PHC樁沉樁期地表變形和超孔隙水壓力試驗研究

摘 要：結合中電工程海鹽風電場項目試樁實體工程，通過沉樁過程中地表沉降、地基土體超孔隙水壓力的現場試驗研究，獲得了擠土樁沉樁過程中地表變形規律、地基土體超孔隙水壓力的增長、消散特征。在臨近建筑物保護區域內沉樁須充分考慮沉樁順序和速率等重要參數。

關鍵詞：風電場； 超孔隙水壓力； 擠土樁； 沉樁順序和速率

中圖分類號：TU413 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2014）06-174-003

一、引言

社會經濟發展對能源需求持續增長，全球油價維持高位，天然氣價格不斷攀升，另外，化石燃料使用帶來的環境問題日益嚴重，清潔可再生的新能源引起全球的關注。在各類新能源中，風電是技術相對成熟、最具大規模商業開發條件、成本相對較低的一種，受到世界各國的普遍重視。

浙江海鹽風電場位于海鹽縣沿海灘涂，中心坐標為東經121°，北緯30°33′44″。風電場平均海拔在0～5m之間。為滿足建筑物對地基承載力及使用期殘余沉降的要求，本工程地基處理采用預應力高強度混凝土管樁（PHC樁）基礎。根據《電力工程地基處理技術規程》（DL/T2024-2005）要求，對于一、二級建筑物的單樁抗壓、抗拔、水平極限承載力標準值，宜按綜合試樁結果確定。本工程布置1組試樁，采用集中式布置3根試樁和8根錨樁，樁型都為PHC600-110B，設計參數詳見表1，采用D80柴油錘打樁機打樁。

錘擊管樁屬于擠土樁，沉樁時樁周邊土體結構受到擾動，改變了土體的原始應力狀態。主要表現在2個方面：首先，土體受到沖擊、擠密等作用產生擠出破壞，地基土體出現隆起變形和水平位移；其次，沉樁時樁端土體受到強壓縮作用形成超孔隙水壓力，降低地基土體有效應力[1-3]。

考慮錘擊沉樁過程地基土體產生側向擠壓、地基土體孔隙水升高以及有效應力降低等因素，同時為后期大面積開展樁基工程施工提供實踐經驗，必須對沉樁過程進行施工監測，確保施工安全和堤防，滿足使用要求[4]。

二、工程概況

1.場地地質概況

根據場區巖土工程勘察報告，揭示場地分布地層為：上部為深厚的第四系全新統（Q4）海相沉積淤泥質土（夾有粉土），中部為巨厚的第四系上、中更新統（Q2-3）粘性土（多含砂、礫，夾砂土、粉土），下部為前第四系凝灰巖、砂巖及泥巖等。按地層順序及編號自上而下分述如下：

1-0層素填土：色雜，主要由各類砂土、粉土組成，混粘性土，局部混碎石，性能不均勻，松散、稍密為主。2-2層淤泥質粘土：灰色，局部夾粉土（粉砂）薄層，飽和，流塑。2-3層淤泥質粉質粘土：灰色，局部含大量粉粒。飽和，流塑。3-1層淤泥質粉質粘土（夾粉土）：灰色，局部互層狀，具微層理。飽和，流塑。3-1-1層粉土（含粉砂）：灰色，局部含大量粉砂。飽和，密實。3-1-2層粉土（含粉砂）：灰色，局部含大量粉砂。飽和，稍密-中密。3-2層淤泥質粉質粘土：灰黑色，飽和，流塑。3-3層粉質粘土：灰黑色，濕、很濕，可塑，偏軟。4-1層粉質粘土：灰黃色，根據狀態，分為兩個亞層：4-1-1層，濕、稍濕，硬塑；4-1-2層，濕、很濕，可塑。4-3層粉砂：灰色，局部含粉土層，根據狀態，分為兩個亞層：4-3-1層，飽和，密實；4-3-2層，飽和，中密。5-1層粘土：灰黃色為主，含大量粉粒、砂粒，局部含砂礫，根據狀態，分為兩個亞層：5-1-1層，稍濕，堅硬；5-1-2層，濕、稍濕，硬塑。5-2層粉質粘土：灰黃色為主，濕，可塑。6-1層粉質粘土：灰縁色，根據狀態，分為兩個亞層：6-1-1層，濕、稍濕，硬塑；6-1-2層，濕、很濕，可塑。7-1層粉質粘土：灰縁色、褐黃色，局部含砂礫，本次揭示7-1-1亞層，濕、稍濕，硬塑。場區范圍內地層物理力學指標詳見表2。

2.監測設計

為了解沉樁過程中由于擠土作用引起的地表豎向隆起變形以及土體受到壓縮和擠密，土中超靜孔隙水壓力的上升、消散規律，于堤防內坡護塘地埋設了地表沉降和土體孔隙水壓力測試點，測點布置詳見圖1。測試過程中如果遇到沉降速率突然變大等情況，加大監測頻率，并進行動態跟蹤。

三、現場測試結果及分析

1.沉樁順序及速率統計

地基土體變形及應力變化與沉樁順序和速率密切相關。本試樁工程沉樁施工于2014年3月4日開始，至3月6日結束，根據施工現場沉樁過程詳細記錄，每根樁打設時間詳見表3，沉樁施工順序見圖2。

2.地表土體變形測試結果及分析

根據沉樁期間地表測點變形測試數據，繪制變形量與時間關系曲線（豎軸正值為沉降，負值為隆起），詳見圖3。結合表3中給出的沉樁歷時與間歇統計數據，從曲線總體變化趨勢來看：沉樁時臨近測點產生隆起變形，沉樁間歇期測點產生沉降變形。測點隆起變形主要產生于31h和54h時間節點，即打設MZ8和MZ4號樁時測點隆起變形量較大，其中離外排樁2m處S2測點累計隆起變形峰值為30.8mm，8.8m處S6測點累計隆起變形峰值為7.3mm，即測點距沉樁區域越近擠土效應越明顯。

3.地基土體孔隙水壓力測試結果及分析

基礎沉樁期間土體孔隙水壓力觀測數據顯示：沉樁施工過程中地基土體超孔隙水壓力上升明顯，沉樁施工間歇期，超孔壓逐漸消散。如圖4超靜孔壓累計增量和深度曲線所示：MZ5～MZ8號樁沉樁期間，單根樁打設引起的土體超孔隙水壓力逐漸變大（見表4），觀測到的最大超靜孔壓值為112.1kPa，發生于MZ8號樁沉樁結束，測點深度為35m，位于Q3粘土層，緊接打設SZ3號樁過程中，35m深度土層超孔隙水壓力未達到前述峰值112.1kPa，但其它深度土層的超孔隙水壓力仍有一定量的增長，打設SZ1號樁過程中，測孔位置土層超孔隙水壓力上升不明顯；打設MZ3和MZ4號樁過程中，測孔位置土層超孔隙水壓力上升規律與打設前排錨樁相似；從地基土層不同深度超孔隙水壓力累計增量曲線可以看出：打設MZ8號樁、SZ3號樁以及MZ4號樁后土體超孔隙水壓力增量都相對較大（表4給出了打設基樁過程中引起的土體超孔隙水壓力增量統計），原因為這3根樁與土體超孔隙水壓力測孔的凈距離以及沉樁歷時都相對較短，沉樁擠土以及振動影響明顯，所以土體超孔隙水壓力值上升較大；沉樁施工結束后，超靜孔壓逐步消散，截止到2014年4月11日，各測點超靜孔壓值已趨于完全消散，沿深度方向大部分土層孔隙水壓力增量出現負值，主要是鉆孔埋設過程中產生的超孔隙水壓力未完全消散，使得計算沉樁過程產生的超孔壓初值偏大，但本現象不影響孔壓增量計算。沉樁擠土及振動引起的超孔隙水壓力上升明顯，且沿土層深度方向超孔壓增量逐漸變大；沉樁結束后，超孔隙水壓力逐漸消散，至2014年3月17日，歷時11天，土體超孔隙水壓力基本消散完畢。

從本次試樁整個沉樁過程中土體超孔隙水壓力變化特征來看：打設MZ8號樁和MZ4號樁測孔位置土層超孔隙水壓力出現2次較大增幅，首先，此2個樁位離孔壓觀測孔最近（孔距7.4m）；其次，打設此2根樁的沉樁歷時和時間間隔都相對較短；再者，和打設中間排試樁的沉樁順序相比，2排錨樁的沉樁順序都有向內坡腳推進趨勢，MZ5～MZ8號樁為逐根向內坡腳打設，所以打設MZ8號樁觀測孔土體超孔隙水壓力出現單次增長峰值。

四、結論

本文結合中電工程海鹽風電場項目試樁工程，通過沉樁過程中地表沉降、地基土體超孔隙水壓力現場試驗研究，初步分析得出如下結論：

1）沉樁時測點產生隆起變形，沉樁間歇期測點產生沉降變形。離外排樁2m處S2測點累計隆起變形峰值為30.8mm，8.8m處S6測點累計隆起變形峰值為7.3mm，測點距沉樁區域越近，擠土效應越明顯。

2）沉樁施工過程中地基土體超孔隙水壓力上升明顯，觀測到的最大超靜孔壓值為112.1kPa，樁位與土體超孔隙水壓力測孔的凈距離、排樁順序以及沉樁歷時對超孔隙水壓力增量影響較大，沉樁施工間歇期，超靜孔壓會有一定消散，沉樁施工完成后，超靜孔壓消散較快，截止到2014年3月17日，歷時11天，土體超靜孔壓已基本消散。根據試樁期間土體超孔隙水壓力測試成果，建議后期工程樁施工時，靠近海堤內坡腳側的幾根樁優先打設，且采用隔樁跳打方式，同時降低沉樁速率，單基礎沉樁總體順序為向內坡方向逐漸推進。

參考文獻

[1]楊生彬，李友東.PHC管樁擠土效應試驗研究[J]巖土工程技術，2006，22（3）：117-120

[2]龔主偉，龔友平.錘擊貫入PHC開口管樁現場監測試驗研究[J]科學技術與工程，2012，12（28）：7455-7459

[3]王興龍，陳磊，竇丹若.打樁擠土的現場試驗研究及土體位移的計算公式[J]巖土力學，2003，24（增）：175-179

[4]貝耀平，王春，陳新群.響水風電場風機基礎管樁沉樁引起的海堤變形及振動分析[J]水利水電技術，2009，40：64-66