0 引言

静压预应力管桩时，沉桩过程会对桩体周边土体产生一定的扰动，改变土体的性质，产生挤土效应。尤其在饱和软土地基沉桩时，桩周土体的应力场和位移场都会发生较大的变化，从而产生了较大的超孔隙水压力^[1-3]，这种现象会影响桩的承载力和施工进度，也会对周围环境造成严重不利影响。为减轻这种沉桩效应带来的不利影响，文献[4]提出了一种有孔管桩新技术。刘智等开展了有孔管桩单桩静压沉桩模型试验研究，发现沉桩过程产生的超孔隙水能够通过桩壁上的孔进入管桩内腔，有效地减小了挤土效应^[5]。但在实际工程中，更多的是群桩施工情况，对有孔管桩群桩的挤土效应研究还处于一片空白。在分析群桩施工引起的超孔隙水压力产生和消散等问题时，不能按单桩来分析，因为这种分析方法忽略了桩的施工顺序、群桩效应对桩间土及对已施工桩的影响。

因此，本文基于室内模型试验，分别对无孔管桩群桩和3种不同开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和分析，探究超孔隙水压力随时间、径向距离、深度以及沉桩顺序变化的规律，对分析静压有孔管桩群桩挤土效应具有重要的实践指导意义。

1 模型试验 1.1 试验目的

本试验目的是探究有孔管桩群桩沉桩引起的超孔隙水压力的分布、消散，以及沉桩过程对其时空消散的影响。

1.2 模型试验箱的制备

试验采用长1.5 m，宽1.5 m，高1.5 m的模型箱，模型箱外框主骨架为5^#角钢焊接而成的角钢架，并将角钢架居中焊接在钢板 (长2.0 m, 宽2.0 m, 厚0.01 m) 上，模型箱内壁采用钢化玻璃 (长1.5 m，宽0.5 m，厚0.01 m) 拼接而成，以减少内壁对土体的摩擦影响，一定程度上削弱边界效应。钢化玻璃接缝处不密封，以保证土体中自由水流出，加快土体排水固结。模型试验箱每边中间加方木条固定，防止钢化玻璃侧向变形。模型箱满足了试验足尺及强度的要求，如图 1所示。

1.3 土样的制备

试验土样取自南昌周边软土地区，土样取出后不可避免地产生了扰动，使得土样的含水率、密实度等都发生了变化，因此，试验土样需经过捣碎、饱和等工序使其更接近软土。试验填土过程采用分层填筑，每填10 cm静力压实一次，保证土体装填均匀且不产生大的孔隙，直至模型箱内填满试验土。为保证试验参数的一致性，每组试验后，对土样进行更换，重新制备，如图 2所示。

在静压沉桩前对土样进行基本的物理性质试验，其基本土性参数见表 1。

1.4 管桩模型的制备

试验采用PVC管材制备管桩模型，模拟4根群桩沉桩挤土效应。试验设计4组群桩模型：无孔管桩群桩、单向对穿孔管桩群桩、双向对穿孔管桩群桩、星状孔管桩群桩。模型桩长800 mm，直径63 mm，壁厚3 mm，桩身间隔200 mm，钻孔孔径20 mm。根据室内静载荷试验设计对边界效应的相关要求，消除边界效应的界限为基础到模型箱边壁的距离与基础尺寸之比应大于3^[6]，故假定模型桩几何比例n=8，模拟实际工程中桩长为6.4 m，桩径为0.5 m，桩身钻孔孔径0.16 m的管桩。模型桩底进行密封，防止过多的土体进入到模型桩内产生土塞效应。具体桩身布孔方式如图 3所示。

1.5 测试仪器选择与埋设

超孔隙水压力的测量采用LY-350型孔压计。为减少试验误差，依据《孔隙水压力测试规程》(CECS 55:93)^[7]进行孔压计的布置，以量测沉桩引起的超孔隙水压力变化情况。

模型箱填土至既定深度处，沿桩1与桩4对角线方向上共埋设5只孔压计，纵向3层，距地表深度为H=200，400，600 mm；为减小沉桩过程产生的挤土效应，依据《建筑桩基技术规范》(TGJ94-2008)^[8]，桩群按疏桩要求设计桩轴之间距离为6 d，孔压计布置如图 4所示。

1.6 试验步骤

试验按照《孔隙水压力测试规程》(CECS 55:93) 进行，数据采集时间设计为63 h，在桩顶施加一定级别的荷载时，保持5 cm/min的速度进行静压沉桩；4种不同类型管桩群桩都一致采用倒“Z”字形 (桩1→桩2→桩3→桩4) 压桩顺序依次将模型桩压入土中^[9-10]，用工况1~4分别代表压入桩1~4。主要试验步骤为：

(1) 将所有孔压计与测试仪器接好，开启计算机和自动采集软件，设置相关参数，调试平衡；

(2) 在桩身每间隔10 cm处进行标记，保证沉桩匀速；

(3) 在模型箱土体表面确定出沉桩位置；

(4) 将模型桩按事先确定好的压桩顺序依次压入土中，并将桩孔方向朝向孔压计；

(5) 沉桩完成后用不透水塑料膜密封模型箱顶部以维持含水率稳定；

(6) 在沉桩开始时进行数据的自动采集直至整个试验结束。

2 试验成果与分析 2.1 超孔隙水压力随时间的变化规律分析

4种不同类型的管桩群桩沉桩时引起的超孔隙水压力随时间的变化规律如图 5(a)~(d)所示。

首先，从整体上来看，图 5(a)~(d)显示了4种不同类型管桩群桩沉桩时产生的超孔隙水压力随时间的变化是先增大后减少，符合静压沉桩超孔隙水压力消散的一般规律。其次，从局部上来分析，在0~3 h群桩沉桩阶段，初始时桩对土的扰动较小，超孔隙水压力变化不大，但随着桩逐渐压入和沉桩数的不断增加，超孔隙水压力显著增大，产生速率也逐渐增大 (曲线斜率增大)。在3~63 h群桩沉桩后，超孔隙水压力随时间的不断增长而逐渐得到消散，消散速率也逐渐减小 (曲线斜率减小)；在63 h后试验测得超孔隙水压力并不为零。可见超孔隙水压力的消散需要一个很长的过程，之后桩周土体会发生再固结, 土体有效应力增加, 桩的承载力得到提高。但同时，再固结会使桩间土下沉，产生桩的负摩阻力，这会对桩基工程产生不利的影响。

4种不同类型管桩群桩在同一测点处的超孔隙水压力消散与时间的关系见图 5(e)。通过对比发现，星状孔管桩群桩沉桩产生的超孔隙水压力随时间消散速率更快。另外，比较4种不同类型管桩群桩产生的超孔隙水压力峰值可知，星状孔管桩群桩产生的孔隙水压力峰值最小，而无孔管桩群桩产生的超孔隙水压力峰值最大，可见桩身开孔对群桩施工产生的超孔隙水压力时空消散有一定的影响。

2.2 不同桩型超孔隙水压力峰值分析

对4种不同群桩桩型压入土体后产生的超孔隙水压力峰值进行分析，其峰值如表 2所示，超孔隙水压力峰值折减情况见表 3(由有孔管桩群桩超孔隙水压力峰值与无孔管桩群桩超孔隙水压力峰值的比值减1而求得)，超孔隙水压力消散63 h后数据见表 4。

由表 2分析可知：有孔管桩群桩测得的超孔隙水压力峰值都要小于无孔管桩群桩，且星状孔管桩群桩测得的超孔隙水压力峰值最小。

由表 3分析可知：星状孔管桩群桩测得的超孔隙水压力峰值折减程度要大于单向对穿孔管桩群桩和双向对穿孔管桩群桩。

由表 4分析可知：孔隙水压力消散63 h后，测得的有孔管桩群桩超孔隙水压力值都比无孔管桩群桩小，且星状孔管桩群桩超孔隙水压力值最小。

因此，有孔管桩群桩在一定程度上能降低超孔隙水压力的峰值，加快超孔隙水压力的消散。比较3种有孔管桩群桩知，星状孔管桩群桩产生的超孔隙水压力峰值和消散63 h后的超孔隙水压力值都是最低的，由此可得，以星状布孔方式的有孔管桩群桩沉桩效应最佳，更有利于减小沉桩挤土效应，这跟黄小波^[11]等提出的观点是一致的。

2.3 超孔隙水压力随径向距离变化分析

由于工况3、4条件下孔压计距桩轴径向距离S分别跟工况1、2相同，因此在分析有孔管桩群桩超孔隙水压力随径向距离S的变化规律时，只讨论在工况1、2条件下。图 6(a)~(c)分别给出了3种不同类型有孔管桩群桩在工况1、工况2下相同深度H不同水平距离处产生的超孔隙水压力随径向距离S变化规律。试验表明，有孔管桩群桩超孔隙水压力值随径向距离S的增大而呈现非线性减小，这与大量实测资料和模型试验结果^[12-15]基本一致。

由图 6曲线可知，工况2条件下同一径向距离S的超孔隙水压力值U₁大于U₂，分析其原因是由于试验土体渗透系数小，超孔隙水压力消散很慢，工况1所产生超孔隙水压力还没有完全消散，工况2对其又产生新的超孔隙水压力，二者叠加所致。但这种叠加并不是各单桩产生的超孔隙水压力的简单相加，而是存在很复杂的叠加关系，这与桩数N、沉桩速率以及具体的沉桩顺序有关。因此，群桩沉桩产生的超孔隙水压力值是单桩影响的累积和消散的综合结果。

2.4 超孔隙水压力随深度变化分析

模型桩桩侧一定水平处沿纵向深度H=200，400，600 mm，埋设了3层孔压计。由图 5(a)~(d)可知，在同一时刻，当径向距离保持不变，随着测点深度的增加，在桩长范围内，4种不同类型管桩群桩超孔隙水压力值不断地增大。另外，从曲线斜率越来越小的变化趋势来看，可知有孔管桩群桩沉桩过程产生的超孔隙水压力消散速率也是越来越慢，说明在沉桩早期超孔隙水压力可以得到较好的消散，从而缩短了超孔隙水压力消散时间。

2.5 沉桩过程对超孔隙水压力的影响

试验采用倒“Z”字形压桩顺序依次将模型桩压入土中。图 7(a)~(c)显示了3种不同类型有孔管桩群桩沉桩过程对超孔隙水压力的影响。由图可知3种不同类型有孔管桩群桩超孔隙水压力值随沉桩数的增加呈不断增长趋势，在沉桩过程中，当沉桩位置与测点很近时，该点超孔隙水压力值迅速上升，如压入第1根桩时，最近测点U₁急剧上升；压入第4根桩时，最近测点U₂和U₅迅速上升；而远离第4根桩的U₁值增加缓慢，当压入第2，3根桩时该测点才升高较快。这说明超孔隙水压力值随孔压计与沉桩点的位置变化而变化，沉桩方向趋向测点时超孔隙水压力增大，在附近达到最大；背向测点时超孔隙水压力减小, 下降速率由快到慢。

此外，由图 7(a)~(c)可看出随沉桩数的增加测点U₁，U₂超孔隙水压力积累值大于U₅，因此有孔管桩群桩沉桩产生的超孔隙水压力值是不断累积的，且桩群中心处超孔隙水压力值比桩周累积值要大。

3 结论

(1) 有孔管桩群桩在一定程度上能降低超孔隙水压力，且以星状布孔方式的有孔管桩群桩沉桩效应最佳，更有利于减小沉桩挤土效应。

(2) 有孔管桩群桩沉桩产生的超孔隙水压力不是单桩的简单叠加，而是单桩影响的累积和消散的综合结果。

(3) 有孔管桩群桩测点产生的超孔隙水压力与沉桩方向有关，当沉桩方向趋向测点时有孔管桩群桩产生的超孔隙水压力上升；当其背向测点时超孔隙水压力下降。

(4) 有孔管桩群桩超孔隙水压力的消散是一个长时间的过程，且消散速率与土体的渗透性有关，桩壁开孔的方法为群桩施工时如何减小沉桩挤土效应提供了一种新的途径。