预制自排水桩的抗挤土机理分析

李富荣，周 乾，常素萍，孙厚超

1.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051；2.盐城市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 盐城 224002摘要：基于抗挤土效应，提出了预制自排水桩的设计思想，采用土体固结理论，研究了预制沉桩过程中桩周土体超孔隙水压力的消散速度，分析了预制自排水桩的沉桩排水效果，并通过工程实例和现场测试进行比较分析和验证。结果表明，预制自排水桩具有较好的排水效果，可以起到消散桩周土超孔隙水压力的效果，从而抑制沉桩挤土效应。

预制自排水桩的抗挤土机理分析

李富荣1，周 乾1，常素萍2，孙厚超1

1.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051；2.盐城市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 盐城 224002摘要：基于抗挤土效应，提出了预制自排水桩的设计思想，采用土体固结理论，研究了预制沉桩过程中桩周土体超孔隙水压力的消散速度，分析了预制自排水桩的沉桩排水效果，并通过工程实例和现场测试进行比较分析和验证。结果表明，预制自排水桩具有较好的排水效果，可以起到消散桩周土超孔隙水压力的效果，从而抑制沉桩挤土效应。

预制自排水桩；沉桩排水；抗挤土；机理分析

在软土地区，沉桩极易产生挤土效应，并对周围环境产生不利影响，其主要原因是：在桩的挤压作用下，桩周土在短时间内的不可压缩性，引起桩周土体产生很高的超孔隙水压力，由于软土的低渗透性，超孔压消散缓慢，从而产生挤土效应[1-5]。减少挤土效应可以设置竖向砂井、砂袋井、塑料排水板等[6-7]，形成竖向排水通道，以缩短或减少孔隙水的渗透路径，在预制沉桩过程中，孔隙水较快地通过竖向排水通道排出地面或消散。

预制自排水桩是将混凝土预制桩和竖向排水通道结合，在沉桩过程中，形成竖向排水通道，使桩达到自行排水、降低孔隙水压力的效果，从而达到抑制沉桩挤土效应的目的。试验研究表明[8]，预制自排水桩的排水效果较好，其桩侧砂槽可以起到类似于砂井的竖向排水作用。基于此，本文采用土体固结理论，提出了一种新型桩基技术——预制自排水桩，结合工程实例，计算分析了预制自排水桩的沉桩排水效果及其抗挤土机理。

1 预制自排水桩的设计思想

制作预制钢筋混凝土方桩时，在其侧向增设竖向沟槽。竖向沟槽可通过在制桩模板内垫以型钢或木条，使之形成如图1a所示的横断面。在沉桩(静压或锤击)过程中，用灌砂漏斗，将含水量较小的黄砂，同步灌入并充满桩侧的竖向沟槽，如图1b所示。利用黄砂的良好透水性，使竖向沟槽和黄砂形成竖向排水通道，借助沉桩时和沉桩后的侧向挤压力，加快沉桩过程中和沉桩后桩周土超孔隙水压力的消散，达到抑制挤土效应的目的。

图1 预制自排水桩原理设计图Fig.1 The principles design of precast self-draining pile

2 预制自排水桩的排水计算与分析

2.1 基本假定

(1)由于预制自排水桩的排水通道是桩侧四周的砂槽，且桩的断面一般都较单个砂井或塑料排水板折算断面大得多，但砂槽断面并不大，且不连续。此处用一个圆形砂井按面积进行等代，见图2，即砂井直径

(1)

式中，b为桩侧砂槽的宽度；h为桩侧砂槽的深度。

图2 预制自排水桩计算截面代换图Fig.2 The substitution chart of precast self-draining pile calculated cross section

(2)每个竖井(即每根桩)的有效影响范围为一圆柱体。

2.2 计算方法

从理论上讲，由于孔隙水是通过砂井四周与土接触面渗进砂井的，式(1)即是用一根桩侧槽的截面积总和与圆形砂井进行等代的，这样等代应是合理的；同时，桩断面一般要比正常所设计的砂井断面要大，这样等代效果应当是偏于保守的。可用轴对称问题的固结理论，假如桩底面为不透水层，在不考虑井阻与涂抹作用下，砂井地基中任一点的超孔隙水压力为：

(2)

砂井地基平均固结度为：

(3)

本研究的条件是饱和软粘土中沉桩，所以竖向固结度影响很小。因此，可以只考虑径向固结度，并把它作为砂井的平均固结度，即

(4)

(5)

由此计算出在具体土质条件下，经过时间t后，即可以进行后沉桩的施工，而不会使先沉桩产生倾斜或偏位，即不会出现沉桩挤土效应问题，更不会对周围工程环境造成不利影响。

2.3 计算实例与分析

某群桩基础，采用边长为350mm钢筋混凝土预制方桩，桩侧采用侧槽h=25mm，b=50mm，如图2所示，桩呈正方形布置，间距l=1.3m，桩长15 000mm，桩端为砂层，场地土为淤泥质粘土，并测得其重度为17.3kN/m3，含水量为48.5%，孔隙比e为1.29，变形模量E为2.92MPa，黏聚力c为13.8kPa，不排水抗剪强度cu为12.2kPa，室内试验测得平均固结度与黏聚力c关系如表1所示。

表1 平均固结度与黏聚力c关系表Table 1 The relational table of average consolidationdegree and cohesion c

对应固结度为77%。

砂井有效影响范围直径

de=1.13×l=1.13×1.3=1.47 m

砂井直径

如果固结系数ch=75mm2/s，按式(5)计算，得t=13 285s=3.69h，也就是说，当先沉桩施工结束3.69h后，再进行后沉桩施工时，先沉桩就不产生偏位、上浮或倾斜，体现预制自排水桩较好的抗挤土能力。

如果不用预制自排水桩，此时只考虑竖向双面排水，竖向固结度与水平向固结度相同，则按下式计算竖向固结度。

(6)

在同样达到固结度77%时，取竖向固结系数与水平向固结系数相同，计算得固结时间为t=383 383s=106.5h。

按上述计算结果，使用非预制自排水桩的排水时间与使用预制自排水桩的排水时间之比为106.5h/3.69h=29，也就是说，使用预制自排水桩的固结速度是使用非预制自排水桩固结速度的29倍，亦即使用预制自排水桩的固结速度比使用非预制自排水桩固结速度快28倍。由此可见，预制自排水桩的抗挤土能力是非常好的。

3 现场测试与分析

为验证自排水桩的排水效果及其抗挤土机理，在理论计算的基础上，对自排水进行了现场测试。现场测试工作是在某高校图书馆前场地进行，该场地土体为淤泥质粉质黏土，厚度达到6m以上，根据地质勘查报告，其土体参数指标如表2所示。

表2 土体参数Table 2 The parameters of soil

现场测试采用普通方桩和预制自排水桩两种桩型，以便比较分析。方桩桩长为120 cm，边长为20 cm，混凝土强度等级为C25。测试前将孔隙水压力计埋于地下90 cm深度处，以通过沉桩前后孔隙水压力的变化反应自排水桩桩周土体的固结速度，即为自排水桩的排水效果及其抗挤土能力。采用人工方法将桩沉至预定深度，预制自排水桩的灌砂方法同文献[8]。现场测试沉桩如图3所示。

图3 现场测试沉桩图Fig.3 The pile-sinking map of field test

图4给出了孔隙水压力变化相对值的消散曲线。可见，预制自排水桩沉桩引起的桩周土孔隙水压力消散速度明显快于普通方桩。沉桩6h后，自排水桩孔隙水压力消散49%，而普通方桩受挤土效应影响，孔隙水压力明显增大；沉桩24 h后，

图4 孔隙水压力变化相对值消散曲线Fig.4 The dissipation curve of relative pore water pressure change value

普通方桩的孔隙水压力仍未开始消散；沉桩48 h后，普通方桩仅消散7%，而自排水桩已消散93%，比普通方桩的消散速度要快12倍之多，尽管该速度比上述算例中自排水桩桩周土体固结速度慢，但是自排水桩的排水速度依然十分显著，反应了自排水桩较好的排水效果及其抗挤土能力。

4 结论

本文基于抗挤土效应提出了预制自排水桩的设计指导思想，并采用土体固结理论，结合工程实例，系统分析了沉桩过程中桩周土体的固结情况及预制自排水桩的沉桩排水效果。研究结果表明，预制自排水桩具有较好的排水效果，可以起到消散桩周土超孔隙水压力的效果，抑制沉桩挤土效应，不影响周围工程环境。作为一种新型桩基技术，预制自排水桩尚有较多理论问题需要解决，如开槽后的桩身构造、抗震性能及开槽数量、形状等，这些问题都有待于进一步研究，并加以完善，以满足实际工程的需要。

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(责任编辑：张英健)

Analysis of Anti-Soil Compaction Mechanism by Precast Self-draining Pile

LI Furong1, ZHOU Qian1, Chang Suping2, SUN Houchao1

1.School of Civil Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu 224051, China;2.Yancheng Architectural Design & Research Institute Liability Co. Ltd. , Yancheng Jiangsu 224002, China

Based on the purpose of the anti-soil compaction effect this paper, proposes the design ideas of precast self-draining pile, By adopting the theory of soil consolidation, we studied the dissipation rate of excess pore water pressure during the pre-pile sinking and analyzed the pile-sinking draining effect of precast self-draining pile. An engineering example and field test was used to compare analysis and verification. The results showed that, precast self-draining pile had good drainage effect, and could play a role of dissipating excess pore water pressure, thus resist the effect of soil compaction pile.

precast self-draining pile; pile-sinking draining; anti-soil-compaction; mechanism analysis

2014-03-20

住房和城乡建设部科技项目(2013-K3-18)

李富荣(1982-)，男，江苏盐城人，讲师，硕士，主要研究方向为岩土工程。

TU473.1

A

1671-5322(2014)03-0058-04