富水软弱地层中桩周水土压力现场实测分析

王千星，龚 晨，付 予

(中建港航局集团有限公司，上海 200433)

桩基础在减少建筑物沉降、提高地基承载力方面具有独特的优点和不可替代的作用。随着基础建设规模的扩大，桩基础在高层、超高层建筑物以及复杂地质条件下复杂港口结构中应用越来越广泛[1-4]。

国内外学者一直在研究直桩的挤土效应问题并取得大量研究成果，其中理论成果有圆孔扩张法、应变路径法和有限元法等。圆孔扩张法最初在金属加工领域应用[5]，后来被推广应用于岩土工程领域。Randolph等基于圆柱孔扩张理论，求出沉桩后桩周土有效应力和孔隙水压力[6]。

挤土效应的试验研究成果更多，Adams等[7]对沉桩时地表土体隆起进行现场量测，以土体隆起的体积与土体中桩体的体积之比进行度量。徐建平等[8]通过将桩沉入一个尺寸为800 mm×1 200 mm的软黏土矩形试验槽，研究单桩和双桩的沉桩挤土效应，得到土体在水平和竖向的位移规律；唐世栋等[9-11]通过对沉桩过程测得的超静孔隙水压力数据进行分析，认为群桩的挤土效应更为复杂。由于沉桩过程中涉及多种因素，诸如桩土接触、几何大变形、非线性等[12]，所以，目前在挤土效应方面仍有许多难题未解决。

为了解沿江富水软弱地层中超长预应力钢筋混凝土桩沉桩过程中桩周挤土效应，开展沉桩过程中桩周土压力和孔隙水压力现场实测分析，对桩周土水压力变化规律进行研究。

1 工程概况

以上海某港区护岸高强预应力方桩(PHS桩)基础为研究背景，进行沉桩过程中桩周孔隙水压力和土压力监测分析。该PHS桩边长500 mm，长50 m，混凝土强度等级为C80。桩长深度范围内主要分布砂质粉土、淤泥质土、粉质黏土，其参数见表1。

表1 桩长范围内土的构成与参数

孔隙水压力和土压力计布置如图1所示。共布置4个孔隙水压力测孔、3个土压力测孔。每个测孔分别布置4个传感器，埋设深度分别为10、25、40和60 m，共16支孔隙水压力计和12支土压力盒。孔隙水压力计孔位编号依次为KY1～KY4，土压力盒孔位编号依次为TY1～TY3。工程现场打桩按S形顺序施打，即按照图1中桩号顺序施打。

图1 桩间监测点位布置(单位：mm)

图2a)为孔隙水压力计。为防止孔隙水压力计上透水石被淤泥封死，将孔隙水压力计透水石部位用装满洁净粗砂的纱布手套包裹，如图2b)所示。利用经处理的测斜管辅助下放土压力计并固定土压力计的朝向，如图2c)所示。现场钻孔埋设传感器如图2d)所示。

图2 孔隙水压力计和土压力计

2 实测数据分析

2.1 孔隙水压力实测数据

PHS桩单桩锤击过程中孔隙水压力变化如图3所示。现场所用的每根PHS桩由4节桩组成，长度分别为10、10、15、15 m，相邻节桩之间通过焊接连接。

图3 23#桩锤打过程中KY4孔位孔隙水压力变化

由图3可知，桩下沉过程中周边孔隙水压力总体表现为先增加后下降的变化规律，打桩过程会引起桩体周围孔隙水压力迅速增加，打桩结束后孔隙水压力则逐渐消散，单桩打完后周围孔隙水压力比打入之前有所增加。

根据不同深度孔隙水压力变化规律可知：在桩体未沉入到监测点位前，该层位孔隙水压力总体表现为缓慢下降的趋势；当桩体接近或到达监测点位后，该层位孔隙水压力迅速增加并达到峰值；随着桩体继续沉入，该层位孔隙水压力逐渐降低并趋于平稳。沉桩过程中当桩端距测点30倍桩宽时开始影响测点孔隙水压力；当桩端距测点10倍桩宽时，影响显著增加。

KY1～KY4号孔位的孔隙水压力实测数据如图4所示。

图4 KY1～KY4孔隙水压力变化规律

由图4可知：在沉桩过程中，当沉桩方向朝着监测点靠近时，孔隙水压力迅速增加，且增幅显著；当沉桩朝着远离监测点位方向时，孔隙水压力逐渐降低，相比增幅，孔隙水压力减幅稍小，孔隙水压力减小表现为先迅速降低再缓慢降低；沉桩桩位离监测点最近时，孔隙水压力达到峰值，如图 4a)和图5a)所示，KY1号孔位孔隙水压力在14#桩打完时1#-10 m孔隙水压力达到峰值，15#桩打完时1#-25 m和1#40 m孔隙水压力达到峰值。由图4b)和图5b)可见，KY2号孔位在15#桩打完时2#-10 m孔隙水压力达到峰值，19#桩打完时2#-25 m、2#-40 m和2#-60 m孔隙水压力达到峰值。由图4c)、d)和图5c)、d)可知，KY3和KY4号孔位各深度孔隙水压力均在22#桩打完后达到峰值，由于现场预制桩未及时供应上，22#打完后停工一段时间，导致孔隙水压力有所降低，无法跟踪监测到之后预制桩施工对KY3和KY4号孔孔隙水压力的连续影响。

图5 沉桩期间KY1～ KY 4孔隙水压力变化规律

根据中国工程建设标准化协会标准《孔隙水压力测试规程》建议，沉桩工程中应控制超静孔隙水压力不超过上覆有效土压力的60%。据此将KY1～KY4 共4个孔位的不同深度监测点位峰值孔压与有效上覆土压力进行对比，结果如表2所示。

表2 沉桩期间孔隙水压力峰值与有效上覆土压力对比

注：表中密度为层间土密度，如25 m处密度为1.8 t/m3，是10～25 m之间的土层平均密度。

该工程地处长江边缘，地下水位高(高程0.5 m)，须重点关注打桩引起的孔隙水压力增长和土压力变化。由表 2可知，各测孔内10 m出测点，因离地面较近，孔压消散较快，故KY1～KY3测孔内10 m处孔压在50%以内。4个测孔内，25～60 m测点孔压占比均在50%以上，其中实测孔位KY1内1#-25 m测点、KY3内3#-25 m测点、3#-40 m测点和KY4内4#-25 m测点、4#-40 m测点孔隙水压力峰值超过有效上覆土压力的60%，最高达88%，易在打桩振动过程中引起土中有效应力丧失，因此建议现场施工中控制打桩速率。

2.2 土压力实测数据

TY1～TY3号孔位的侧向土压力实测数据如图 6所示。由图 6可知，预制桩施打过程可显著影响桩周土压力的变化。在沉桩过程中，当沉桩方向朝着监测点靠近时土压力迅速增加，且增幅显著；当沉桩朝着远离监测点位方向行走时，土压力逐渐降低。相比增幅，土压力减幅稍小，具体表现为先迅速降低、再缓慢降低。

图6 TY1～ TY3土压力变化规律

图7给出邻近区域沉桩期间TY1～ TY3土压力变化规律。由图 7可知，与孔隙水压力规律类似，沉桩过程中，土压力峰值主要发生在靠近监测孔位附近的桩位沉桩过程中。随着沉桩向监控位置靠近，桩周土压力逐步升高，且增幅随着距离缩减逐步增加，如图 7a)所示。由图 7中3个土压力测孔数值变化可知，沉桩土压力影响范围在12 m左右。

图7 沉桩期间TY1～ TY3土压力变化规律

图8给出沉桩过程中TY3号孔位土压力和KY4号孔隙水压力变化对比，TY3和KY4号孔位相近。由图8可知，在沉桩过程中，土压力和孔隙水压力增加趋势和数据均相近。可见，本工程打桩过程中总土压力的增加主要是由超静孔隙水压力的增加引起的。如图 8a)所示，在22#桩沉入后，土压力达到峰值0.27 MPa；在TY3号影响范围内无沉桩后，土压力逐渐消散至0.14 MPa，降幅48%(7 d后)。当影响范围内有沉桩时，土压力随之重新增加。

图8 TY3和KY4号孔位土压力和孔隙水压力对比

表3给出打桩期间桩间土压力增长峰值占初始地应力的比值。可见，埋设25 m和40 m处土压力增长峰值占比均在40%以上，最大达64.51%。

表3 打桩期间土压力峰值与初始侧向土压力对比

注：表中密度为层间土密度，如25 m处密度1.8 t·m-3为10～25 m之间的土层平均密度。

3 结论

1)沉桩过程中桩周孔隙水压力和土压力显著增加，1#、3#和4#桩周孔压比均超过60%，最高达88%，易引起桩周有效应力损失，降低桩身稳定性。

2)沉桩对桩周土压力影响范围较广，本项目实测影响范围在20倍桩宽左右。

3)沉桩过程中，在桩端距测点30倍桩宽时，开始影响测点孔隙水压力；当桩端距测点10倍桩宽以内时，影响显著增加。

3)沉桩过程中，随着沉桩远离观测孔或暂停沉桩，孔隙水压力和土压力会在短时间内迅速下降，随后减速趋于平缓。

4)在现场施工中，应通过控制沉桩速率、改变打桩顺序(如分段间隔跳打)等方法减小桩周挤土和孔压影响。