PHC桩沉桩期地表变形和超孔隙水压力试验研究

摘 要：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。

关键词：风电场； 超孔隙水压力； 挤土桩； 沉桩顺序和速率

中图分类号：TU413 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2014）06-174-003

一、引言

社会经济发展对能源需求持续增长，全球油价维持高位，天然气价格不断攀升，另外，化石燃料使用带来的环境问题日益严重，清洁可再生的新能源引起全球的关注。在各类新能源中，风电是技术相对成熟、最具大规模商业开发条件、成本相对较低的一种，受到世界各国的普遍重视。

浙江海盐风电场位于海盐县沿海滩涂，中心坐标为东经121°，北纬30°33′44″。风电场平均海拔在0～5m之间。为满足建筑物对地基承载力及使用期残余沉降的要求，本工程地基处理采用预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）基础。根据《电力工程地基处理技术规程》（DL/T2024-2005）要求，对于一、二级建筑物的单桩抗压、抗拔、水平极限承载力标准值，宜按综合试桩结果确定。本工程布置1组试桩，采用集中式布置3根试桩和8根锚桩，桩型都为PHC600-110B，设计参数详见表1，采用D80柴油锤打桩机打桩。

锤击管桩属于挤土桩，沉桩时桩周边土体结构受到扰动，改变了土体的原始应力状态。主要表现在2个方面：首先，土体受到冲击、挤密等作用产生挤出破坏，地基土体出现隆起变形和水平位移；其次，沉桩时桩端土体受到强压缩作用形成超孔隙水压力，降低地基土体有效应力[1-3]。

考虑锤击沉桩过程地基土体产生侧向挤压、地基土体孔隙水升高以及有效应力降低等因素，同时为后期大面积开展桩基工程施工提供实践经验，必须对沉桩过程进行施工监测，确保施工安全和堤防，满足使用要求[4]。

二、工程概况

1.场地地质概况

根据场区岩土工程勘察报告，揭示场地分布地层为：上部为深厚的第四系全新统（Q4）海相沉积淤泥质土（夹有粉土），中部为巨厚的第四系上、中更新统（Q2-3）粘性土（多含砂、砾，夹砂土、粉土），下部为前第四系凝灰岩、砂岩及泥岩等。按地层顺序及编号自上而下分述如下：

1-0层素填土：色杂，主要由各类砂土、粉土组成，混粘性土，局部混碎石，性能不均匀，松散、稍密为主。2-2层淤泥质粘土：灰色，局部夹粉土（粉砂）薄层，饱和，流塑。2-3层淤泥质粉质粘土：灰色，局部含大量粉粒。饱和，流塑。3-1层淤泥质粉质粘土（夹粉土）：灰色，局部互层状，具微层理。饱和，流塑。3-1-1层粉土（含粉砂）：灰色，局部含大量粉砂。饱和，密实。3-1-2层粉土（含粉砂）：灰色，局部含大量粉砂。饱和，稍密-中密。3-2层淤泥质粉质粘土：灰黑色，饱和，流塑。3-3层粉质粘土：灰黑色，湿、很湿，可塑，偏软。4-1层粉质粘土：灰黄色，根据状态，分为两个亚层：4-1-1层，湿、稍湿，硬塑；4-1-2层，湿、很湿，可塑。4-3层粉砂：灰色，局部含粉土层，根据状态，分为两个亚层：4-3-1层，饱和，密实；4-3-2层，饱和，中密。5-1层粘土：灰黄色为主，含大量粉粒、砂粒，局部含砂砾，根据状态，分为两个亚层：5-1-1层，稍湿，坚硬；5-1-2层，湿、稍湿，硬塑。5-2层粉质粘土：灰黄色为主，湿，可塑。6-1层粉质粘土：灰色，根据状态，分为两个亚层：6-1-1层，湿、稍湿，硬塑；6-1-2层，湿、很湿，可塑。7-1层粉质粘土：灰色、褐黄色，局部含砂砾，本次揭示7-1-1亚层，湿、稍湿，硬塑。场区范围内地层物理力学指标详见表2。

2.监测设计

为了解沉桩过程中由于挤土作用引起的地表竖向隆起变形以及土体受到压缩和挤密，土中超静孔隙水压力的上升、消散规律，于堤防内坡护塘地埋设了地表沉降和土体孔隙水压力测试点，测点布置详见图1。测试过程中如果遇到沉降速率突然变大等情况，加大监测频率，并进行动态跟踪。

三、现场测试结果及分析

1.沉桩顺序及速率统计

地基土体变形及应力变化与沉桩顺序和速率密切相关。本试桩工程沉桩施工于2014年3月4日开始，至3月6日结束，根据施工现场沉桩过程详细记录，每根桩打设时间详见表3，沉桩施工顺序见图2。

2.地表土体变形测试结果及分析

根据沉桩期间地表测点变形测试数据，绘制变形量与时间关系曲线（竖轴正值为沉降，负值为隆起），详见图3。结合表3中给出的沉桩历时与间歇统计数据，从曲线总体变化趋势来看：沉桩时临近测点产生隆起变形，沉桩间歇期测点产生沉降变形。测点隆起变形主要产生于31h和54h时间节点，即打设MZ8和MZ4号桩时测点隆起变形量较大，其中离外排桩2m处S2测点累计隆起变形峰值为30.8mm，8.8m处S6测点累计隆起变形峰值为7.3mm，即测点距沉桩区域越近挤土效应越明显。

3.地基土体孔隙水压力测试结果及分析

基础沉桩期间土体孔隙水压力观测数据显示：沉桩施工过程中地基土体超孔隙水压力上升明显，沉桩施工间歇期，超孔压逐渐消散。如图4超静孔压累计增量和深度曲线所示：MZ5～MZ8号桩沉桩期间，单根桩打设引起的土体超孔隙水压力逐渐变大（见表4），观测到的最大超静孔压值为112.1kPa，发生于MZ8号桩沉桩结束，测点深度为35m，位于Q3粘土层，紧接打设SZ3号桩过程中，35m深度土层超孔隙水压力未达到前述峰值112.1kPa，但其它深度土层的超孔隙水压力仍有一定量的增长，打设SZ1号桩过程中，测孔位置土层超孔隙水压力上升不明显；打设MZ3和MZ4号桩过程中，测孔位置土层超孔隙水压力上升规律与打设前排锚桩相似；从地基土层不同深度超孔隙水压力累计增量曲线可以看出：打设MZ8号桩、SZ3号桩以及MZ4号桩后土体超孔隙水压力增量都相对较大（表4给出了打设基桩过程中引起的土体超孔隙水压力增量统计），原因为这3根桩与土体超孔隙水压力测孔的净距离以及沉桩历时都相对较短，沉桩挤土以及振动影响明显，所以土体超孔隙水压力值上升较大；沉桩施工结束后，超静孔压逐步消散，截止到2014年4月11日，各测点超静孔压值已趋于完全消散，沿深度方向大部分土层孔隙水压力增量出现负值，主要是钻孔埋设过程中产生的超孔隙水压力未完全消散，使得计算沉桩过程产生的超孔压初值偏大，但本现象不影响孔压增量计算。沉桩挤土及振动引起的超孔隙水压力上升明显，且沿土层深度方向超孔压增量逐渐变大；沉桩结束后，超孔隙水压力逐渐消散，至2014年3月17日，历时11天，土体超孔隙水压力基本消散完毕。

从本次试桩整个沉桩过程中土体超孔隙水压力变化特征来看：打设MZ8号桩和MZ4号桩测孔位置土层超孔隙水压力出现2次较大增幅，首先，此2个桩位离孔压观测孔最近（孔距7.4m）；其次，打设此2根桩的沉桩历时和时间间隔都相对较短；再者，和打设中间排试桩的沉桩顺序相比，2排锚桩的沉桩顺序都有向内坡脚推进趋势，MZ5～MZ8号桩为逐根向内坡脚打设，所以打设MZ8号桩观测孔土体超孔隙水压力出现单次增长峰值。

四、结论

本文结合中电工程海盐风电场项目试桩工程，通过沉桩过程中地表沉降、地基土体超孔隙水压力现场试验研究，初步分析得出如下结论：

1）沉桩时测点产生隆起变形，沉桩间歇期测点产生沉降变形。离外排桩2m处S2测点累计隆起变形峰值为30.8mm，8.8m处S6测点累计隆起变形峰值为7.3mm，测点距沉桩区域越近，挤土效应越明显。

2）沉桩施工过程中地基土体超孔隙水压力上升明显，观测到的最大超静孔压值为112.1kPa，桩位与土体超孔隙水压力测孔的净距离、排桩顺序以及沉桩历时对超孔隙水压力增量影响较大，沉桩施工间歇期，超静孔压会有一定消散，沉桩施工完成后，超静孔压消散较快，截止到2014年3月17日，历时11天，土体超静孔压已基本消散。根据试桩期间土体超孔隙水压力测试成果，建议后期工程桩施工时，靠近海堤内坡脚侧的几根桩优先打设，且采用隔桩跳打方式，同时降低沉桩速率，单基础沉桩总体顺序为向内坡方向逐渐推进。

参考文献

[1]杨生彬，李友东.PHC管桩挤土效应试验研究[J]岩土工程技术，2006，22（3）：117-120

[2]龚主伟，龚友平.锤击贯入PHC开口管桩现场监测试验研究[J]科学技术与工程，2012，12（28）：7455-7459

[3]王兴龙，陈磊，窦丹若.打桩挤土的现场试验研究及土移的计算公式[J]岩土力学，2003，24（增）：175-179

[4]贝耀平，王春，陈新群.响水风电场风机基础管桩沉桩引起的海堤变形及振动分析[J]水利水电技术，2009，40：64-66