透水管桩的群桩沉桩室内模型试验研究

黄 勇，梅国雄,2，王钰轲

(1.南京工业大学 交通学院，江苏 南京 210009；2.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 5300042.；3.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)



透水管桩的群桩沉桩室内模型试验研究

黄 勇1，梅国雄1,2，王钰轲3

(1.南京工业大学 交通学院，江苏 南京 210009；2.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 5300042.；3.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098)

本文基于室内模型试验，通过透水管桩和普通管桩沉桩模型试验对比，探究群桩情况下，透水管桩加速桩周土超静孔隙水压力消散的效果和规律。通过试验表明透水管桩更有利于桩周土超静孔压消散，其促进作用沿深度方向递增，沿水平方向递减。透水管桩阻碍了沉桩完成后桩周土超静孔隙水压力的上升，从超静孔隙水压力产生的角度出发，降低了桩周土超静孔隙水压力的峰值，控制了整个桩周土超静孔隙水压力的水平，有利于超静孔隙水压力后期的消散。表明沉桩施工中，透水管桩提高了施工进度，降低了对周围环境的影响。

透水管桩；超静孔压；室内模型实验

东部沿海地区存在大量软土地基，其承载力较低，无法满足上层建筑的要求，需要桩基础来解决问题。静压桩越来越受到人们的欢迎。静压桩具有质量可靠、承载力高、施工方便且环保等特点得到广泛应用。但静压桩在沉桩施工过程中，由于桩的贯入挤土，桩间土往往会产生较高的超静孔隙水压力[1-5]。由于饱和软粘土的渗透性差，超静孔隙水压力消散缓慢，进而妨碍施工进度，影响桩基承载力时效性的发挥以及周边环境。为了减小沉桩过程中产生的挤土效应，国内学者对减小沉桩挤土效应的措施进行了大量研究[6-12]。目前透水管桩研究还处于理论阶段，本文以周小鹏[13-14]透水管桩数值模拟研究为基础，进行室内模型实验[15]，通过对比普通管桩和透水管桩群桩沉桩后桩周土超静孔压的消散情况，得出透水管桩加速超静孔压消散的效果和规律。

1　模型试验设计

1.1试验设备材料

透水管桩沉桩模型试验在模型箱内进行，模型箱尺寸为2000 mm×2000 mm×1500 mm(高)，由角钢和钢板焊接而成。试验土体取自温州欧飞围垦工程现场吹填土，在室内模型箱内进行真空预压处理，固结时间为两个月。由于本文不涉及桩身强度的研究，可选用塑料管作为模型桩材料。透水管桩模型由塑料管冲压钻孔加工而成，外表面粘贴滤布，下端口固定锥形塑料接头。其尺寸参数：管桩长度L为900 mm，管桩直径D为60 mm，开孔直径d为6 mm(1/10D)，开孔间距36 mm(6d)。该模型桩设有内部套管，为塑料圆管，外径略小于透水管桩内径。透水管桩沉桩前，提前将套管塞入透水管桩内部，从内堵住透水管桩桩身透水孔，防止沉桩过程中桩周土体受挤堵住透水孔和进入管桩内腔，影响透水管桩的透水效果。本试验采用YH-30301A型号孔压计,量程0.1mPa ,温度范围-20℃～80℃，直径25mm，长度170 mm。

1.2试验过程

将土体运回实验室后，倒入模型箱内，高度达140 mm左右，用搅拌器搅拌均匀。吹填淤泥土样整平之后，将塑料排水板固定在内置钢架四个角上。设置钢架的主要目的是用来固定排水板，防止排水板在真空预压的过程中发生较大位移和弯折。排水板间距为80 mm。接着将内置钢架缓慢地压入模型箱中心。然后在土体表面铺设一层土工编织布，随后使用三通接头将钢丝软管连接到塑料排水板上，接着在土体表面铺设一层土工布，使用两层塑料薄膜进行密封，将钢丝软管连接真空泵，完成整个装置的连接。启动真空泵，进行真空预压处理，待土体沉降和孔隙水压力基本稳定时，真空预压处理结束。

土体真空预压处理后，进行孔压计的埋设，孔压计三个一组，绑在1m长的钢筋上，共六组。图1为孔压计及桩位分布示意图。群桩试验孔压计的埋设点位分布在群桩内部、边界和外部。内部为群桩中心，边界为相邻两根桩连线中点，桩外在群桩外120 mm(2D)处，水平向三个点位成一条直线，间距相等，均为120 mm(2D)。孔压计竖向分三个高度埋设，分别离土体表面200、450、700 mm。孔压计埋设完成后，测量孔压计读数，待孔压计读数稳定时，既土体恢复到静孔隙水压力，即可进入压桩环节。群桩试验的压桩点位如图1所示。桩间距为240 mm(4D)，成正方形布置，位于模型箱中央。

对于本次群桩试验，桩是一根一根按顺序打入土体中，待全部透水管桩沉入土体后，同时抽出内管，实现排水。如果每根桩沉桩完成时立即抽出内管，无法保证模型箱1、2中桩周土超静孔隙水压力产生过程的一致，因此无法保证透水管桩和普通管桩对比初始条件的基本相同，不便于透水管桩和普通管桩的对比。对于群桩试验，桩周土超静孔隙水压力随沉桩数量的增多而不断累加，这要求每沉入一根桩，随即测量桩周土各测点超静孔隙水压力值，了解桩周土超静孔隙水压力产生的过程。

2　实验结果分析

2.1群桩沉桩过程中桩周土超静孔隙水压力变化情况

群桩情况下，桩周土超静孔隙水压力的产生是每根桩共同作用的结果。每沉入一根桩，桩周土超静孔隙水压力相应增大。表1为模型箱1中普通管桩沉桩过程中，各测点超静孔隙水压力变化情况。表2为模型箱2中透水管桩沉桩过程中，各测点超静孔隙水压力变化情况。由表1表2看出，沉桩过程中，模型箱中各测点超静孔隙水压力随着沉桩数量的增多而不断增大。当沉入第一根桩时，类似于单桩沉桩试验；桩周土离桩越近，产生的超静孔隙水压力越大；深度越深，产生的超静孔隙水压力越大。体现在C测点产生的超静孔隙水压力最大，G测点产生的超静孔隙水压力最小。沉入第二根桩时，各测点超静孔隙水压力值继续增大，但增大值小于第一根桩沉桩产生的超静孔隙水压力值。沉入第三根桩时，群桩边界上各测点超静孔隙水压力突然猛增，这是由于群桩边界上测点离第三根桩最近。同理，由于第三根桩较前两根桩离群桩外各测点较近，所以群桩外各测点超静孔隙水压力增长值较前两根桩变化较大。值得一提的是沉入第四根桩后，群桩内中部及下部测点(B、C测点)和群桩边界中部及下部测点(E、F测点)超静孔隙水压力突然减小，其他各测点超静孔隙水压力正常增大。

2. 2透水管桩和普通管桩沉桩完成后超静孔隙水压力上升阶段对比

沉桩结束后，由于桩周土超静孔隙水压力传递滞后效应，各测点(B、E测点除外)超静孔隙水压力并没有立即消散，而是在一段时间内上升到峰值。这段时间为沉桩结束后3h之内。

表1表2中给出第四根桩完成后3h时，各测点超静孔隙水压力值的大小。这一时刻桩周土各测点超静孔隙水压力增长也基本结束。表3为透水管桩和普通管桩3h内桩周土各测点(B、E点除外)超静孔隙水压力的上升值。对比透水管桩和普通管桩沉桩后桩周土各测点超静孔隙水压力上升情况，可以发现，透水管桩3h内超静孔隙水压力上升值明显小于普通管桩。如测点F，在透水管桩条件下超静孔隙水压力上升1.1kPa，在普通管桩条件下超静孔隙水压力上升1.8 kPa，两种情况相差多达0.7 kPa。C点相差0.5kPa之多，K点相差0.3kPa，其他测点相差较小。可见透水管桩阻碍了超静孔隙水压力的上升，降低了桩周土超静孔隙水压力的峰值，有利于超静孔隙水压力后期的消散。

透水管桩发挥作用的原因为：第四根桩完成后，由于超静孔隙水压力传递的滞后性，各测点超静孔隙水压力处于缓慢上升阶段。此时透水管桩开始排水，加速了超静孔隙水压力的就地消散，将桩边部分超静孔隙水压力消散，减少了超静孔隙水压力向远处的传递量。从超静孔隙水压力产生的角度出发，透水管桩降低了各测点超静孔隙水压力的峰值，控制了整个桩周土超静孔隙水压力的水平，减小了沉桩挤土效应。

表1　普通管桩沉桩过程中超静孔隙水压力产生情况

表2　透水管桩沉桩过程中超静孔隙水压力产生情况

表3　普通管桩和透水管桩3小时内各测点超静孔隙水压力的上升值

2. 3透水管桩和普通管桩在超静孔隙水压力消散阶段的对比

沉桩结束后，桩周土各测点超静孔隙水压力在3h内先后上升到峰值，接着进入超静孔隙水压力消散阶段。图2为普通管桩各测点超静孔隙水压力消散曲线，图3为透水管桩各测点超静孔隙水压力消散曲线。图2、图3中可以看出：桩周土底部测点(C、F、K点)产生的超静孔隙水压力较大，桩周土上部测点(A、D、G点)产生的超静孔隙水压力较小，反映沉桩完成后，桩周土超静孔隙水压力沿深度方向增加。

其中群桩内底部测点C超静孔隙水压力值最大，群桩边界底部测点F超静孔隙水压力值次之，群桩外底部测点K超静孔隙水压力值为第三。反映了沉桩完成后，群桩内部挤土效应最为严重，群桩边界挤土效应次之，群桩外挤土效应最小。从消散过程来看，群桩下部土体消散速度较快，但由于超静孔隙水压力初始值较大，消散时间较长，最久需要120 h。群桩上部土体消散速度稍慢，但由于超静孔隙水压力初始值较小，消散时间较短，基本50 h左右消散完成。

群桩内部和群桩边界的中部土体较特殊，沉入第四根桩时，超静孔隙水压力突然减小，随后并未反弹增大，导致超静孔隙水压力值偏小，接近上部土体超静孔隙水压力值，消散时间明显减小，这与单桩中部土体的超静孔隙水压力消散规律不同。群桩外中部土体超静孔隙水压力产生和消散过程均反映出跟单桩相同的规律。

图2、图3中各测点超静孔隙水压力消散曲线初始阶段较陡，反映初始阶段超静孔隙水压力消散速度较快，后期阶段曲线较平缓，反映固结后期超静孔隙水压力消散较慢。图2、图3超静孔隙水压力消散曲线基本吻合桩周土固结规律，反映了试验过程的正常进行和数据的可靠性，保证了接下来试验对比的可行性。

第四根桩沉桩完成后，模型箱1、2中各测点超静孔隙水压力初始值并非完全相同，但误差不超过0.2kPa，不影响透水管桩和普通管桩的对比。为方便直观的比较透水管桩和普通管桩的超静孔隙水压力消散曲线，将两者相同测点的超静孔隙水压力初始值调整为相同值。图4为调整超静孔隙水压力初始值后，普通管桩和透水管桩各测点超静孔隙水压力消散对比曲线。(a)、(b)、(c)分别为桩周土体上部、中部，下部各测点的超静孔隙水压力消散对比曲线。(d)、(e)、(f)分别为群桩内部、群桩边界、群桩外部各测点的超静孔隙水压力消散对比曲线。

图4可以看出透水管桩桩周土各测点超静孔隙水压力消散曲线均位于普通管桩相应曲线之下，说明透水管桩桩周土超静孔隙水压力消散速度快于普通管桩，显示出透水管桩对于桩周土超静孔压消散的加速作用。可以发现，在桩周土超静孔隙水压力消散前期，透水管桩和普通管桩超静孔隙水压力消散曲线间距较大，表示透水管桩的加速作用最明显；在桩周土超静孔隙水压力消散后期，透水管桩和普通管桩超静孔隙水压力消散曲线间距较小，表示透水管桩的加速作用慢慢衰退。这与超静孔隙水压力消散规律相吻合，因为固结前期，超静孔隙水压力消散较快，在此基础上透水管桩更能发挥作用。而固结后期，超静孔隙水压力消散已经很缓慢，导致透水管桩的加速作用不明显。

每个测点，两条曲线围成的区域大小，代表该测点透水管桩加速超静孔隙水压力消散的程度。区域面积越大，代表加速效果越好。从图4(a)、(b)、(c)可以看出,无论是上部，中部还是下部土体，都反映出透水管桩在群桩条件下加速超静孔隙水压力消散的规律：群桩内及群桩边界，透水管桩加速超静孔隙水压力消散的作用较大，群桩外透水管桩加速超静孔隙水压力消散的作用稍小。这是因为群桩内部和群桩边界土体超静孔隙水压力相对较大，且离透水管桩的距离较近，所以超静孔隙水压力消散的加速效果较好。

由图4(d)、(e)、(f)可以看出，无论是群桩内部、群桩边界还是群桩外部，都反映出统一的规律，即底部土体超静孔隙水压力消散的加速效果最佳，中部土体次之，上部土体最小。可见透水管桩加速超静孔隙水压力消散的作用随土体深度的增加而增大。这是因为深度越深，土体超静孔隙水压力值越大，消散速率相对较快，使透水管桩单位时间排水量较大，所以透水管桩加速超静孔隙水压力消散效果明显。

3　结论

1)透水管桩阻碍了沉桩完成后桩周土超静孔隙水压力的上升，从超静孔隙水压力产生的角度出发，降低了桩周土超静孔隙水压力的峰值，控制了整个桩周土超静孔隙水压力的水平，有利于超静孔隙水压力后期的消散。在桩周土超静孔隙水压力消散前期，透水管桩的加速作用最明显；在桩周土超静孔隙水压力消散后期，透水管桩的加速作用慢慢衰退。

2)对于上部土体：群桩内、群桩边界和群桩外各测点超静孔隙水压力消散加速效果差别不明显；对于中部和下部土体：在群桩内及群桩边界，透水管桩加速超静孔隙水压力消散的作用较大，在群桩外，透水管桩加速超静孔隙水压力消散的作用稍小。

3)无论是群桩内部、群桩边界还是群桩外部，底部土体超静孔隙水压力消散的加速效果最佳，中部土体次之，上部土体最小。反映透水管桩加速超静孔隙水压力消散的作用随土体深度的增加而增大。

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(责任编辑李军)

Laboratory model experimental investigation of permeable pipe piles

HUANG Yong1，MEI Guoxiong1,2, WANG Yuke3

( 1. College of Transportation Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China;2.College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China 3. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098)

Based on laboratory model test ,the promotion in effect and law of the dissipation process of excess pore water pressure by permeable pipe pile.Compared permeable pipe pile with normal pipe pile model experiment,the evidently positive effect on the dissipation of excess pore water pressure could be found in permeable pipe pile model test.The impact scope of the soil mass in the middle and lower part was the depth direction,decreasing along the horizontal direction..Permeable pipe pile in the dissipation of excess water pore pressure had the most obvious effect on the early period,greatly speeding up the construction progress. It is found that the excess pore pressure evidently reduced in the soil around the pile at the initial time of drainage pile completed. In the process of pile driving construction, the permeable pipe pile improves the construction schedule and reduces the influence on the surrounding environment.

permeable pipe piles; excess pore water pressure; Laboratory model test

2016-04-22

国家自然科学基金项目(51322807)

黄勇(1991-)，男，安徽宣城,硕士，主要从事土体固结的研究工作。

1673-9469(2016)03-0018-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.004

TU4

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