静压群桩沉桩挤土效应模型试验

张建新，赵建军，鹿 群，孙世光

(天津城市建设学院 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

静压群桩沉桩挤土效应模型试验

张建新，赵建军，鹿 群，孙世光

(天津城市建设学院 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

以往对沉桩挤土效应的研究主要集中于单桩或双桩，而对群桩挤土效应的分析较少，但在实际工程中，桩基工程通常都是以群桩的形式来设计和施工的．基于室内模型试验，分析了群桩顺序压入土体后所引起的土体变形规律、超孔隙水压力的变化和沉桩前后土体的微观结构特征．试验结果表明：群桩压入后，土体水平侧移和地表隆起是不断累积的，存在着已压入桩的遮帘作用；超孔隙水压力并不是单桩引起的超孔隙水压力的简单叠加；沉桩后，土体微观孔隙的大小、形态和排列特征也发生了变化，其结构性更加紧密，挤土效应明显．

群桩；挤土效应；模型试验

以往对沉桩挤土效应的研究主要集中于单桩或双桩[1-3]，对群桩的挤土效应分析较少[4-7]，群桩一般是按组合进行分区，将每一分区的桩近似为当量单桩，然后按单桩分析群桩的挤土效应，但这种分析方法忽略了桩的施工次序、群桩效应对桩间土及对已施工桩的影响．

在实际工程中，桩基工程通常都是以群桩的形式来设计的，特别是在饱和软黏土中进行静压桩的群桩施工，它是目前建筑工程中经常采用的方法．虽然沉桩挤土所引起的土体变形[8-11]、超孔隙水压力[7,12]等问题早已被人们所重视，但由于群桩分析的复杂性，所以到目前为止还没有得到较好的工程对策，而对群桩沉桩挤土效应机理的分析则更较少涉及．

本文基于室内模型试验，分析了群桩压入土体后所引起的土体变形规律、超孔隙水压力的变化和沉桩前后土体的微观结构特征，得到了一些有益的结论，这对分析群桩挤土效应，掌握其挤土机理和工程对策具有重要的实践意义．

1 模型试验设计

1.1 试验装置

群桩沉桩模型试验是在尺寸为 1,000,mm×800,mm×1,000,mm(高)的模型箱内进行，见图 1．其中箱体一边为透明的有机玻璃板，按一定的相似比进行模型试验设计．试验制备土体取自天津浅层海相软土，在双面排水路径大约 150,kPa压力下进行固结，再经饱和后测定其物理力学性质指标．模型桩选用长为500,mm、直径(D)为30,mm的有机玻璃棒，桩间距为 4D，模拟 9根群桩挤土情况．由于对称性，靠箱边玻璃板的模型桩做成了半桩．压桩顺序为倒 Z字型．

图1 模型试验布置

1.2 试验过程

在模型箱内不同位置分别布设土体变形测点和孔隙水压力测点，试验时跟踪量测各测点的数值变化；试验前后在不同位置分别取土样，测定沉桩前后土体物理力学指标的变化和微观结构的变化．

2 群桩沉桩挤土效应分析

2.1 群桩沉桩引起的土体变形分析

在有机玻璃板不同高度上打4排小孔，深度分别为 50，250，450，500,mm．孔内插入银色大头针，大头针可在孔内移动，压桩后根据大头针头部与这些孔的相对位置，量测靠近箱边的土体水平位移和竖向位移．土体表面不同位置再布置测点，量测群桩中地表的水平位移和隆起变化情况．

2.1.1 三桩时土体变形分析

按照施工顺序，先压入①、②号桩，然后将③号桩一次性压入土中 500,mm．为便于分析，将模型箱中土体分成一、二、三、四四个区域，见图 2．分析三桩压入后土体的变形规律．

图2 土体变形区域划分

(1)四区．侧向位移的变化规律与单桩压入时土体位移的变化规律一致，在诸多文献[1,5,12]中都已涉及，在此不再详细讨论．

(2)三区．由于已有①、②号桩的压入，三区土体的侧向位移受到了很大限制，比双桩(只①、②号桩)时该区域土体侧向位移要小很多，见图 3、图 4．该区地表的隆起量双桩时为 2.63,mm，而三桩时隆起值变大，最大为3.2,mm．

图3 压入①、②号桩后三区土体侧移增量

图4 压入③号桩三区土体侧移增量

(3)二区．表 1为③号桩压入后二区土体不同径向距离和深度处的水平位移值，为便于比较，同时列出了双桩时该区位移值．可以看出：由于已压入桩的遮帘和阻挡作用，导致双桩、三桩压入后二区土体水平位移均较单桩时减少很多，三桩时的量比双桩时更多．分析认为，双桩时二区土体位移只受到已压入①号桩的阻挡作用，而三桩时二区不仅受到①号桩的阻挡作用，同时还受到已压入的②号桩的遮帘作用．而该区在三桩时的地表隆起变小，最大值只有1.63,mm．

表1 二区不同深度处水平侧移增量 mm

(4)一区．③桩压入后该区土体侧向位移与地表隆起都非常小，隆起量最大仅为 0.27,mm．分析认为，由于已压入两根桩的遮帘作用，使得该区位移值如此小，甚至没什么影响，说明群桩沉桩时桩的遮帘作用不容忽视，同时也可更好地利用遮帘作用，以减小沉桩挤土的危害．

2.1.2 群桩压入时土体变形分析

在桩群附近布置位移测点标记，布置方式为桩群中心区域每 40,mm插入一根高约 15,mm的铅芯(a-g)；桩群外每间隔 10,mm，较远处每 20,mm 布置一根铅芯，如图5所示．按顺序压入每根桩，土体表面变形主要以隆起为主，量测结果见表2．

由表 2可见：地表隆起最大值发生在最后的⑥号桩压入后桩群d点处，隆起量为3.78,mm，约为桩径的12.6%；靠近桩群中心处地表隆起量大，远离中心靠近桩群外地表隆起量逐渐变小．同时发现桩群外地表面处水平位移量是不断增加的，约5D处仍可量测到水平位移．

2.2 沉桩引起的超孔隙水压力分析

试验时，在桩群内外不同位置土体中共埋置了 5只孔压计(U1—U5)，其布置方法见图 6．在压桩过程中对超孔隙水压力进行同步量测，结果见表3．

表2 桩群中地表隆起量 mm

表3 各测点超孔隙水压力值 Pa

分析表3可以得到以下结果．

(1)单桩沉桩产生的超孔隙水压力随着测点至桩径向距离的加大而呈非线性减小；桩群中超孔隙水压力要大于群桩外的孔压值；超孔压的产生范围约在10D以内，其外土体的超孔压将变得很小．

(2)随着测点深度的增加，在桩长范围内，超孔压值在不断增加，且外侧增加幅度要大于桩间土中；另外，群桩施工后所产生的最大超孔隙水压力与有效上覆土压力的比值与测点埋深有关，在桩群浅层土中的超孔压值仅为上覆压力值的 59%，而位于深度 500,mm处的超孔压值则达到了上覆土压力的82%．

(3)试验发现，孔隙水压力变化滞后于沉桩施工．分析认为，试验土体渗透性较低是沉桩引起超孔压传递滞后的主要原因．

2.3 沉桩前后土体的微结构特征

压桩前后分别在模型箱内采取土样，对其进行了微观结构实验．压桩后取样平面位置见图 7，深度方向取样位置分别为土层表面处和深200,mm处．采用LeicaQwin5000偏光图像处理系统，对拍摄的电镜照片进行了处理和分析．

图7 压桩后取样位置平面示意

2.3.1 沉桩前后土体微观结构的比较

沉桩前后深 200,mm处土体微观结构的照片见图 8．对比分析可以看出：沉桩前深 200,mm 处的土体结构均表现为较疏松状态，孔隙形状不规则；沉桩后桩周土体孔隙明显减小，孔隙的方向性增强；而且随着深度的增加，其结构性更加紧密，挤土效应明显．

图8 深200 mm处微观照片

2.3.2 土体微观孔隙的大小与形态参数的变化

为了研究群桩挤土引起的桩周土体微观结构的变化，针对图8统计了沉桩前后有代表性的微结构定量化参数，见表4．

表4 压桩前后桩周土体的微观结构参数

由表4可以看出：

(1)深 200,mm处土层的等效直径值较压桩前有所减小，说明沉桩后土体孔隙有所降低，而随着深度的增加等效直径变小的趋势很明显；

(2)群桩贯入土体后，桩周土体的孔隙体积大幅度减小，平面孔隙率和孔隙周长也随之减小，随着取土深度的增加，这种减小的趋势也有所增加；

(3)群桩贯入土体后，桩周土体被压缩，单个孔隙被压成多个，孔隙个数增多，从而导致有不断被挤密的现象发生，而且随着深度的增加这种挤密效果更加明显；

(4)群桩压入后，孔隙的圆度值和形态比也都有所提高，说明压桩后孔隙形状的不规则程度提高．这是由于沉桩挤土使土颗粒发生折断、破碎、互相重叠，以及颗粒的重新组合和排列的结果；

(5)沉桩后，深 200,mm 处土层的颗粒平面分布分维数增加，孔隙的平面分布分维数降低，说明沉桩后颗粒的分布面积增大，孔隙的分布面积减小，挤土效应明显．

2.3.3 微观孔隙排列特征参数的变化

采用孔隙定向频率描述压桩前后微观孔隙的排列特征．将 0°～180°分成 n个等份(区位)，则每个区代表方向的角度范围为 a＝180°/n，由此可求出在0°～180°范围内第 i个区位孔隙的定向频率，其计算公式如下

式中：mi为孔隙的长轴方向在第 i个区位内的个数；M为孔隙的总个数．

改变 a的值，可得到不同频率的分布情况，一般取a＝10°．图9示例了压桩后200,mm深度处垂直截面孔隙定向频率分布(其它土样的频率分布图限于篇幅没有列出)．

图9 压桩后深200 mm垂直截面孔隙定向频率分布

由图9可知：沉桩前深200,mm处的孔隙分布频率的分布方向主要集中在 15°～75°和 75°～135°，而沉桩后主要集中在 15°～65°和 65°～135°；沉桩前地表处的孔隙分布频率的分布方向主要集中在 15°～90°和95°～130°，而沉桩后主要集中在 15°～60°和 75°～135°．说明群桩沉桩后，土层表面处和深 200,mm 处土体孔隙的定向性由于沉桩挤土均有所增强，地表处的孔隙定向性较地表下一定深度要大．

2.3.4 土体物理力学性质变化的微观解释

由前述分析可知，群桩沉桩后土体中颗粒的平面分布分维数增大，孔隙的平面分布分维数减小．也就是说，土体在沉桩后颗粒与颗粒之间的孔隙减少，孔隙中的气体和水在沉桩作用下排出，造成在单位面积内颗粒的数量增多，推广到三维，单位体积内的颗粒增多，即提高了颗粒的密实度．反映到宏观上，就是沉桩后土体的含水率减小，孔隙比减小，湿密度增大，渗透系数降低．同时，压桩后土颗粒的圆度和形态比变大，颗粒在几何形态上向扁长方向发展，即土体在受压后，土中气体、水被挤出，颗粒的形状变得狭长，颗粒间的孔隙减小，土颗粒之间集合得更紧密，因此群桩沉桩后的宏观物理力学指标在微观上得到了印证．

3 结 论

(1)桩压入后土体水平侧移和地表隆起是不断累积的，存在着已压入桩的遮帘作用，应该在实际工程中得到重视．

(2)群桩沉桩时产生的超孔隙水压力并不是单桩产生的超孔隙水压力的简单叠加．桩群内部中心桩附近的超孔隙水压力值明显大于边桩处，桩群外部超孔隙水压力分布类似于单桩情况，且都随着埋深的增加而增大．

(3)群桩压入后，桩群中土体孔隙明显减小，孔隙的方向性增强，且随深度的增加其结构性更加紧密；等效直径、平面孔隙率、孔隙周长都有所减小；孔隙个数增多，土颗粒的圆度和形态比变大，孔隙定向性集中于一到两个方向，从微观上沉桩挤土效应更加明显．

(4)基于群桩模型试验，对沉桩挤土效应进行分析，目的在于揭示压桩前后土体变形、超孔隙水压力和土体微观结构特征的变化规律，这是一种尝试，还有待实际工程的检验．

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Model Test on Squeezing Effect in Static Pressed Pile Group

ZHANG Jian-xin，ZHAO Jian-jun，LU Qun，SUN Shi-guang
(Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TIUC，Tianjin 300384，China)

In the past，the study of squeezing effect by pile driving was mainly focused on single pile or double piles, with meager research into that of the pile group. However，in practical terms, the design and construction of pile foundation engineering are usually embodied by pile group. Based on the indoor model test, the soil deformation caused by group pile pressing，excess pore water pressure and micro-structural characteristics of soil have been analyzed. The test result shows that the soil horizontal displacement and land upheaval accumulate continuously，with sheltering effects after pile pressing. Excess pore water pressure is not the simple stacking of the pressure of each pile.With the pile being driven，and the change of the size，appearance and arrangement character of micro-pore，soil’s structure gets more compacted，and squeezing effect becomes significant.

pile group；squeezing effect；model test

TU473.1

A

1006-6853(2010)02-0085-06

2010-03-15；

2010-04-02

国家自然科学基金(40972170)；天津市自然科学基金(09JCYBJC07800)

张建新（1965—），男，河北定兴人，天津城市建设学院教授，博士.