摘要：本文分析了饱和软土地基沉桩引起的超孔隙水应力的大小，分布规律。对于群桩沉桩施工以及单桩施工中出现的超孔隙水压力现象进行了理论探讨，并与实际施工中获得的资料进行了对比，期望能够通过理论和实践结合的方法，对于饱和软土桩基设计与施工提供有效的参考。
关键词：超孔隙水应力；单桩；群桩；圆孔扩张理论；水裂；实测资料
引言：
确定桩的承载力是桩基础设计中的关键要素，大量试验表明桩的承载力存在时间效应，即桩入土后的承载力并非定值，而是随时间推移而增长，不仅如此，桩承载力的增长率不是定值，初期增长的较为快速，后期增长的较为缓慢。
图1 桩承载力随时间增长与土中超孔隙水压力随时间消散比较图
从上图中可以看出桩承载力的增长与超孔隙水压力的消散有着密不可分的关系。不仅如此，沉桩引起的超孔隙水压力还会影响施工速度，有时甚至会影响周边的建构筑物以及地下管线等，这点在建筑物密集的城市地区尤其明显。
1 沉桩对周围土体的影响
图2 沉桩对周围土体的影响
桩沉入过程中，桩体范围内的土体完全破坏，桩周的土体将向外挤出，桩身和桩端的土体将发生扰动以及重塑。潜层土的覆土压力较小，将出现地表隆起的现象，土体体积增加，变得更加松散；深层土的覆土压力增大，覆土压力大于土体挤压产生的上顶力，桩周土体受到挤压，形成较高超孔隙水应力。
沉桩过程中桩周土主要形成3个区域，完全损伤区：距离沉桩最近，并且挤压力度最大，会瞬间形成极大的超孔隙水应力，受到极强的超孔隙水应力作用后，土体会产生非常多的水平裂缝和竖向裂缝，土体结构完全被破坏，伴随着时间的推移以及超孔隙水应力的逐渐消散，土体再次发生固结，土体强度得到恢复，有时甚至能超过原有土体抗剪强度。塑性区：受沉桩挤压的影响大，土体会产生较大的超孔隙水应力，且产生较大的位移和塑性变形，是分析的主要对象。弹性区：该区域的变形是完全弹性的，该区域的超孔隙水应力较小，并非分析的主要对象。
2 超孔隙水压力的理论解
2.1圆孔扩张理论
圆孔扩张理论是1945年由Vesic提出的，为弹塑性理论，利用平面轴对称的模型，求得无限长小孔扩张后周边土体的弹塑性范围以及位移、应力的分布。
2.2 单桩应力平衡方程式的解
对于软土区域，由于渗透系数很低（饱和粘性土），认为沉桩过程是一个不排水的过程。按照摩尔-库伦屈服准则得到圆柱孔扩张引起的总应力增量如下：
式中：
分别为径向，切向和竖向总应力增量；r为离开桩中心的距离；是超孔隙水压力；A是Skempton孔隙水压力参数；
由式（1）式（2）可以看出，超孔隙水压力在水平面上随与桩中心距离的增加呈对数型衰减。
单桩桩侧塑性区半径：
E为土的弹性模量，为土的泊松比，为桩的半径。
但是圆孔扩张理论亦有不足之处，它不能反应超孔隙水应力在深度方向的变化，国内外许多实测资料表明沉桩引起的超孔隙水应力随深度的增加而增大，笔者认为沉桩过程为土体受水平挤压破坏，从土压力理论来分析，可证实沉桩引起的超孔隙水应力随深度增加而增大的现象。
2.3群桩情况
很多实测资料表明，当桩距离较小、且沉桩速度较快时，桩群内超孔隙水应力瞬时可达甚至，可把此值为最大值，而后沉桩引起的超孔隙水应力迅速下降，最后整个桩群内超孔隙水应力趋于一个稳定值。
2.3.1 超孔隙水应力最大值
同样是叠加的思想 ，Poulos通过研究得出，群桩施工引起的超孔隙水应力可以按照单桩施工引起的超孔隙水压力叠加来计算。姚笑青通过研究建议计算群桩内超孔隙水压力最大值可由相邻单桩的沉入而叠加达最大值。
2.3.2 群桩内稳定超孔隙水压力的估算
由于“水裂”，群桩内超孔隙水压力从瞬间最大值迅速降至稳定值，群桩内超孔隙水压力将趋于上覆有效土重。因此，可取下式较小值作为桩群内超孔隙水压力的稳定值：
（7）
其中为超孔隙水压力最大值的群桩叠加系数。
3实测现场
应用案例1
杨建永在位于浙江的工程对施工过程孔隙水压力变化作了观测,并与理论值进行对比。现场土层分布及孔隙水压力计(U1~U9)布置见图4、图5.
图4 场地地层及孔隙水压力计埋深 图5 孔隙水压力计布置
该工程得到以下结论：
1）表1取不同深度的三个点进行实测值和估算值（圆孔扩张理论估算-式2）的对比，可见估算值与实测值吻合较好，并且再一次证实沉桩引起的超孔隙水应力随深度的增加而增大。
2）群桩沉桩引起的超孔隙水应力为消散和累积的综合结果。由于该工程中的桩距基本都小于临界桩距，因此桩间土基本上已经全部进入塑性区。在施工初期，沉桩引起的超孔隙水应力随施工而逐渐增大，但由于“水裂”现象，当孔隙水压力达到覆土压力以后基本趋于稳定，最后埋深相同的土层超孔隙水压力基本一致。
应用案例2
唐世栋位于浙江工程对沉桩引起的超孔隙水压力做了观测，现场土层情况见表3，孔隙水压力计（U1~U16）平面布置见图6。
图7为同样埋深（2.7m）的2个孔隙水压力计随打桩过程的数据变化曲线。二者所处的场地位置不同，U2接近场地内部，U3接近场地外部，测点的孔隙水压力受施工影响也不同。U2处孔隙水压力先于U3开始变化，但14d以后，随桩基施工的继续进行，U2的孔隙水压力不再增加，U3却迅速增加，直到全部桩施工完毕， U2及U3趋于同一定值。
2）桩群内孔隙水压力的稳定值及最大值
图8 不同深度处孔隙水压力的变化
从图8可以看出，孔隙水压力的稳定值与埋深有直接关系，埋深越深，稳定值就越大。不仅如此，测点的超孔隙水应力在沉桩过程中并非定值，实测超孔隙水应力会受到临近桩基施工的影响，测点附近桩基的施工会引起测点处超孔隙水应力迅猛上升，但是随时间的增长，超孔隙水应力将回归稳定值。
4 减少沉桩引起的超孔隙水应力的有效方法
1）采用预钻孔，预钻孔孔径可比桩径小50～100mm,宜为桩长的1/3～1/2（根据桩距和土的密实度、渗透性确定）。
2）合理确定打桩顺序，适宜由中间向四周，由深到浅施打，且须控制好打桩速度。
3）适当条件可采用开口桩。
4）可采用应力释放孔，在需要保护的建构筑物附近设置应力释放孔，阻断超孔隙水应力的传递路径。
5 结束语
1）通过理论计算与实测数据的对比，认为圆孔扩张理论能较好的估算单桩沉桩引起的超孔隙水应力。并且得到单桩沉桩引起超孔隙水应力在水平方向随距离呈现对数衰减，在深度方向随着深度增加而增大的规律。
2）对于群桩施工引起的超孔隙水应力，可采用单桩数据叠加的方法计算得出最大值，但由于“水裂”作用，超孔隙水应力最后趋于稳定值，稳定值随深度的增加而增大。
参考文献
[1] 唐世栋，何连生，傅 纵。软土地基中单桩施工引起的超孔隙水应力。 岩土力学，2002，23（6）
[2] 杨建永，高浙美。饱和软土地基中沉桩引起的超孔隙水压力的影响。水利与建筑工程学报，2004，2（3）
[3] 唐世栋，王永兴，叶真华。饱和软土地基中群桩施工引起的超孔隙水应力。同济大学学报，2003，31（11）
[4] 唐世栋。用有效应力原理分析桩基承载力变化的全过程。 博士学位论文，1990
[5] 樊良本。关于打桩引起的土位移及土中应力状态变化的探讨。硕士学位论文，1981
[6]Poulos H G,Davis H G.Pile Foundation Analysis and Design[M].John Wiley & Sons.New York,1980.6-9
[7] 姚笑青，胡中雄。饱和软土中沉桩引起的孔隙水压力估算。岩土力学，1997，12（4），31-35