与单桩不同，群桩施工时桩间土基本已全部进入塑性区。

以往对粉喷桩的研究多集中在桩周土扰动机理分析和对超孔隙水压力预测上，但通过现场对比试验，研究如何减小桩周土超孔压的工作相对较少。

本文通过现场监测施工过程中桩周土超孔隙水压力变化情况，总结分析其超孔隙水压力形成消散规律；根据不同施工顺序﹑施工方向﹑施工速度和桩间距的超孔隙水压力实测结果，提出减小施工过程中超孔隙水压力的施工措施。

1 工程概况及测点布置

江苏某省道总体呈南北走向，沿线地貌分区属里下河浅洼平原区，地貌类型属古泻湖平原中的微斜水网平原，沿线软土主要为1-2层淤泥质土，2-2层灰色淤泥，最大含水量为65.8%，最大孔隙比为1.82，液塑限分别为27%和59%。

图1 现场仪器埋设图Fig.1 Instrument installation in the field of saft soil.

试验段里程桩号为 K74+630～K77+205，仪器布置及成桩次序如图2所示，图中字母ABC表示断面编号，数字表示成桩次序和桩编号，P为孔压计，T为土压力盒。试验段共监测40根粉喷桩，桩长10 m，直径0.5 m，水泥用量为70 kg/m，桩位按梅花形布置，罐中压力为0.4～0.6 MPa。

本次试验共埋设12个孔压计，1个土压力计，具体埋深在图中已标出。为防止施工中仪器被破坏，开挖了保护槽，将导线埋入，现场埋设情况见图 1所示。

2 试验结果分析

2.1 土压力与超孔压

从图3中可以看出，超孔隙水压力与土压力同时产生、同步增加，土压力略大于超孔隙水压力。

图2 测试区桩位布置图Fig.2 Pile position in the testing area.

图3 桩周水土压力对比Fig.3 Comparison between excess pore pressure and earth pressure around pile.

土压力是水和土的总压力，超孔隙水压力与土压力同步增加说明超孔隙水压力的产生是由于土压力引起的。土压力增加表明粉喷桩施工具有侧向挤压作用，粉喷桩施工存在一定的挤土效应，桩周土得到了挤密。施工完1小时后孔隙水压力基本消散。

2.2 桩机旋转速度对桩周土超孔压的影响

选取三种钻进速度和上拔速度，分析不同施工速度对超孔隙水压力的影响。在B断面埋设孔隙水压力传感器P8，P9和P10，传感器埋深均为10 m，每个传感器离桩中心均为1 m。桩机档位对应的具体速度见表1，超孔隙水压力随时间变化的结果如图4所示。结果表明钻进和上拔速度越大，超孔隙水压力的峰值越大，而且变化较为平缓。

表1 桩机转速

图4 不同转速时超孔压变化Fig.4 Variations of excess pore water pressure in different rotational speeds.

粉喷桩施工对桩周土的影响分为两部分，钻头叶片下钻搅拌土体和喷灰气压扰动土体。气压的影响又与桩周土体的松散程度有关：土体松散孔隙较多，气体能顺畅的排出；若土体密实，气体难以很快排出，容易造成输气管堵塞或接头处漏气。钻速缓慢，叶片充分搅拌土体，使土松散，孔隙变大，气流充满孔隙，罐中气压不变，喷气压力很快排出消掉，土体超孔隙水压力较小。

综上分析，施工时需实时控制钻孔速率，对于高灵敏的松软土层应该控制钻进和上拔速度，避免产生大的超孔隙水压力，引起软土的扰动破坏；在灵敏度低的软土层中进行搅拌桩施工，可以提高钻进和上拔速度，提高施工效率。

2.3 施工方向

A断面埋设孔隙水压力计P1～P6，研究打桩顺序对土体扰动的影响。桩的遮拦效应是桩土相互作用的一种直接表现形式，是桩对其周边土体发生运动所作的抵抗。在群桩施工中，遮拦效应表现为较近桩的存在会弱化远处桩施工对桩周土体产生的影响；在粉喷桩施工过程中，施工早的桩可以遮蔽后面施工时的扰动效应。因此改变施工顺序可以减小施工对软土扰动影响。桩号A9～A16成桩次序对于P1～P3是由近及远，对于P4～P6则为由远及近。

图5 施工顺序对超孔压的影响Fig.5 Variations of excess pore water pressure in different constructing orders.

由图5可知，由近及远施工时，开始孔隙水压历时曲线震荡剧烈，有明显的峰值和谷值出现，随着距离的增大，曲线平缓下降，未见明显峰值，即孔压一直处于消散状态；由远及近施工时，刚开始孔隙水压平缓变化，距离靠近，震荡明显，可见明显峰值，孔压一直维持在较高位置，且呈现叠加的趋势，表明孔压一直在增加。由此可知，由近及远施工比由远及近施工，对周围土体的扰动较小。