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靜壓沉樁和傳統沉樁工法對超孔壓的影響

靜壓沉樁工法因其施工環境影響小在城市中獲得了越發廣泛的應用。為了進一步量化靜壓沉樁和傳統沉樁工法對超孔壓的影響。該研究采用室內模型試驗,研究了飽和砂中靜壓沉樁和錘擊沉樁對砂土中超孔隙水壓力的影響。同時采用離散元軟件模擬了靜壓沉樁時,不同沉樁速度對超孔壓的影響。通過對比模型試驗發現,錘擊沉樁產生的超孔壓是靜壓沉樁的3~9倍。通過數值模擬發現,靜壓沉樁速度越慢,則靜壓沉樁產生的超孔壓越小。 

  1.引言 
 
  隨著工程技術的發展,樁基在建築領域中獲得了越來越廣泛的應用。然而,傳統的沉樁工法引起了一些嚴重的環境問題。其中包括對相鄰建築物的破壞,對地下管線的影響以及對城市居民的噪音汙染1~3。因此,傳統的沉樁工法在城市中尤其是人口密集的城區,受到了較為嚴格的限製。由日本引入的靜壓沉樁工法,具有施工效率較高,對周圍環境的影響小4等優點,因此,相較於傳統的錘擊沉樁等沉樁工法,靜壓沉樁得到了愈加廣泛的應用。 
 
  土體中的孔隙水壓力對土體的性質有很大的影響,同時,引起的超孔壓以及沉樁完成後超孔隙水壓力的消散對於樁體的承載力有一定的影響。許多學者5在其研究中發現,隨著沉樁引起的超孔壓的消散,單樁的承載力有一定的提升。研究靜壓沉樁對土體中超孔壓的影響對於研究樁基承載力的時間效應有一定的指導意義。 
 
  靜壓沉樁因其對環境的影響較小而得到廣泛的應用,本文通過對比錘擊沉樁對孔壓的影響,進一步量化靜壓沉樁工法相較於傳統的沉樁工法對環境的影響。 
 
  2.試驗介紹 
 
  2.1試驗儀器介紹 
 
  模型試驗在自主設計的室內模型箱中進行。模型箱的尺寸為1m×1m×0.9m(長×寬×高)。在模型箱的上部設置了一個反力梁提供壓樁反力。采用油壓式千斤頂提供壓樁力。在模型箱的內部墊了一層隔水膜,防止由於模型箱的漏水對試驗效果產生不良影響。 
 
  所采用的鋁製模型樁直徑為37mm,長度為600mm。千斤頂勻速地將模型樁壓入到土體之中。砂土采用分層飽和法進行製備,填砂到一定深度的時候暫停填土,然後進行微型孔壓計的布設。微型孔壓計沿深度方向布設了五層,深度分別為125mm,250mm,375mm,500mm,550mm;距離樁身表麵的徑向距離分別為1D,2D,3D,5D (其中D為模型樁的直徑)。 
 
  2.2試驗砂土的性質 
 
  試驗開始前對試驗用砂進行了顆粒分析試驗。 
 
  從篩分曲線可知試驗用砂為中細砂。篩分曲線較陡,粒徑大小相差不大,土粒較均勻,級配不良。 
 
  2.3試驗過程介紹 
 
  本模型試驗利用埋設在飽和砂中的微型孔壓計分別記錄了靜壓沉樁過程以及錘擊沉樁過程的超孔隙水壓力產生的規律。利用美國I555型準動態數據采集儀進行數據采集,I555型數據采集儀保證了試驗數據采集的可靠性。
 
  3.試驗結果及分析 
 
  試驗過程記錄了各個測點處超孔壓的峰值,靜壓沉樁引起的飽和砂土中超孔壓峰值的雲圖。 
 
  根據實驗結果發現超孔壓峰值沿徑向先增大後減小,最值發生在距樁身表麵徑向距離r=2D處。 
 
  在錘擊沉樁下,埋深為500mm,距離樁身徑向距離為r=3D處的測點處記錄了超孔壓產生規律。 
 
  根據實驗數據發現,錘擊沉樁時,砂土中的超孔壓急劇增加到一個值,隨著沉樁深度的增加,超孔壓緩慢增加。 
 
  為了量化靜壓沉樁和錘擊沉樁對超孔隙水壓的影響程度,對比分析了錘擊沉樁和靜壓沉樁在相同測點處引起的超孔壓數值大小。實驗分別記錄了埋深為250mm,375mm以及500mm處的靜壓以及錘擊沉樁在飽和砂中引起的超孔隙水壓力沿徑向的分布。 
 
  從數據中可見,錘擊沉樁引起的超孔壓約是靜壓沉樁引起的超孔壓的3~9倍。據此認為靜壓沉樁對砂土中孔壓的影響要遠小於錘擊沉樁所引起的超孔壓。 
 
  4.數值模擬 
 
  靜壓沉樁工法是一個相對較新的工法,靜壓沉樁速度對土體中超孔壓的研究一定程度上可以指導靜壓樁的施工。本文通過離散元研究了沉樁速度對超孔壓的影響規律。有學者6等學者認為孔隙壓力的變化值同一定土體體積的減小值呈正比。
 
基於此原理,本文利用離散元進行了幹砂條件下的數值模擬,通過監測對應土體處的孔隙的變化從而達到監測超孔壓變化的目的。對於離散元,不能夠精確的給出某一點處的孔隙率的變化,而是采用以測點為圓心,以樁徑為直徑的圓的範圍內土體的平均孔隙率近似表達所研究測點處的孔隙率。 
 
  4.1模型簡介 
 
  由於離散元計算耗費大量的機時,按照實際模型的1/20進行數值模擬建模。模型試驗的樁長為600mm,沉樁深度為570mm,樁徑為37mm,填砂深度為80cm;據此離散元模擬的樁長為30mm,沉樁深度為28.5mm,模型樁徑為1.85mm。 
 
  4.2模擬結果 
 
  對1cm/s和2cm/s的沉樁速度進行對比性模擬研究,模擬特別監測了埋深為25mm,徑向距離r=2D測點處的孔隙率隨沉樁深度的變化。從模擬結果可見沉樁速度越快,孔隙率越小,則產生的超孔壓越大。 
 
  5.結論 
 
  本文通過室內模型試驗,在飽和砂中進行了靜壓沉樁和錘擊沉樁,監測了不同沉樁工法下的超孔壓變化情況。同時采用離散元模擬了不同沉樁速度對超孔壓的影響。主要的結論如下。 
 
  1、 靜壓沉樁引起的超孔壓沿徑向方向先增大再減小,最值在距樁身徑向距離為r=2D處產生。 
 
  2、 錘擊產生的超孔壓大小是靜壓沉樁所產生的超孔壓的3~9倍。 
 
  3、 沉樁速度越快,靜壓沉樁引起的超孔壓越大。