有孔管桩静压沉桩超孔隙水压力消散室内模型试验分析

静压管桩因其质量可靠和施工过程中具有无噪声、无振动、应力小等诸多优点被广泛用于工程中。但静压管桩属于部分挤土桩,在沉桩过程中,桩周土体不仅会产生较大位移,而且会在短时间内形成较高的水压力。有孔管桩通过在桩身开孔能使土中自由水流入管腔,从而减小局部土体位移,加速超孔隙水压力的消散并降低其最大值。本文利用圆孔扩张理论,通过理论公式和工程算例的对比分析,得出有孔管桩沉桩超孔隙水压力随径向距离的增大呈对数衰减,随沉桩速率的加快不断增大,随深度的加深呈递增趋势,随开孔孔径的加大逐渐减小。可对控制管桩挤土效应提供可靠的理论依据。

阐述了有关超孔隙压力的研究现状,基于孔隙水压力相关理论和必要假定,给出了适于工程实际应用的动力沉桩超孔隙水压力时程消散模型,以及用于模型求解的非线性最小二乘迭代法。该模型能够有效模拟空间一点处超孔隙水压力的时程消散过程,模型将整个动力沉桩过程中超孔隙水压力的增加和其后超孔隙水压力的消散过程划分为3个区。该模型可用于预测动力沉桩后超孔隙压力消散到安全限值所需时间,为桩基础施工等提供有益指导。通过华能大庆电厂工程实例进行验证,该模型对于研究超孔隙水压力时程消散问题具有避免过多主、客观因素干扰,便于程序实现,计算过程清晰,结果明确的特点,适于工程实际应用。

基于群桩模型试验,分别对单桩和群桩沉桩时引起的超孔隙水压力的变化情况进行量测,并对超孔压的分布、消散和施工顺序的影响给予分析。试验结果表明:随着沉入土体内桩数的增加,超孔隙水压力不断积累,但累积到一定程度后增幅变缓。沉桩顺序对超孔隙水压力有影响。在水平方向,随着测点至桩轴距离的加大而呈非线性减小,超孔压的影响范围约在5倍桩径内;在桩群范围内,超孔隙水压力沿深度是不断增加的,且外侧增加幅度大于桩群区域。超孔压的消散与土体的渗透性有关,消散要经过一个缓慢的过程,群桩施工时要注意采取能使孔隙水快速排出的措施,以减小沉桩挤土效应。

为了深入研究有孔管桩群桩沉桩引起的超孔隙水压力变化规律,基于室内模型试验,对无孔管桩群桩和3种布孔方式的有孔管桩群桩沉桩时引起的超孔隙水压力进行了监测,分析了沉桩顺序、布孔方式等因素对超孔隙水压力时空消散的影响,获得了无孔管桩群桩和3种布孔方式的有孔管桩群桩沉桩时超孔隙水压力随时间、深度、径向距离和沉桩顺序的变化规律.通过对比分析可知,有孔管桩群桩沉桩产生的超孔隙水压力小于无孔管桩群桩,表明有孔管桩群桩在一定程度上能降低超孔隙水压力,其中星状布孔方式的有孔管桩群桩沉桩产生的超孔隙水压力峰值最小,消散速率最快,最有利于减小沉桩挤土效应,沉桩效应最佳.

基于adina有限元程序和三维biot固结有限元理论,定义桩周土为多孔介质材料,以圆柱形空腔体扩张理论为模型,模拟了一实体工程单桩沉桩过程.考虑实体工程的双面排水条件,计算得到了沉桩完成后桩周初始超孔隙水压力沿桩深度及径向的分布规律,同时计算了桩周土体90d内孔隙水压力的消散状况.在此基础上,对桩周土因超孔隙水压的消散引起的再固结沉降进行了计算分析,得出的结果与实测结果进行了比较.研究结果表明,考虑弹塑性本构关系和三维渗流固结的有限元模型能较好地模拟沉桩引起的超孔隙水压及其消散过程.

结合中电工程海盐风电场项目试桩实体工程，通过沉桩过程中地表沉降、地基土体超孔隙水压力的现场试验研究，获得了挤土桩沉桩过程中地表变形规律、地基土体超孔隙水压力的增长、消散特征。在临近建筑物保护区域内沉桩须充分考虑沉桩顺序和速率等重要参数。

基于圆孔扩张理论,从空间角度（径向距离r和深度z）对有孔管桩沉桩过程产生的超孔隙水压力进行了分析,得到静压有孔管桩的超孔隙水压力空间解析解。通过理论计算和数值模拟的对比,验证得到：同一深度处,静压有孔管桩的超孔隙水压力会随径向距离的增大而减小;相同径向距离处,超孔压随深度的增加而增大。研究结果能为有孔管桩技术设计、开发及工程应用研究提供可靠的依据。

黏性土的孔隙水压力消散试验与模型试验的研究——在室内静三轴试验的基础上进行改进，研究土的孔隙水压力消散情况。并设计强夯模型试验，研究土在不同压力下的渗透系数和土的孔隙水压力消散情况。

为探索减轻静压沉桩效应不利影响的新途径,提出了一种有孔管桩技术。基于flac3d软件建立的模型,比较分析了静压无孔管桩和星状对穿有孔管桩沉桩过程超孔隙水压力的变化情况。模拟分析结果表明：静压沉桩过程中有孔管桩超孔隙水压力的最大值小于无孔管桩超孔隙水压力的最大值,证明了有孔管桩有利于超孔隙水压力消散,从而为有孔管桩技术设计、开发及工程应用研究提供可靠的依据。

排水粉喷桩—2d工法即粉喷桩联合塑料排水板软基处理工法,在施工工艺上有独特之处。文章通过引入等效水头的原理,利用自由井的理论,推导了粉喷桩体施工结束后,在塑料排水板的作用下,桩周土体超静孔隙水压力随时间的消散规律。现场试验结果与理论计算结果基本一致,证明其理论计算能够用于实际工程。

某厂房地基由于软土层较厚,在大面积沉桩施工时引起较高的土体压应力和超静孔隙水压力。试验区基坑开挖后发现桩头有上浮及偏移现象,若不采取有效措施则必然导致基坑开挖失稳及整个桩基的承载力下降。通过设置间距合理的竖向排水体进行治理及现场监测,最终保证了桩基及整个基坑开挖的安全。

软粘土层深厚的地区进行预制桩沉桩施工将产生超静孔隙水压力的累积,过高的超静孔隙水压力会使周围土体及建筑、地下管线等产生较大的变位,甚至产生破坏。结合实际工程,介绍了沉桩施工所引起超静孔隙水压力变化的原型试验。试验表明,单桩沉桩显著影响范围可达15m,沉桩引起的超静孔隙水压力水平可以达到甚至超过上覆有效土压力,并出现两个不同的相对稳定水平阶段。

基于terzaghi-rendulic二维固结理论,将土体视为饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有圆环(隧道)的半无限空间区域映射为圆环域,建立衬砌在不透水的情况下隧道周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。采用分离变量法对该控制方程进行求解,得到处于饱和弹性土体中隧道周围土体超孔隙水压力消散的解析解。结合算例分析不同隧道埋深的情况下隧道顶部及水平向超孔隙水压力随时间变化的情况,以及埋深一定时隧道上方土体超孔隙水压力的变化规律。研究结果表明:隧道埋深越深,周围土体中超孔隙水压力的消散速度越慢;在开始阶段超孔隙水压力消散速度较快,随着时间的推移消散速度逐渐减慢;隧道周围土体水平向超孔隙水压力的消散速度要比竖向的消散速度快;隧道上方土体距离隧道越近,超孔隙水压力的消散速度越快。

管桩沉桩过程中孔隙水压力的产生与消散过程对桩承载力变化分析具有重要意义,在饱和软粘土中孔隙水压力消散比例与桩的承载力提高比例是同步的,研究沉桩前后孔隙水压力的变化对工程实践很有帮助。本文综述前人研究的工作成果并在此基础上,采用多种方法对工程算例进行计算并对结果和影响因素等进行分析,提出各种理论的差异以及工程应用的一些建议。

根据控制沉降设计理论,采用疏化桩间距的方法,在某高速公路深厚软基处理中设计并使用了带帽ptc管桩。本文探讨了ptc管桩在高速公路深厚软土地基处理中的适用性,介绍了ptc管桩的施工工艺及技术要求,现场监测了ptc管桩静压桩施工过程中产生的超孔隙水压力,并对监测数据进行了分析。为避免静压桩过程产生超孔隙水压力对周围环境的不良影响,提出了消除超孔隙水压力的一些措施,同时应用辩证观点,分析了可利用超孔隙水压力消散的有利条件,达到深厚软基二次固结处理的目的。

饱和粘土中单桩沉桩引起的超孔隙水压力分析——以圆柱孔扩张理论为基础，通过实测资料的分析，探讨了沉桩时单桩周围土中产生的超孔隙水压力的大小、分布及影响范围，得出了单桩沉桩后土体中沿径向及深度方向的超静孔隙水压力规律，并与理论解进行了对比。

以圆柱孔扩张理论为基础,通过实测资料的分析,探讨了沉桩时单桩周围土中产生的超孔隙水压力的大小、分布及影响范围,得出了单桩沉桩后土体中沿径向及深度方向的超静孔隙水压力规律,并与理论解进行了对比。

软粘土层深厚的地区进行预制桩沉桩将产生超静孔隙水压力的累积,过高的超静孔隙水压力使周围土体及建筑、地下管线等产生较大的变位,甚至产生破坏。以一次沉桩引起的超静孔隙水压力的原型试验,表明,单桩沉桩显著影响范围可达15m,沉桩引起的超静孔隙水压力水平可以达到甚至超过上覆有效土压力,并出现两个不同的相对稳定水平阶段。

采用大型恒刚度直剪仪,系统研究超孔隙水压力对黏性土中桩土界面剪切性能的影响。根据制定的测试超孔隙水压力方案,对4个粗糙度等级(混凝土表面锯齿状峰谷距为0、2、4、6mm)的不同含水率黏性土中桩土界面在不同剪切速率下进行剪切试验。针对界面粗糙度、黏性土含水率、剪切速率3个变化参数对界面抗剪强度的影响进行分析。结果表明:界面粗糙度越大,界面超孔隙水压力越小,有效法向应力越大,黏性土颗粒与混凝土表面吸附性越大,桩土界面抗剪强度越大；黏性土含水率越大,界面超孔隙水压力越大,有效法向应力越小,黏性土颗粒与混凝土表面吸附性不能完全发挥,桩土界面抗剪强度反而减小；在剪切速率0.4～1.0mm/min范围内,剪切速率越大,界面超孔隙水压力增幅较小,有效法向应力变化不大,桩土界面抗剪强度虽有减小,但不同剪切速率下超孔隙水压力对桩土界面抗剪强度的影响不明显。

结合宁波轨道交通4号线东钱湖车辆段竹节桩复合地基处理试验段沉桩施工,开展了土体中超静孔压现场测试,并在考虑竹节桩竹节间空隙对竖向超静孔压分布影响的基础上,推导建立了竹节桩沉桩引起的竖向孔压离散化计算公式。利用建立的离散化计算公式对2m桩间距试验工况的孔压进行计算,并将计算结果与测试结果进行对比,结果表明:计算结果与实测结果较为吻合,考虑竹节空隙影响的竖向超静孔压计算理论可以较好获得竹节桩沉桩施工引起的超静孔压,可为竹节桩的设计和施工提供依据。

根据桩、锥在软黏土中贯入的特点,用小孔扩张理论模拟其贯入过程,推导出桩、锥贯入时产生的超静孔隙水压力解析式.基于该解析解,研究了贯入过程中桩和孔压静力触探探头在对应位置产生的孔隙水压力之间的理论关系.孔压静力触探试验成果、理论计算值与现场桩周孔隙水压力监测数据对比分析结果表明,利用孔压静力触探试验预估沉桩瞬时产生的孔压在理论上和工程实践中都是可行的.

静压桩沉桩过程中,超孔隙水压力会对周围环境造成影响。为了研究超孔隙水压力大小及随时间变化规律,结合工程实例进行超孔隙水压力监测试验,发现每天只观测一次孔隙水压力,不能准确反映超孔隙水压力的变化规律;就单根桩而言,超孔隙水压力最大值出现在拔送桩筒至孔隙水压力计埋设深度处;超孔隙水压力随着离开桩的距离而衰减,其有效影响半径为15m左右;压桩速率可以通过其产生的孔隙水压力和上覆土层自重应力的比值来控制。