成层地基土中群桩挤土效应现场试验研究

万 星 丁建文 黄 聪 丁 诚

(东南大学交通学院, 南京 211189)

预制桩打入地基土中需排开相同体积的土体，施打过程中桩与土体发生剧烈的挤压剪切作用，从而改变了土体的天然应力状态，在地基土中产生较高的超孔隙水压力及土体位移.当布桩密度较大或施工速率过快时，易造成超孔隙水压力的过量集聚,并产生较大的土体位移，从而妨碍后续施工的进行，对已打入的预制桩及周围构筑物、管线等均会造成不利影响或破坏[1-3]，软土地区群桩挤土效应导致的工程事故频发[4-5].有关预制桩挤土效应产生机理及表现形式的研究由来已久.Vesic[6]采用相关联流动的Mohr-colomb屈服准则，给出了均质可压缩理想弹塑性土的圆孔扩张问题的基本解，从力学角度提供了预制桩沉桩挤土效应的机理解释.唐世栋等[7]对单桩贯入引起的超孔隙水压力开展现场测试，发现超孔隙水压力随径向距离增加呈对数关系衰减.

已有研究大多针对均质地基土中的沉桩问题，并且侧重于同一深度处孔隙水压力及土体位移沿径向分布规律的探讨.然而，沉桩挤土效应是一个复杂的空间问题，采用平面应变分析方法存在很大缺陷[8-9].工程实践中经常出现上软下硬、上硬下软或软硬互层等非均质土层分布情况，此类地层中的挤土效应沿深度方向往往具有特别的空间分布规律.如鹿群等[10]通过数值模拟方法指出成层地基土中软硬交界处土体位移加大，挤压应力发生剧变，出现应力间断的现象.李镜培等[11]通过室内模型试验，研究了成层地基中模型桩在整个沉桩过程中的挤土效应，揭示了桩周不同位置特别是软硬土层交界处土体位移的变化规律.这些文献主要从数值模拟与模型试验2个角度对成层土地基中的沉桩挤土效应进行了探讨，有关成层地基土中挤土效应的现场试验研究则较为缺乏.

本文依托连云港地区某风电试桩项目，开展大面积预制方桩锤击贯入的现场试验研究，针对深厚淤泥层下卧粉砂粉土互层的上软下硬特殊地层条件，分析了成层地基土中挤土效应的空间分布规律，为类似地层条件下的沉桩施工建设提供参考.

1 工程概况

现场试验依托连云港和风灌西100 MW风电场试桩项目展开.试桩区主要为农田及鱼塘，地形较为平坦，区域地貌单元主要为海积平原，场址区上部分布约16 m深的淤泥软土层，其工程性质较差.孔隙潜水主要赋存于上部软弱土层中，地下水位埋深为1.30～1.70 m.场地下部土层主要为粉土及粉砂互层，土层分布及相应的物理力学指标见表1.由表可知，试桩场地土层呈现显著的上软下硬分布特征.

表1 土层物理力学参数统计表

考虑到海相土的腐蚀性，本电场试桩工程选用550 mm×550 mm预应力实心方桩，打桩施工总数共计19根，其中T1～T6为静载试桩，M1～M13为锚桩.试桩T1～ T3、M12～ M13的桩长为32 m，其余桩桩长均为29 m.试桩T4～ T6、锚桩M1～ M11以土层⑦为持力层，试桩T1～ T3、锚桩M12～ M13以土层⑧为持力层.桩位布置均匀，打桩面积覆盖率为7.77%.施工设备采用D40型柴油锤，预制桩均分为两节锤击贯入，沉桩工况记录见表2.

2 测点埋设

如图1所示，在桩群的不同位置处钻孔并记为测孔B1～B3.沿地基土不同深度处布设振弦式孔压计，通过不同的平面位置与深度位置研究超孔隙水压力的空间分布规律[1,7,12]，孔压计的埋深及其对应的土层剖面见图2.埋设前先排净孔压计透水石内的气泡，将孔压计压至埋设深度，将导线引至孔口以测定频率，随后上部用黏土球进行封堵.在场地的最西侧及东南侧布设测斜管，分别记为 CX1、 CX2，测斜管埋深为40 m.A轴与B轴为测斜管中垂直的槽口方向，B轴朝向正北.

表2 主要沉桩施工工况

图1 桩位及观测点布置图(单位：mm)

图2 孔压计埋深及对应土层情况(单位：m)

3 测试结果与分析

3.1 超孔隙水压力的产生

图3为测孔B1各深度处超孔隙水压力随时间的变化曲线.由图可知，施工前4 d超孔隙水压力上升缓慢，存在一定波动；第5 d沉桩桩位靠近B1测孔，不同深度土体中超孔隙水压力均迅速上升，其中最大值为135 kPa，位于12 m深度处；第6 d尽管仍有部分桩体贯入，但由于远离测孔，超孔隙水压力峰值已开始回落，说明平面径向距离是影响超孔隙水压力大小的首要因素；20 d后，浅层土体的超孔隙水压力轻微上升，这与静载试验时大型设备的进场碾压等因素有关.

图3 测孔B1各深度处超孔隙水压力随时间变化曲线

由图4可见，在上部淤泥土中，超孔隙水压力随深度增加近似线性增大，这主要是由于地基土的初始应力以及不排水抗剪强度等随深度增加而增长所致[12-13].下部粉砂粉土互层渗透性明显较强，测孔B1、B3的超孔隙水压力在16 m深度处(软硬土层交界面)开始衰减，超孔隙水压力要明显低于上部淤泥层.测孔B2则呈现了不同的竖向分布规律，超孔隙水压力峰值产生于18 m(④粉质黏土夹粉砂层)处，这与初始地应力、沉桩施工速率密切相关，下卧粉砂粉土互层中初始地应力较高，且距离测孔B2最近的4根预制桩均在第5 d打入，周围土体的初始应力场急剧改变，因此，尽管土体的渗透系数较大，但仍产生了较高的超孔隙水压力.由此可见，同一平面位置处沉桩产生的超孔隙水压力与地基土初始应力、土体渗透系数、沉桩速率等因素均有关，是一个复杂的空间问题.鉴于沉桩施工速率对超孔隙水压力的峰值有着很大的影响，合理控制施工速率有助于抑制超孔隙水压力的短时间集聚上升.

图4 最大超孔隙水压力沿深度分布曲线

3.2 超孔隙水压力的消散

图6对比了测孔B1的不同深度超孔隙水压力的消散情况,其中超孔压消散率k定义为

(1)

式中，u0为沉桩完成时超孔隙水压力的消散初始值；ut为沉桩完成后任意时刻的超孔隙水压力.

图6 测点B1各深度超孔压随时间消散曲线

由图6可知，深厚淤泥层中超孔隙水压力的消散速度缓慢，休止30 d后超孔压消散率低于50%，其中，8 m深度处超孔隙水压力的消散速度最慢，30 d后k仅为32.3%，这是因为8 m深度位于淤泥土层的中部，径向消散速率与竖向消散速率均很慢.此外，超孔压消散曲线在消散初期易发生突变，一日内超孔压可消散20%～30%，随后曲线趋于平缓；究其原因在于，淤泥层中超孔隙水压力峰值接近或大于有效上覆压力或有效侧压力时，土体会发生水力压裂现象[17-18]，地基土中产生水平或竖向裂缝，形成良好的排水通道，超孔隙水压力迅速消散，而当超孔隙水压力消散至较低应力水平时，排水通道逐渐闭合，超孔隙水压力的消散又趋于缓慢.相比之下，在下卧粉砂粉土互层中，由于渗透系数较大，超孔隙水压力消散迅速，2 d后超孔压消散率均在95%以上，可认为已基本消散完全.

淤泥土中超孔隙水压力的消散情况见图7.由图可知，休止10 d时，不同深度超孔压的消散率为25%～50%；休止30 d时，消散率仅稍有增大；休止10～30 d 阶段内，超孔隙水压力的消散率不足10%，消散速率缓慢.这一方面是由于水力压裂导致超孔隙水压力的消散具有显著的先快后慢特征;另一方面也与连云港海相软黏土的强结构性特征有关[19]，预制桩锤击施工破坏了原状土的天然结构，土体屈服后孔隙比急剧降低，渗透系数大幅度衰减[20-22].

图7 淤泥土中超孔隙水压力的消散图

3.3 土体深层水平位移

图8为测孔CX1处垂直2个方向的土体深层水平位移曲线.其中，土体水平位移通过自下而上累加得到.由图可知，土体朝向西南方向发生偏移，A轴、B轴2个方向上深层水平位移的大小及分布较为相似.由于桩位布置具有南北对称性，南北方向的位移可能是由沉桩施工的遮帘作用导致[23-24]，也可能是因为埋设测斜管时槽口方向存在偏差.

(a) A轴方向

(b) B轴方向

随着沉桩桩位靠近，土体水平位移逐渐增加，施工第5 d时，土体位移发生突变，地表水平位移增大约20 mm，这与超孔隙水压力的突变时间相吻合.在14～16 m深度处，水平位移自下而上急剧增大，此深度范围大约为上部软土层与下部硬土层的分界面，预制桩在交界面处受力发生剧变[10]，土体水平位移发生急剧变化，故沉桩过程中应特别注意软硬土层的交界面，防止桩身变形突变导致桩体的偏移与折断.

土体水平位移的分布形式呈上大下小的特征，这与上软下硬的地层特征有关[14,25].淤泥土层的抗变形、抗剪切能力较弱，超孔隙水压力难以消散，应力释放缓慢，土体变形难以恢复，故其上覆压力较小，预制桩打入时会产生较大的位移量.而下卧粉砂粉土互层的模量及强度明显较高，且上覆压力较大，土体所受约束较大，下部土体的变形量较小.

3.4 位移与孔压的动态关系

图9给出了休止7 d时超孔压消散与土体侧向回移的关系曲线.土体侧向回移率m为

(2)

式中，s0为沉桩完成时土体侧向位移；st为沉桩完成后任意时刻的土体侧向位移.

图9 超孔压消散与土体侧向回移的关系

由图9可知，休止期超孔压的消散与土体的侧向回移具有一定的相关性，粉砂粉土互层中超孔隙水压力的消散率明显高于上覆淤泥层，土体侧向回移率也呈现相同的规律.然而，地基土中土体的侧向回移速率要明显低于超孔压的消散速率，淤泥层中超孔压的消散率为 20%～40%，土体回移率仅为10%甚至更低；而在下卧粉砂粉土互层中，尽管超孔压已完全消散，土体水平位移仍较大.这是因为实心预制方桩为挤土桩，沉桩施工时排开部分地基土体不可恢复，锤击沉桩施工形成剧烈的挤压剪切，海相结构性软土地基中产生的大变形、结构损伤、胶结作用破坏等导致部分侧向变形无法恢复，且土体回移速率缓慢[26]，这与文献[13]的观测结论相吻合.由此表明，分析休止期内土体的位移与孔压动态关系时，需合理考虑土体的不可恢复侧向变形.由于本风电项目预制方桩均通过锤击法动力贯入，大面积群桩施工对连云港海相软土地基的天然结构造成了显著的损伤破坏，故土体的侧向回移速率明显滞后于孔压的消散速率.

4 结论

1) 深厚淤泥土中超孔隙水压力的大小随深度增加近似线性增大，最大超孔隙水压力可达有效上覆压力的1.61倍.下部粉砂粉土层中超孔隙水压力峰值较低，与深度无线性规律，沉桩挤土效应明显较弱.

2) 群桩施工产生的挤土效应与超孔隙水压力分布是一个复杂的空间问题.径向距离是影响沉桩产生的超孔隙水压力大小的首要因素，而超孔隙水压力的空间分布规律与地基土初始应力、土层渗透系数、沉桩施工速率等因素均有关.

3) 由于上软下硬的地层特征，沉桩产生的土体深层水平位移呈现上大下小的分布规律，并且软硬土层交界面易发生土体水平位移突变，在实际工程中应予以重视，以防造成桩体偏移或桩身损伤.

4) 锤击沉桩施工造成土体天然结构破坏，导致土体侧向回移速率明显滞后于超孔隙水压力的消散速率.因此，在分析超孔隙水压力消散与土体侧向回移的动态关系时，需合理考虑土体不可恢复变形的影响.