0 引言

静压桩具有施工噪音低、振动小、施工效率高、环境污染小等优点，在城市建设中逐渐被推广应用^[1-3]。近年来，众多学者通过室内模拟试验、现场足尺试验以及理论计算等研究方法对静压桩沉桩过程中引起的孔隙水压力和超孔隙水压力进行了一系列的研究^[4-8]。在室内模拟试验方面：Azzouz等^[9]采用PLS (piezo-lateral stress)装置进行了黏性土中的沉桩模型试验，探讨了沉桩过程中孔隙水压力的变化特征，此装置测得的孔隙水压力值与应力路径法的计算值相近，但与球孔扩张法的计算值相差较大；李林等^[10]基于K₀(静止土压力系数)-MCC(修正剑桥模型)本构模型推导出了孔隙水压力和超孔隙水压力的计算方法，并通过室内离心模型试验进行验证，分析了均质黏性土中沉桩过程中孔隙水压力的分布特征，并发现孔隙水压力随桩的入土深度呈线性增加，而超孔隙水压力在径向方向呈对数形式衰减；李镜培等^[11]利用静力触探仪结合离心试验模拟了沉桩过程，得到了均质黏性土中锥肩孔隙水压力的变化规律，分析了锥肩孔隙水压力随固结时间消散的规律，并探讨了均质黏性土中锥肩孔隙水压力的消散对桩基承载力的影响。在理论研究方面：赵明华等^[12]假定沉桩过程是一个平面圆孔扩张问题，结合修正的剑桥模型，给出了软黏土中沉桩过程后初始时刻超孔隙水压力沿桩径分布的解析函数，推导出了桩周土中超孔隙水压力消散的级数解答，并通过算例验证了在黄色黏土地基中该方法的合理性；李镜培等^[13]将静压沉桩过程近似看作柱孔不排水扩张问题，基于修正剑桥模型，推导得出柱孔扩张引起超孔压的基本解答，分析了桩周土体超静孔隙水压力随时间和空间的演变规律，揭示了应力历史、径向和竖向固结系数以及剪切模量等因素对初始超孔压的产生和随后的固结速率的影响规律；李镜培等^[14]基于修正剑桥模型，推导出了饱和结构性黄土中不排水柱孔扩张问题的弹塑性解，得到了孔周塑性区内孔隙水压力值，但该方法仅适用于饱和结构性黄土中。上述学者主要是对均质土层^[15-17]中静压沉桩过程中桩周土体和桩端处孔隙水压力的变化规律进行研究，在研究过程中均未考虑层状黏性土地基中静压桩沉桩过程引起的孔隙水压力变化特性。

近年来，岩土工程界诸多学者通过现场试验研究静压桩沉桩过程引起的孔隙水压力变化特性。Hwang等^[18]通过在桩周土体中埋设孔隙水压计，监测沉桩过程中桩周土体中孔隙水压力的变化规律，试验表明桩周土体中孔隙水压力的变化与桩的贯入过程密切相关；但此方法仅适用于分析桩周土体中孔隙水压力的变化特性，不能反映桩土界面处孔隙水压力的变化规律。唐世栋等^[19]通过在现场距桩身不同间距处以及不同深度处埋设孔隙水压力计，通过试验发现超孔隙水压力随距桩径向距离的增大呈对数形式衰减；但其未分析超孔隙水压力沿深度方向上的分布特性。张忠苗等^[20]通过现场试验，对静压桩沉桩过程引起的挤土效应进行了成功监测，分析了静压桩贯入过程中在不同深度和距桩身不同位置处孔隙水压力的变化规律，探讨了沉桩过程引起的孔隙水压力的影响范围和在场地两侧开挖应力释放孔能够有效减小孔隙水压力的影响。鹿群等^[21]通过现场试验对静压桩沉桩过程中桩周土体超孔隙水压力进行观测，分析了桩周土体超孔隙水压力的分布情况和其随时间变化的规律，并发现了静压桩的施工受打桩顺序的影响较大。综上所述，目前现场试验均采用在桩周土体不同深度处埋设孔隙水压力计，监测沉桩过程中引起的孔隙水压力变化特性，现有研究方法均未得到桩土界面处孔隙水压力的变化值，无法深入探讨桩土界面处真实的孔隙水压力变化特性。

为此，本文通过现场试验，静力压入安装了硅压阻式孔隙水压力传感器的PHC (pre-stressed high-strength concrete)管桩，探讨了贯入过程中桩土界面处孔隙水压力的变化规律，对沉桩过程中桩土界面处孔隙水压力沿深度方向上的变化规律进行了分析，以揭示层状土中静压桩贯入过程中桩土界面孔隙水压力的变化特性。

1 试验方案 1.1 工程概况

试验场地位于山东省东营市河口区湖滨路以西、河兴路以北。地貌单元属于黄河三角洲第四纪冲积平原，表层覆盖0.9~5.3 m厚的回填土，场地内主要分布粉质黏土层和粉土层。地下水位埋深为0.3~3.0 m。根据室内土工试验和现场原位测试结果，各层土的物理力学性质指标参数值见表 1。

1.2 试验桩与孔隙水压力传感器安装

本次试验采用免蒸压生产的PHC管桩，管桩外径(D)为400 mm，壁厚为95 mm，单节桩长为12 m，桩端形式为闭口。

本次试验为精确获取沉桩过程中桩土界面处的孔隙水压力，在桩身表面安装硅压阻式孔隙水压力传感器，传感器的性能指标如表 2所示。

在试验桩上共设置6个测量断面，自桩端至桩顶，测量断面的间距分别为1.0D、2.0D、4.0D、8.0D、12.0D，传感器编号依次为1#—6#，其中1#传感器中心距桩端的距离为0.5D(20 cm)，以消除沉桩过程中桩端端头板对传感器的影响。传感器设置示意见图 2。传感器安装之前，在实验室内对传感器进行精度标定，遴选出符合精度要求的传感器。沉桩之前，需向孔隙水压力传感器表面的透水石中注满水，用水浸泡24 h，以排除透水石中的空气。传感器安装过程如图 3所示。

1.3 沉桩过程及数据采集

试验桩的压入采用湖南山河系列液压静力压桩机，沉桩速率为1.800 ~3.000 m/min，最大行程为1.8 m。在沉桩初期由于贯入阻力较小，沉桩速率略大，后期随着贯入深度的增大，沉桩阻力逐渐增大，沉桩速率随之减小。按照Bond等^[22]规定，贯入速率大于0.600 m/min为快速贯入，贯入速率为0.005~ 0.100 m/min为慢速贯入，因此，本次试验沉桩过程均属于快速贯入。沉桩过程中以桩长作为终压控制标准。本次试验数据使用CF3820高速静态信号测试分析仪采集，可实现6通道同时动态采集，采集频率为100 Hz。

2 试验结果分析 2.1 桩土界面孔隙水压力

通过硅压阻式孔隙水压力传感器读取的数据以及传感器的入土深度，绘制出了沉桩过程中桩-土界面处孔隙水压力随传感器土入深度的变化曲线，如图 4所示。

由图 4可知，1#—6#传感器孔隙水压力具有相同的变化规律，即随着传感器贯入深度的增加，孔隙水压力呈增大趋势，其增长幅度随土层的变化而不同。以距桩端最近处的1#传感器为例，分析孔隙水压力随贯入深度的变化规律。由工程场地勘察报告可知，试验区的地下水位位于地表以下1.0 m左右，所以在0.0~1.0 m之间孔隙水压力较小，接近于0.00 kPa。当桩身继续贯入，桩端位于地下水位以下时，孔隙水压力急剧增大，这说明桩端处发生剪切破环时土体被挤压扩张，导致孔隙水压力急剧增大。桩身继续贯入，当桩端位于4.0~5.0 m及7.0~10.7 m时，孔隙水压力的增幅大于桩端位于其他位置时的增幅。这是因为4.0~5.0 m及7.0~10.7 m是粉质黏土层而其他土层为粉土层，粉土层的渗透性较大，有利于孔隙水的消散与排除，而粉质黏土层的渗透性较差，不利于孔隙水的消散和排除；所以当桩端在粉质黏土层中贯入时孔隙水不易消散致使孔隙水压力增大得较快，而桩端在粉土层贯入时孔隙水消散较迅速使孔隙水压力增大得较慢。这与张忠苗等^[23]通过现场测试发现的规律相一致。

在土层分界处可以发现，当孔隙水压力传感器由粉土层贯入到粉质黏土层时，传感器在即将贯入到粉质黏土层时孔隙水压力出现增大现象。从图 4可以看出: 粉土层与粉质黏土层交界面的埋深为3.9 m处，传感器位于3.7 m粉土层时孔隙水压力出现明显的增大现象；同样，在埋深7.0 m粉土层与粉质黏土层交界面处也存在此现象。而当孔隙水压力传感器由粉质黏土层贯入到粉土层时，孔隙水压力变化规律不明显。从图 4可以看出，在粉质黏土层与粉土层交界面的埋深为5.2 m处，传感器位于4.9 m粉质黏土层时孔隙水压力出现减小现象，但在10.7 m粉质黏土层与粉土层交界面处，孔隙水压力减小现象不明显；说明土层交界面处孔隙水压力的变化规律还需进一步研究。

通过以上分析可知，现场静力压入沉桩时，桩-土界面的孔隙水压力并不像室内模拟试验呈线性增长，而是其增长幅度随土层的变化而变化。在同一贯入深度处，随着沉桩过程的进行，传感器测得的孔隙水压力逐渐减小；这是因为桩的贯入过程中桩身与桩侧土不断地发生剪切，在剪切过程中排水通道增加，从而有利于孔隙水的消散，表现为同一贯入深度处，随着桩身的贯入孔隙水压力逐渐减小。在土层分界面处：桩端由粉土层贯入到粉质黏土层时，桩端位于分界面之上，孔隙水压力就出现明显的增大现象；当桩端由粉质黏土层贯入到粉土层时，孔隙水压力无明显变化。说明在土层分界面处，孔隙水压力的变化与分界面上下土层土体的渗透性有关^[20]。

依据图 4孔隙水压力的分布图，得到了在不同深度且不同土层(在不同土层各取一个深度)中各传感器测得的孔隙水压力，如图 5所示。

图 5更加直观地表明，在同一深度处随着沉桩过程的进行，1#—5#孔隙水压力传感器测得的孔隙水压力值逐渐减小，表现出明显的孔隙水压力消散过程。其中：当传感器入土深度为5.8 m时，1#—5#传感器测得的孔隙水压力值的大小依次为98.78、75.21、70.09、63.16、58.55 kPa；当传感器入土深度为7.5 m时，1#—4#传感器测得的孔隙水压力值大小依次为115.27、106.74、88.38、85.32 kPa。传感器入土深度为5.8 m位于粉土层时，1#与4#传感器测得的孔隙水压力减小值为35.62 kPa；而入土深度为7.5 m位于粉质黏土层时，1#与4#传感器测得的孔隙水压力减小值为29.95 kPa。这表明粉土层中孔隙水压力的消散程度明显大于粉质黏土层，进一步说明粉土层的渗透性明显高于粉质黏土层，粉土层更有利于孔隙水的消散。

2.2 超孔隙水压力

由硅压阻式孔隙水压力传感器测得的孔隙水压力以及静水压力，可计算得出沉桩过程中的桩-土界面处的超孔隙水压力，由此绘制出贯入过程中桩-土界面处超孔隙水压力随传感器贯入深度的变化曲线，如图 6所示。

图 6反映了静压桩贯入过程中桩-土界面处超孔隙水压力随贯入深度的变化曲线，可以看出其变化形式并不是线性增加，而是呈一定的波动性。在4.0~5.5 m范围内以及7.0~10.7 m范围内超孔隙水压力急剧增大，这是因为在4.0~5.5 m以及7.0~10.7 m范围内是粉质黏土层，粉质黏土层的渗透性较小，孔隙水比较难消散，在沉桩过程中超孔隙水压力增长较快；而在5.5~7.0 m范围内以及在10.7~12.0 m范围内，超孔隙水压力增长趋势不明显，曲线呈现一定的“波动”，这是因为在5.5~7.0 m以及10.7~12.0 m范围内是粉土层，粉土层的渗透性较大，孔隙水比较容易消散，所以当桩身在粉土层贯入时，引起的超孔隙水压力的变化较小。表明超孔隙水压力的变化与土层性质有关，这与张忠苗等^[20]的研究结果相一致。在同一贯入深度处，随着桩身贯入深度的增加，超孔隙水压力逐渐减小，变化规律与孔隙水压力的变化规律一致，超孔隙水压力减小原因与孔隙水压力减小的原因一致，此处不再赘述。

3 讨论

超孔隙水压力随贯入深度的变化规律已成为诸多学者研究的焦点，唐世栋等^[19]和朱向荣等^[24]通过圆柱孔扩张理论并结合Henkel公式得到桩周土在塑性区、弹性区以及桩身表面处的超孔隙水压力计算公式，并根据在现场实测塑性区中土体的超孔隙水压力，通过曲线拟合推算出桩-土界面处的超孔隙水压力，进而与理论计算值对比分析；但以上方法所得的超孔隙水压力值均为估算值，得出的结论准确性低。

王育兴等^[7]通过水力压裂理论结合孔穴扩张理论，推导出了沉桩过程中在桩土界面处超孔隙水压力的计算公式，并分析了沉桩过程桩土界面超孔隙水压力的分布特征，将桩土界面超孔隙水压力试验值与水力压裂理论和孔穴扩张理论的计算值进行对比分析。桩土界面处超孔隙水压力理论推导公式如下：

竖向开裂：

水平向开裂：

式中：Δu_im为不同深度桩土界面上的超孔隙水压力值(kPa)，下标i表示不同的深度，m表示桩土界面处；I_r为刚度指数，I_r=G/c_u=E_u/2(1+ν)c_u，G为弹性剪切模量(kPa)，c_u为不排水抗剪强度(kPa)，E_u为不排水三轴试验的初始切线模量(kPa)，ν为土体的泊松比；K₀为土侧压力系数；σ'_v0为土体单元的有效上覆压力(kPa)，σ'_v0=γ'z，γ'为土体的有效重度(kN/m³)，z为土体的埋深(m)。

一般情况下，在沉桩过程中不会同时出现竖向裂缝和水平裂缝，故在运用此公式取值时，取两者的较小值作为沉桩过程中产生的超孔隙水压力。

根据水力压裂理论，结合工程地质条件，计算出沉桩过程中桩土界面处超孔隙水压力理论值。因为1#孔隙水压力传感器安装于桩身底部，其所测超孔隙水压力未发生消散现象，故认为其可近似代表整个沉桩过程中超孔隙水压力沿桩身的分布。绘制出随贯入深度的变化曲线并与1#传感器所测的数据进行对比分析。对比曲线如图 7所示。

由图 7可知，理论计算值与现场试验值两者的曲线变化形态较吻合，表明桩土界面处超孔隙水压力的变化规律相同。由图 7还可看出，在浅层土(贯入深度小于3.0 m)中两者的差值较大，其原因有：1)沉桩时浅层土体不仅产生水平位移而且还易产生引起土体隆起的竖向位移，这样就形成了较好的排水通道；而理论计算时未考虑此原因，从而使实测的超孔隙水压力小于理论计算值。2)地质勘探给出的地下水位位于1.0 m左右，但试验沉桩位于冬季，沉桩时实际水位线可能会低于1.0 m，也会导致浅层土体超孔隙水压力值较小。3)理论计算时在选取各种参数时与现场土体实际的力学参数存在误差。随着桩身贯入深度的增加，实测值与理论值的差值逐渐减小，两者的数值逐渐接近；这是因为在理论计算时，认为超孔隙水压力的产生与上覆有效压力有关，随着桩身贯入深度的增大，土体的饱和度也逐渐增大，使得超孔隙水压力的实测值与理论计算值越接近。从图 7曲线变化规律可知，桩身贯入深度越大，超孔隙水压力理论计算值越精确。这也与唐世栋等^[19]、朱向荣等^[24]研究结果相对应。以上分析说明了现场实测值的准确性，验证了利用水力压裂理论结合孔穴扩张理论计算出的桩土界面超孔隙水压力值符合工程实际，这与王育兴等^[7]研究结果一致。

4 结论

1) 随着传感器贯入深度的增加，孔隙水压力呈增大趋势，并且在粉土层孔隙水压力增长速度慢，在粉质黏土层增长速度快。同一贯入深度处，随着桩身的贯入孔隙水压力逐渐减小，出现明显的孔隙水压力消散现象，且粉土层中的消散程度明显大于粉质黏土层。在土层分界面处孔隙水压力的变化与分界面上下土层的渗透系数有关。

2) 超孔隙水压力在粉质黏土层增长较快，而在粉土层超孔隙水压力呈现波动型增长，增长幅度较小。在同一贯入深度处，随着沉桩过程的进行，超孔隙水压力存在明显的消散现象，超孔隙水压力的消散与土层性质密切相关。

3) 采用水力压裂理论结合孔穴扩张理论推导出的公式计算得到的桩土界面处超孔隙水压力值与现场试验值的变化规律相吻合。贯入深度越增加，理论计算值与现场实测值越近，说明采用水力压裂理论结合孔穴扩张理论计算埋深较深处的超孔隙水压力较为准确。采用理论计算分析静压桩桩土界面沿深度方向超孔隙水压力的分布特性有待进一步研究。