預制樁施工中超孔隙水壓力監測案例分析

李 睿

（上海申元巖土工程有限公司，上海 200001）

0 引言

城鎮化的進程一方面為人民群眾提供了更加方便快捷的生活環境，另一方面不可避免地會帶來城市核心區域土地資源逐漸稀缺，特別是東部沿海地區，土地價格和住宅價格增長明顯，這些因素迫使城市的建設逐步向地下更深處或者天空更高處發展，城市內出現了越來越多的高層住宅及商業建筑。這些建筑物荷載較大，對工程建設穩定性要求高，而東部沿海地區主要以軟土～中軟土為主，對重要性等級較高或者荷載較大的建筑物而言需進行地基處理，結合各地區的巖土特點，一般的地基處理方式以預制樁及鉆孔灌注樁為主。

相比鉆孔灌注樁造價高、施工周期長、環境污染大的缺點，預制混凝土樁憑借其造價較低、施工速度快、可提前預制及環境污染小等特點在東部沿海地區被廣泛采用。根據場地的周邊環境和地質條件可以選擇錘擊法沉樁或靜壓法沉樁，后者是預制樁施工的主要方法之一。但在地下水位較低的飽和土層中，預制樁沉樁過程中容易出現由于管樁的擠土效應引起的超孔隙水壓力[1]，致使樁周飽和砂土和粉土出現液化、鄰近樁基上浮及擠土作用對周邊管網產生的不利影響，因此，預制樁施工中土層超孔隙水壓力的監測工作具有重要的研究價值。

1 孔隙水壓力的監測

1.1 孔隙水壓力概念

依據土體的三相組成，在飽和土體中僅由固體及液體兩相組成，固體即土粒顆粒、土骨架，液體即顆粒間的孔隙水。沉樁過程中，土的體積被樁的體積所置換，土顆粒間出現擠壓，一部分土體發生塑性破壞，此時土體主要承受兩部分外力作用：顆粒間應力及孔隙水壓力[2]。顆粒間應力主要通過顆粒間的接觸面傳遞應力，由土體骨架承擔；孔隙水壓力則是通過孔隙水傳遞，但孔隙水壓力僅可承受法向應力，而無法承受剪應力。

孔隙水壓力根據產生的機理主要分為靜孔隙水壓力及超孔隙水壓力[3]。靜孔隙水壓力是普遍存在飽和土體中的一種力，是由穩定土體中的靜水位自重引起的，不隨時間的變化而變化；而超孔隙水壓力是在受到外力作用或水位急劇變化時土層中產生的一種力，由附加應力引起，固結過程中逐步向有效應力轉換，變化規律與時間有關。

1.2 孔隙水壓力監測方法

孔隙水壓力的監測可采用孔壓靜力觸探試驗或孔隙水壓力計測量[4]。孔壓靜力觸探試驗是在雙橋靜力觸探試驗探頭上加入了水壓力傳感器，適合于軟土及中軟土地區，實踐證明，孔壓靜力觸探試驗探頭的壽命較短、試驗時間長且試驗結果誤差大，一般較少采用；孔隙水壓力計可根據試驗要求選擇埋設的深度及位置，可長時間對孔隙水壓力進行監測，近期振弦式水壓力計使用較多，具有穩定性強、靈敏度高、溫度敏感低、防水性能好等優點，更適合長期的高精度水壓力監測工作。

2 孔隙水壓力監測案例

為了減少超孔隙水壓力對周邊環境及鄰近樁基的影響，通過監測沉樁過程中超孔隙水壓力的變化為后續樁基的施工速度及施工方案提供數據參考。

2.1 項目概況

白鶴灘-浙江±800kV特高壓直流輸電工程受端換流站工程位于浙江省杭州市余杭區塘棲鎮五坑村、唐公村行政區域內，站址北距京杭大運河250m，西側緊鄰順達路，場地東部有村道通過，交通便利。為確定樁基施工方案，選擇場地西北角，進行樁基前期試樁工作，對試驗區內的樁基進行抗壓/水平靜載荷試驗及孔隙水壓力監測，現場試樁位置平面示意圖見圖1。

圖1 現場試樁位置平面示意圖

2.2 地質條件

擬建站址位于浙北平原區的杭嘉湖平原西南部，地貌成因為沖湖積、海積平原。場地地勢相低洼，地形較為平坦，地面高程一般為2.0～4.0m，場地現以菜地和果園為主。場地地層分布較為平穩，上部以第四系全新統湖沼積粉質黏土、海積淤泥質粉質黏土、沖海積黏質粉土和海積淤泥質黏土為主，下部以第四系上更新統沖湖積粉質黏土、海積粉質黏土和沖積成因的圓礫混砂為主。各地基土層性狀及分布自上而下描述見表1。

表1 各地基土層性狀及分布描述

2.3 監測方案

根據監測方案，平面上測試孔宜沿著應力變化最大方向并結合監測對象位置布置，本次試驗擬布置3個點位（SY01、SY02、SY03），孔深45m，分別布置在樁深43m管樁附近，在垂直方向上測點應根據分布特點和地層結構布設，本次試驗每隔5m深度布設一個測點，保證每個布孔每層不少于一個測點，管樁現場試驗檢測布置圖見圖2。

圖2 管樁現場試驗檢測布置圖

采用鉆機成孔，成孔后先向孔內注入高為20cm的粗砂，然后向孔內緩緩放入孔隙水壓力計，再灌入30cm的粗砂，填入黏性土，依次埋設下一個孔壓計，上部用黏性土密封好，孔隙水壓力計引出電纜用套筒保護，探頭和讀數儀通過電纜相連，用于觀測孔隙水壓力計的頻率變化，通過換算得到孔隙水壓力變化情況。

孔隙水壓力計算式如下：

式中：

u——孔隙水壓力，kPa；

k——標定系數，kPa/Hz2；

?i——測試頻率，Hz；

?0——初始頻率，Hz。

在樁基施工前先對孔壓力計進行測讀，在施工過程中進行持續監測，直到孔隙水壓力消散情況恢復到設計要求。

3 監測成果分析與討論

孔隙水壓力試驗的主要目是觀測PHC樁在打樁過程中土層中孔隙水壓力的增加與消散情況，為工程樁施工時提供合理間距與打樁順序。該試驗于2021年3月13日開始于2021年4月5日晚上結束。

3.1 監測成果

現場采用的孔隙水壓力測試儀系常州生產，設備編號SYYT-KY-2021-03。分別對樁基影響范圍內5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m及40m處進行孔隙水壓力監測并計算超孔隙水壓力。SY02孔孔隙水壓力與時間的變化關系及超孔隙水壓力與時間變化關系情況見圖3～圖4。

圖3 SY02孔孔隙水壓力與時間的變化關系

圖4 SY02孔超孔隙水壓力與時間變化關系

3.2 分析與討論

（1）根據沉樁過程中孔隙水壓力及超孔隙水壓力與時間的變化關系可知，開始施工后，場地內各深度處孔隙水壓力均發生變化，且在施工第一天變化最為明顯，隨著樁基施工的進行，場地內孔隙水壓力及超孔隙水壓力逐漸趨于穩定，樁基施工完成后一段時間場地內超孔隙水壓力逐步開始緩慢消散，打樁結束4d后孔壓消散約25%。由于場地內樁側主要土層以滲透性較弱的黏性土及淤泥質土為主，土顆粒間孔隙較小，孔隙水傳遞速度慢，導致擠密效應引起的超孔隙水壓力不易消散，根據國內外學者的研究成果，砂土中超孔隙水壓力消散速度較快，一般于施工完成后1～2d內可消散90%以上，而黏性土中的消散速度較慢[5-6]。

（2）由于不同的樁與孔壓埋設點土層的距離遠近不同，孔隙水壓力的上升幅度亦有區別。根據沉樁過程中樁側土體的受力情況，近樁側位置土層出現塑性破壞，土顆粒重新排列，該處的超孔隙水壓力最大；而在樁側外一定范圍內僅出現部分彈性變形或土層基本不受沉樁的影響，超孔隙水壓力較小或為零。因此，應重視沉樁引起的超孔隙水壓力對周邊環境造成的破壞；按照第一天試驗的試樁結果并結合孔壓測試孔與樁之間的距離可以得知：在打樁間距大于3.8m時土層中超孔隙水壓力與有效覆蓋應力之比一般小于60%，滿足《孔隙水壓力測試規程》要求[7]，確定打樁間距需大于3.8m，在3.8m之內布置有打入樁時，要設置24h以上的間歇期，大規模施工中務必采取隔行跳打；另一方面，根據樁身附近的孔壓測試土層中15m內的瞬時超孔隙水壓力與有效覆蓋應力之比大于規范要求的60%，沉樁過程中需控制好沉樁速率，避免在較短時間內連續打入大量樁，必要時可考慮預鉆孔措施進行排水卸壓。

（3）根據監測結果，打樁過程中超孔隙水壓力最大值為315.3kPa（SY02孔），出現在35.0m深度處，位于5-1（黏土）層及5-2（粉質黏土）層中，距離樁端持力層6（圓礫混砂）約2.0～3.0m；由于樁側除樁端持力層外均為低滲透性土層，層6（圓礫混砂）超孔隙水壓力消散速度較快，沉樁時產生的瞬時超孔隙水壓力在短時間內可消散，造成在該深度處的超孔隙水壓力反而比35.0m的小。因此，宜控制好沉樁速率，在黏性土中不宜過快，在砂性土中可根據工程需要適當增加沉樁速率。

4 結束語

靜壓管樁基礎方案已成為東部沿海地區進行地基處理的首選方案。對于地下水位較低的飽和土層，靜壓樁基施工時易出現較大的超孔隙水壓力，對周邊的建筑物及主要管網的影響較大。本文依托白鶴灘-浙江±800kV特高壓直流輸電工程受端換流站工程前期試樁過程中孔隙水壓力的監測結果，介紹了超孔隙水壓力產生的機理及主要的監測手段，分析了沉樁過程中超孔隙水壓力的影響因素及變化趨勢，以供同行借鑒。