预制桩施工中超孔隙水压力监测案例分析

李 睿

（上海申元岩土工程有限公司，上海 200001）

0 引言

城镇化的进程一方面为人民群众提供了更加方便快捷的生活环境，另一方面不可避免地会带来城市核心区域土地资源逐渐稀缺，特别是东部沿海地区，土地价格和住宅价格增长明显，这些因素迫使城市的建设逐步向地下更深处或者天空更高处发展，城市内出现了越来越多的高层住宅及商业建筑。这些建筑物荷载较大，对工程建设稳定性要求高，而东部沿海地区主要以软土～中软土为主，对重要性等级较高或者荷载较大的建筑物而言需进行地基处理，结合各地区的岩土特点，一般的地基处理方式以预制桩及钻孔灌注桩为主。

相比钻孔灌注桩造价高、施工周期长、环境污染大的缺点，预制混凝土桩凭借其造价较低、施工速度快、可提前预制及环境污染小等特点在东部沿海地区被广泛采用。根据场地的周边环境和地质条件可以选择锤击法沉桩或静压法沉桩，后者是预制桩施工的主要方法之一。但在地下水位较低的饱和土层中，预制桩沉桩过程中容易出现由于管桩的挤土效应引起的超孔隙水压力[1]，致使桩周饱和砂土和粉土出现液化、邻近桩基上浮及挤土作用对周边管网产生的不利影响，因此，预制桩施工中土层超孔隙水压力的监测工作具有重要的研究价值。

1 孔隙水压力的监测

1.1 孔隙水压力概念

依据土体的三相组成，在饱和土体中仅由固体及液体两相组成，固体即土粒颗粒、土骨架，液体即颗粒间的孔隙水。沉桩过程中，土的体积被桩的体积所置换，土颗粒间出现挤压，一部分土体发生塑性破坏，此时土体主要承受两部分外力作用：颗粒间应力及孔隙水压力[2]。颗粒间应力主要通过颗粒间的接触面传递应力，由土体骨架承担；孔隙水压力则是通过孔隙水传递，但孔隙水压力仅可承受法向应力，而无法承受剪应力。

孔隙水压力根据产生的机理主要分为静孔隙水压力及超孔隙水压力[3]。静孔隙水压力是普遍存在饱和土体中的一种力，是由稳定土体中的静水位自重引起的，不随时间的变化而变化；而超孔隙水压力是在受到外力作用或水位急剧变化时土层中产生的一种力，由附加应力引起，固结过程中逐步向有效应力转换，变化规律与时间有关。

1.2 孔隙水压力监测方法

孔隙水压力的监测可采用孔压静力触探试验或孔隙水压力计测量[4]。孔压静力触探试验是在双桥静力触探试验探头上加入了水压力传感器，适合于软土及中软土地区，实践证明，孔压静力触探试验探头的寿命较短、试验时间长且试验结果误差大，一般较少采用；孔隙水压力计可根据试验要求选择埋设的深度及位置，可长时间对孔隙水压力进行监测，近期振弦式水压力计使用较多，具有稳定性强、灵敏度高、温度敏感低、防水性能好等优点，更适合长期的高精度水压力监测工作。

2 孔隙水压力监测案例

为了减少超孔隙水压力对周边环境及邻近桩基的影响，通过监测沉桩过程中超孔隙水压力的变化为后续桩基的施工速度及施工方案提供数据参考。

2.1 项目概况

白鹤滩-浙江±800kV特高压直流输电工程受端换流站工程位于浙江省杭州市余杭区塘栖镇五坑村、唐公村行政区域内，站址北距京杭大运河250m，西侧紧邻顺达路，场地东部有村道通过，交通便利。为确定桩基施工方案，选择场地西北角，进行桩基前期试桩工作，对试验区内的桩基进行抗压/水平静载荷试验及孔隙水压力监测，现场试桩位置平面示意图见图1。

图1 现场试桩位置平面示意图

2.2 地质条件

拟建站址位于浙北平原区的杭嘉湖平原西南部，地貌成因为冲湖积、海积平原。场地地势相低洼，地形较为平坦，地面高程一般为2.0～4.0m，场地现以菜地和果园为主。场地地层分布较为平稳，上部以第四系全新统湖沼积粉质黏土、海积淤泥质粉质黏土、冲海积黏质粉土和海积淤泥质黏土为主，下部以第四系上更新统冲湖积粉质黏土、海积粉质黏土和冲积成因的圆砾混砂为主。各地基土层性状及分布自上而下描述见表1。

表1 各地基土层性状及分布描述

2.3 监测方案

根据监测方案，平面上测试孔宜沿着应力变化最大方向并结合监测对象位置布置，本次试验拟布置3个点位（SY01、SY02、SY03），孔深45m，分别布置在桩深43m管桩附近，在垂直方向上测点应根据分布特点和地层结构布设，本次试验每隔5m深度布设一个测点，保证每个布孔每层不少于一个测点，管桩现场试验检测布置图见图2。

图2 管桩现场试验检测布置图

采用钻机成孔，成孔后先向孔内注入高为20cm的粗砂，然后向孔内缓缓放入孔隙水压力计，再灌入30cm的粗砂，填入黏性土，依次埋设下一个孔压计，上部用黏性土密封好，孔隙水压力计引出电缆用套筒保护，探头和读数仪通过电缆相连，用于观测孔隙水压力计的频率变化，通过换算得到孔隙水压力变化情况。

孔隙水压力计算式如下：

式中：

u——孔隙水压力，kPa；

k——标定系数，kPa/Hz2；

ƒi——测试频率，Hz；

ƒ0——初始频率，Hz。

在桩基施工前先对孔压力计进行测读，在施工过程中进行持续监测，直到孔隙水压力消散情况恢复到设计要求。

3 监测成果分析与讨论

孔隙水压力试验的主要目是观测PHC桩在打桩过程中土层中孔隙水压力的增加与消散情况，为工程桩施工时提供合理间距与打桩顺序。该试验于2021年3月13日开始于2021年4月5日晚上结束。

3.1 监测成果

现场采用的孔隙水压力测试仪系常州生产，设备编号SYYT-KY-2021-03。分别对桩基影响范围内5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m及40m处进行孔隙水压力监测并计算超孔隙水压力。SY02孔孔隙水压力与时间的变化关系及超孔隙水压力与时间变化关系情况见图3～图4。

图3 SY02孔孔隙水压力与时间的变化关系

图4 SY02孔超孔隙水压力与时间变化关系

3.2 分析与讨论

（1）根据沉桩过程中孔隙水压力及超孔隙水压力与时间的变化关系可知，开始施工后，场地内各深度处孔隙水压力均发生变化，且在施工第一天变化最为明显，随着桩基施工的进行，场地内孔隙水压力及超孔隙水压力逐渐趋于稳定，桩基施工完成后一段时间场地内超孔隙水压力逐步开始缓慢消散，打桩结束4d后孔压消散约25%。由于场地内桩侧主要土层以渗透性较弱的黏性土及淤泥质土为主，土颗粒间孔隙较小，孔隙水传递速度慢，导致挤密效应引起的超孔隙水压力不易消散，根据国内外学者的研究成果，砂土中超孔隙水压力消散速度较快，一般于施工完成后1～2d内可消散90%以上，而黏性土中的消散速度较慢[5-6]。

（2）由于不同的桩与孔压埋设点土层的距离远近不同，孔隙水压力的上升幅度亦有区别。根据沉桩过程中桩侧土体的受力情况，近桩侧位置土层出现塑性破坏，土颗粒重新排列，该处的超孔隙水压力最大；而在桩侧外一定范围内仅出现部分弹性变形或土层基本不受沉桩的影响，超孔隙水压力较小或为零。因此，应重视沉桩引起的超孔隙水压力对周边环境造成的破坏；按照第一天试验的试桩结果并结合孔压测试孔与桩之间的距离可以得知：在打桩间距大于3.8m时土层中超孔隙水压力与有效覆盖应力之比一般小于60%，满足《孔隙水压力测试规程》要求[7]，确定打桩间距需大于3.8m，在3.8m之内布置有打入桩时，要设置24h以上的间歇期，大规模施工中务必采取隔行跳打；另一方面，根据桩身附近的孔压测试土层中15m内的瞬时超孔隙水压力与有效覆盖应力之比大于规范要求的60%，沉桩过程中需控制好沉桩速率，避免在较短时间内连续打入大量桩，必要时可考虑预钻孔措施进行排水卸压。

（3）根据监测结果，打桩过程中超孔隙水压力最大值为315.3kPa（SY02孔），出现在35.0m深度处，位于5-1（黏土）层及5-2（粉质黏土）层中，距离桩端持力层6（圆砾混砂）约2.0～3.0m；由于桩侧除桩端持力层外均为低渗透性土层，层6（圆砾混砂）超孔隙水压力消散速度较快，沉桩时产生的瞬时超孔隙水压力在短时间内可消散，造成在该深度处的超孔隙水压力反而比35.0m的小。因此，宜控制好沉桩速率，在黏性土中不宜过快，在砂性土中可根据工程需要适当增加沉桩速率。

4 结束语

静压管桩基础方案已成为东部沿海地区进行地基处理的首选方案。对于地下水位较低的饱和土层，静压桩基施工时易出现较大的超孔隙水压力，对周边的建筑物及主要管网的影响较大。本文依托白鹤滩-浙江±800kV特高压直流输电工程受端换流站工程前期试桩过程中孔隙水压力的监测结果，介绍了超孔隙水压力产生的机理及主要的监测手段，分析了沉桩过程中超孔隙水压力的影响因素及变化趋势，以供同行借鉴。