静压桩挤土效应及施工措施试验研究

刘振兴 李镜培 钟光玉

(1．同济大学地下建筑与工程系，上海200092;2．同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092;3．上海南汇建工建设(集团)有限公司，上海201399)

1 引言

静压桩的挤土效应是岩土工程界广泛关注的问题。目前关于挤土效应的理论研究多基于各种假设，往往不能反应现场条件的复杂性。因此，挤土效应的试验研究显得尤为重要。

国内外诸多学者对沉桩挤土效应进行了大量的试验研究。Yang等［1］监测了超长H型钢桩静力压入密沙中产生的孔隙水压力，试验结果表明，超孔压在桩尖到达孔压计埋深水平面时达到最大值。Hwang等［2］进行了预制桩的挤土效应试验，研究了沉桩时产生的桩周孔隙水压力、土体位移。李镜培等［3］通过成层地基中静压桩的挤土效应模型试验得出，最大径向与竖向位移均出现在软硬土层交界面附近。周火垚等［4］进行了饱和软土地基中3根足尺静压桩的压入试验，监测了沉桩过程中土体水平位移、孔隙水压力沿径向和竖向的变化特性。雷华阳等［5］结合吹填土地区管桩挤土效应的现场试验与数值模拟的结果，分析得出沉桩过程中超孔压影响范围约为10倍桩径，土体水平位移在0．2～0．4倍桩长处较大。李国维等［6］、刘汉龙等［7］分别对 PHC 管桩、现浇 X 形桩的挤土效应进行了现场试验研究。朱向荣等［8］、唐世栋等［9］对单桩沉桩产生的超孔压大小、分布规律及影响范围进行了分析，并与理论解进行了对比。尽管许多学者在不同土层、不同桩型条件下进行了大量的挤土效应试验，但采取预钻孔、应力释放孔措施后的挤土效应实测研究较少，尚需进一步的试验研究。

本文结合某桩基工程项目，选取3根试桩，分别采取预钻孔措施、预钻孔和应力释放孔结合的措施及无措施。通过对不同工况下桩不同贯入深度时产生的挤土效应进行监测，分析桩周土体水平位移、孔隙水压力沿深度与水平方向的变化规律，研究不同施工措施对挤土效应的影响。

2 工程地质概况及监测方案

2．1 试验区工程地质概况

经勘查，试验场地位于古河道分布区，地貌类型属滨海平原，地貌形态单一。地表下深度80 m范围内地基土均属第四纪滨海河口相、滨海浅海相、沼泽相沉积物，主要由黏性土、粉性土和沙土组成，一般呈水平状分布。将勘测深度范围内的地基土划分为7个层次，每层土物理力学性质指标见表1。

表1 土层物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical characteristics of soil

2．2 试验桩布置与监测方案

试验桩布置与监测方案试验桩采用工程桩，为先张法预应力混凝土空心方桩，型号为HKFZAB 400(200)－12，13，15。桩身混凝土强度等级为C80，桩截面边长d=400 mm，内径200 mm，桩身长40 m，分三节(分别为12 m，13 m，15 m)压入，每节桩之间采用端板焊接，设计单桩抗压承载力1 350 kN。

本次监测试验所用3根试验桩由东向西依次编号为 p1，p2，p3，间距约为15 m，每根试验桩周围布置2根测斜管和5组孔隙水压力计，具体编号如图1所示。工况1采取了预钻孔措施;工况2未采取任何减小挤土效应的措施;工况3采取了预钻孔加应力释放孔的措施。释放孔与预钻孔直径均为300 mm，深度均为20 m。两个释放孔间距为1．2 m，距桩中心距离为1 m。

测斜管距桩中心的距离分别为1．5 m，5 m，埋深25 m。孔隙水压力计组距桩中心的距离分别为1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，每组分别在距地表深度 3 m，8 m，15 m，25 m处布置孔隙水压力计。在压桩前、每节桩压入后及整根桩压入后24小时分别监测土体水平位移及孔隙水压力的变化情况，每根试验桩共监测5次。

图1 桩位及监测仪器布置图Fig．1 Sketch of field testing facilities

3 试验结果与分析

3．1 土体水平位移分布规律

图2给出了3种工况下距离桩轴1．5 m(约4d)处土体水平位移在各个压桩阶段随深度的变化规律。从图2可以看出，各个工况下的土体水平位移曲线均在地下9 m附近出现转折。由表1可以看出，该深度处于砂质粉土与淤泥质黏土的土层分界处，砂质粉土含水率较低、孔隙比较小、压缩模量较大，而淤泥质黏土含水率高达49．5%，孔隙比为1．42，压缩模量小，土质较软，因此导致该处土体水平位移曲线出现转折。该分布趋势与李镜培等［3］所进行的模型试验所得结论是一致的。在软硬土层交界面处，硬土层土体位移偏小，而软土层土体位移偏大，故容易使桩产生倾斜或者弯曲。

图2显示，工况2由于没有采取减小挤土效应的措施，导致最大土体水平位移达到25 mm，约为6．3%d(d为静压桩边长)。工况1采取预钻孔措施，最大挤土位移为18 mm，工况3采取预钻孔加应力释放孔的措施，最大挤土位移减小到了9 mm。故工况3采取的措施最有效地减小了挤土位移。

从图2(a)、图2(b)可以看出，第2节桩压入后产生的土体水平位移最大，在压桩结束静置24小时后，土体水平位移自上而下均有一定程度的回弹。以图2(a)为例，压桩结束24小时后，最小回弹量约为2 mm，出现在地表附近，最大回弹量约为5 mm，出现在黏土层中，平均回弹量约为4 mm。图2(c)显示，由于采取了较好的措施，在第2节及第3节桩压桩产生的位移曲线几乎重合，压桩结束静置24小时后的位移变化也不明显。

图3给出了3种工况下距离桩轴5 m(约12d)处土体水平位移在各个压桩阶段随深度的变化规律。图3表明，该距离处不同压桩阶段产生的位移值相差不大，位移曲线较为平缓。测斜管c3．2由于距释放孔较远，所测得位移值与c1．2几乎一样，而图3(b)显示工况2该距离处的挤土位移约为2%d，仍然较其他两种工况大。说明所采取措施的影响范围超过了12d。

除工况1中孔压计组u1．1在预钻孔施工中被整体破坏外，其余水压力组均监测到了孔隙水压力的变化数据。将3节桩压桩完成后的超孔压随径向距离的变化规律表示在图4中。由于第1节桩(长12 m)压入后，仅有3 m与8 m深度处的孔隙水压力计监测到了超孔压，故图4(c)与图4(d)中未表示出第1节桩压入后的超孔压。图例中的第一位数字1、2、3分别表示第1节桩压桩完成后、第2节桩压桩完成后、第3节桩压桩完成后，第二位数字表示不同的工况。

从图4(c)、图4(d)可以看出，压桩过程中引起的超孔隙水压力随径向距离的增加而近似成指数减小。在相同径向距离处，超孔压随着深度的增大而增大，特别是距桩较近处，这种趋势更加明显，例如工况2中c2．1水压力计组，第三节桩压桩结束后，15 m处超孔压为68 kPa，而25 m深度处超孔压为201 kPa。

在预钻孔及释放孔深度范围内，工况2在距桩较近处产生的最大超孔压要大于其他两种工况，但随径向距离的衰减速度较快。从图4(c)、图4(d)可以看出，在距新桩5 m(12d)处产生的超孔压仍大于5 kPa，说明超孔压的影响半径大于12d，在工程实际中仍要考虑其影响。在该距离处不同工况之间超孔压仍然有差别，所以预钻孔与释放孔措施的影响范围也超过12d。

图2 不同工况下距桩轴1．5 m处土体位移Fig．2 Radial displacement at the distance of 1．5 m from the pile

图3 不同工况下距桩轴5 m处土体位移Fig．3 Radial displacement at the distance of 5 m from the pile

3．2 超孔隙水压力分布规律

图4 (c)还表明，工况2第3节桩压入后产生的超孔压较第2节桩产生的超孔压小，说明超孔压有一定程度的消散。主要原因可能是:第2节桩压入后，由于挤土位移较大，在桩周一定范围内产生了较多的竖向和水平向的裂缝，为后续压桩过程中孔隙水压力的消散创造了条件，所以在第3节桩施工后，超孔压有一定程度的减小。从图4(b)和图4(d)中亦可以看出此趋势。

图4(b)显示，超孔压总体上呈现随径向距离减小的趋势，但是工况1的超孔压明显小于其他两种工况，这是由于现场施工时距离桩P1较近距离处(约1．5 m)存在另外一根桩的预钻孔，充当了应力释放孔的作用，导致桩p1周围的超孔压减小。

图4(a)表明，该深度处在距桩较近和较远处超孔压较大，中间位置较小。这是由于在进行其他监测项目时，附近开挖了深度2 m，宽度1 m，长约3 m的沟槽，该沟槽起到了防挤沟的作用，对埋深较浅的孔隙水压力计产生较大影响。距桩4 m、5 m处的超孔压较大是因为该距离处的孔隙水压力计处在压桩机行走支座的正下方，压桩机较大的压力使该深度处的超孔压增大。由于受地表的影响较大，不同工况之间的对比没有一定的规律性。

图4 不同压桩阶段超孔压变化Fig．4 Changes of excess pore pressure during different driving stage

表2表示距桩2 m处孔隙水压力组的消散情况。由于距离地表3 m深度处的超孔压较小且受环境影响较大，故表2中未将该深度处的超孔压表示出。从表2可以看出，超孔隙水压力随上覆有效应力的增大而增大。砂质粉土中的超孔压消散较快，而淤泥质黏土中含水率高，孔隙比大，渗透系数小，故超孔压消散速度较慢。

表2 距桩2 m处孔隙水压力消散情况Table 2 Dissipation of excess pore pressure at the distance of 2 m from the pile

4 结论

(1)静压桩挤土效应引起的水平位移在软硬土层交界面附近发生突变，故沉桩容易造成邻近桩基在土层交界处发生弯曲，甚至断桩等事故，所以当设计桩距较近时，应采取适当的措施减小挤土效应。

(2)预钻孔加应力释放孔的措施最有效地减小了距桩较近处的挤土位移，在距桩12d处工况2产生的挤土位移仍然大于其他两种工况，故预钻孔及预钻孔加释放孔的措施有效范围在12d以上。

(3)未采取减小挤土效应措施压桩时，前一节桩压桩在桩周土体中产生裂缝，增大超孔压的消散速度，故在相同深度处，可能会出现后续压桩过程中超孔压减小的现象。

(4)在距桩12d处，不同工况下的超孔压仍然不可忽略，故超孔压的影响范围大于12d，且该处不同工况之间的超孔压仍然有差别，同样说明预钻孔及预钻孔加释放孔的措施有效范围在12d以上。

(5)超孔隙水压力随上覆有效应力的增大而增大。

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