H型护岸桩沉桩产生的超孔压及水平位移计算.pdf

第 40 卷 第 2 期2023 年 6 月 河 北 工 程 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Hebei University of Engineering(Natural Science Edition)Vol.40 No.2 Jun.2023收稿日期:2022-10-10基金项目:国家青年科学基金资助项目(51608152)作者简介:刘世旭(1997-),男,山东潍坊人,硕士研究生,主要研究方向为软基处理与基础工程。通讯作者:吴跃东(1969-),男,福建漳州人,博士,教授,从事岩土工程和人工智能交叉学科方面的教学和科研工作。文章编号:1673-9469(2023)02-0036-08DOI:10.3969/j.issn.1673-9469.2023.02.006H 型护岸桩沉桩产生的超孔压及水平位移计算刘世旭,吴跃东,刘 坚(河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098)摘要:H 型桩由于特殊的截面形式,打桩过程引起的挤土效应特征不能简单地采用管桩的挤土规律代替。因此基于湖嘉申二期工程现场试验数据,研究其沉桩引起的超孔隙水压力和土体位移规律,通过修正的圆孔扩张模型考虑 H 型桩在扩孔时的特殊性,推导出适合 H 型桩的矩形孔扩张的计算公式。用该公式对沉桩产生的超孔压及土体位移进行计算,并与其他方法进行对比。结果表明,修正后的扩孔模型在计算 H 型桩的超孔压和土体位移方面充分考虑到孔隙水压力沿深度线性变化的特点,结果更加接近实测数据。关键词:H 型桩;挤土效应;现场试验;孔隙水压力;土体位移;修正扩孔模型中图分类号:TU753.3文献标识码:A Calculation of Excess Pore Pressure and Horizontal Displacement Caused by H-shaped Revetment Pile SinkingLIU Shixu,WU Yuedong,LIU Jian(College of Civil Engineering and Transportation,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China)Abstract:Due to the special cross section of H-shaped piles,the characteristics of soil compaction effect caused by pile driving cannot be simply replaced by the soil compaction law of pipe piles.There-fore,based on the field test data of Hujiashen Phase II project,this paper studies the laws of excess pore water pressure and soil displacement caused by pile sinking.Based on the modified circular hole expansion model,a calculation formula for rectangular hole expansion suitable for H-shaped piles is de-rived considering the particularity of H-shaped piles during hole expansion.The formula is used to cal-culate the excess pore pressure and soil displacement caused by pile driving,and compared with other methods.The results show that the modified expanded hole model fully considers the linear variation of pore water pressure along depth in calculating the excess pore pressure and soil displacement of H-shaped piles,and the results are closer to the measured data.Key words:H-shaped pile;soil squeezing effect;field test;pore water pressure;soil displacement field;modified reaming model H 型预应力混凝土护岸桩是新研发的专用于江河湖海岸堤防护的新产品。其正截面为 H 形,受力特性好,岸堤生态环保。但是其沉桩过程采用静压法和锤击法,不可避免带来挤土效应问题。H 型桩沉桩的过程,可以看作是土体单元受到不排水的剪切挤压的过程。在饱和软土中会产生很高的超孔隙水压力,当超孔隙水压力达到一定数值时,土体中某一方向有效应力可能出现负值。影响桩基的承载力,甚至威胁邻近结构的安全。除此以外,桩体和土体发生了一定程度上的体积置换,被置换出去的土体向不同的方向发生运动,土体位移也会随着桩的打入而不断发生变化1。因此,研究 H 型桩沉桩时产生的超孔隙水压力和土体位移,对分析其沉桩过程对周边环境的影响具有重要意义。第 2 期刘世旭等:H 型护岸桩沉桩产生的超孔压及水平位移计算37 表 1 各土层物理力学性质Tab.1 Physical and mechanical properties of each soil layer层号 名称含水率/%湿密度/(gcm-3)孔隙比e弹性模量Es/MPa粘聚力c/kPa内摩擦角/()-1-2-1-2-1素填土粉质粘土粉质粘土粉质粘土粉土26.730.933.928.527.31.911.891.861.881.940.7980.8920.9640.8460.7895.295.404.629.046.2136.034.921.310.342.915.013.19.425.214.4 目前关于桩的挤-土效应研究已经比较广泛,雷华阳等2通过 PHC 管桩的现场沉桩试验,发现沉桩过程中超孔隙水压力随距桩心距离的增加而近似呈线性规律衰减。张建新等3设计了 9 根群桩施工挤土效应分析模型试验,从微观上发现了较为明显的挤土效应。魏丽敏等4采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)有限元法分别建立单桩模型、预钻孔单桩模型、压入桩和隔离桩并存的双桩模型,研究桩周土体位移场变化规律。理论计算上,目前应用最广泛的是圆孔扩张法。其又可分为球孔扩张理论和柱孔扩张理论 5-6。Rnadolph 等7利用圆孔扩张法和剑桥模型,运用数值分析计算出了管桩附近及稍远处土体的孔隙水压力。Sagaseta等8也使用了圆孔扩张法,研究了沉桩期间和沉桩后的土体的竖向位移。综上,前人的各种研究主要是针对管桩的挤土问题。本文在圆孔扩张模型的基础上进行推广,设计出适用于 H 型桩的修正矩形扩孔模型,并与圆孔扩张模型和极限平衡法计算结果进行对比,分析其优越性。1 现场试验1.1 工程概况 H 型预应力混凝土生态护岸桩湖嘉申线二期试验段设计,位于湖嘉申线二期新建曾家畈桥西侧航道左岸,全长 450 m。工程拟加固护岸共301.66 m。加固护岸封边共计 1 个,如图 1 所示。图 1 护岸平面示意图Fig.1 The schematic plan of revetment拟建工程地属杭嘉湖冲湖积平原,地势平坦低洼,自然地表面高程 1.263.76 m。土层分布主要为:-1 素填土,以黏性土为主,层厚 2.02.4 m,主要分布在地表。-2 粉质粘土:土质均匀,层厚 3.9 4.6 m,顶板埋深 2.0 2.4 m。-1 粉质粘土:可塑,层厚 2.7 3.2 m,顶板埋深 6.36.8 m。-2 粉土:层厚 6.9 m,顶板埋深 9.5 m。-1 粉质粘土:硬塑。层厚大于 3.6 m,顶板埋深 16.4 m。各土层具体物理力学性质见表 1。1.2 试验布置 现场的 H 型桩长为 8 m,截面为 300 mm500 mm,H 型护岸桩挤土效应的监测要素主要包括孔隙水压力和土体水平位移的量测。现场仪器和孔隙水压力的监测位置如图 2、图 3 所示。图 2 现场仪器布置示意图(单位:mm)Fig.2 The layout position of field instrument(unit:mm)在距离岸边 2.4 m 处布置第一个孔隙水压力量测处,记为 U1;在距离岸边 5.3 m 处布置第二个孔隙水压力量测处,记为U2。沉桩期间,在预设的19 根桩打桩时,每打一根桩,进行一次孔隙水压力的量测。土体水平位移的监测使用测斜管,由于原护岸的存在,无法在 H 型护岸和原护岸之间钻孔打设测斜管,故在距离 H 型护岸 2 m 处埋设测斜管,孔位测点编号记为 CX1,测斜管埋深 14 m。从 0.5至 14 m,每隔 0.5 m,记录每一深度处具体的土体水平位移。土体水平位移的初始值取护岸施工之38 河 北 工 程 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年图 3 孔隙水压力布置示意图Fig.3 The layout position of pore water pressure前 1 天读数,施工当天共测量三次,在正对测斜管的 9 号桩沉桩期间,控制沉桩速率,测量各深度处的土体水平位移;沉桩完成后,每天测量一次,直至变化微小甚至不变。1.3 现场试验结果1.3.1 孔隙水压力分布H 型桩的挤土效应是一个三维空间问题,在圆孔扩张理论中9-13,假设土体各向同性,且为一种理想的弹塑性体,把复杂的沉桩问题简化为对称的平面应变问题,降低了求解难度。而简化为一维的小孔扩张问题,难以考虑深度方向的参数变化规律。为考虑这个问题,在排桩打入期间进行持续测量,得到测点 U1 和测点 U2 在各桩打入时不同深度处的孔隙水压力的变化情况。图 4、图 5 分别为沉桩当天,各桩单独贯入之后,孔隙水压力沿深度的变化情况。首先对比两测点的孔隙水压力,U1 测点各深度处的孔隙水压力普遍大于 U2 测点,说明 H 型桩沉桩时对近处土体的扰动更为明显,这与径向距离越远挤土效应越不明显的规律相吻合2。图 4、图 5 中孔隙水压力随深度表现出良好的线性关系。地表下 2.4 m为素填土和粉质粘土的交界处,打桩当天,地下水位维持在-0.74 m 左右,因此粉质粘土层完全在地下水位以下。而粉质粘土层的孔隙水压力随深度的增加而线性增加,这说明打桩当天挤土效应引起的超孔隙水压力也近似呈线性关系。引入 Hen-kel 孔隙水压力计算公式:u=0+0(1)式中:0为八面体法向应力增量,0为八面体剪应力增量,和 为 Henkel 孔隙水压力系数。式(1)表明,土体中的孔隙水压力取决于法向应力和剪应力,超出的那部分孔隙水压力则与应力的增加量相关,而应力的增加量又与桩周的土体所受到的挤压力相关,如果把沉桩入土的过程图 4 U1 测点沉桩当天不同深度孔隙水压力变化图Fig.4 Changes of pore water pressure at different depths on the day of pile sinking at measuring point U1图 5 U2 测点沉桩当天不同深度孔隙水压力变化图Fig.5 Changes of pore water pressure at different depths on the day of pile sinking at measuring point U2看作对土体的横向挤压,根据朗肯土压力公式,在粘性土中:a=zka-2cka(2)式中:ka主动土压力系数,ka=ta