[科普中国]-超静孔隙水压力

简介

由外荷载引起的孔隙水压应力，称为超静孔隙水压应力。超静孔隙水压应力将会随着时间而消散，所以超静孔隙水压应力是时间的函数。超静孔隙水压应力称为附加孔隙水压应力更为合适，在加载瞬时为最大，当固结度达到100%时为零。超静孔隙水压应力是由土体的体积变化趋势引起的，也就是说，超静孔隙水压应力是土的体积变形性质在不排水条件下的表现。这意味着土体的体积变形性质（压缩性和剪胀性）在不同的排水条件下有不同的表现。它在排水情况下表现为体积变化，而在不排水条件下则表现为超静孔隙水压应力变化1。

超静孔隙水压力(excess pore water pressure)是由土的变形趋势引起的孔隙水压力，也就是说，土体本应发生应变，但由于一时排水受阻，土中产生孔隙水压力，使作用于土骨架上的有效应力发生变化，从而限制其变形。超静孔隙水压力往往伴随着渗流和固结。超静孔隙水压力是由于外部作用或者边界条件变化在土体中引起的不同于静孔隙水压力的那部分孔隙水压力，在有排水条件下，它将逐渐消散，并在消散过程中伴随土体的体积变化。

超静孔隙水压力有关效应对渗流场的效应超静孔隙水压力对渗流场的效应孔隙水是沿着相互连接的网状连续通道流动的，含水量的变动会导致这些通道的大小和数量的变化进而导致土体导水能力的变化。土体的导水能力可以用渗透系数表示，渗透系数取决于体积含水量。当静压挤密桩施工时土体中的超静孔隙水压力发生变化，导致土体结构的变化，从而改变了土体的导水能力，土体的渗透能力发生变化，土体渗透系数发生改变，且纵向的渗透系数明显增大，随着深度的增加纵向渗透系数增加更快。地基土在静水压力下，地下水处于稳定渗流状态，渗流区域内各点水头值不随时间变化。当静压挤密桩施工时，随着桩体沉入地基土中， 桩周土体将受到挤压， 桩周产生瞬时超静孔隙水应力，尤其桩尖土在冲剪作用下，产生很大的瞬时超静孔隙水压力，这个瞬间较大的超静孔隙水应力将引起土体颗粒结构发生变化、孔隙水运动紊乱，水力传导能力发生变化，进而导致整个渗流场的紊乱，使得土体结构破坏。超静孔隙水压力瞬间增大产生很大的不稳定的动水压力，孔隙水在地基中渗流，渗流在动水压力作用下，将对桩间土及桩体产生向上的扬压力，该扬压力将进一步导致渗流场的变化。紊乱的渗流场降低地基土及桩体承载力，并且影响周围建筑物及管道安全，同时紊乱的渗流场使得土体孔隙通道发生变化， 形成潜在的冒水通道。

对地基应力场效应桩在竖向受荷时对周围地基土的影响可看作竖向集中力作用于半无限体内部时地基土的应力。静压挤密桩沉桩过程中，与桩同体积的桩周土向外挤出，桩周地表土体隆起，桩周土体受到强烈的挤土扰动，土体结构被破坏，同时在桩周形成了一定厚度的重塑区，并且产生了瞬时超静孔隙水压力。超静孔隙水应力的产生与发展，使得土体的有效应力减小，导致土体变形与强度变化，使得初始地基应力场发生变化。同时超静孔隙水应力的各向性及动态性将不断扰动着地基应力场。尤其当桩体不断沉入地基土中，超静孔隙水应力的不断消散和叠加过程，使得桩周土的大主应力降低，平均主应力随之降低。桩周土的主应力方向从垂直方向向水平方向旋转，应力劳德角有所变化，这些都将引起土的体积收缩。地基土体积的收缩，导致附加超静孔隙水压力的变化。当瞬时超静孔隙水压力超过竖向或侧向有效应力时便会产生水力劈裂现象，土体结构破坏，此时孔隙水将在超孔隙水压力作用下沿着冒水通道冒出地面2。

对位移场的影响效应静压挤密桩施工时，经观测，土体在桩体贯入过程中发生了水平位移及竖向位移。桩周土体的水平位移在桩顶附近受地表影响，增长速度较慢，在桩身大部分区域分布较为均匀，在桩端附近水平位移相对较小土体的竖向位移在桩顶到 3/4 桩长范围内表现为向上隆起，在靠近桩端 1/4 桩长范围内表现为向下位移。桩周土体发生位移显示为土体的膨胀与固结，而超静孔隙水压力的增消制约桩周土的膨胀与固结，即压桩的土体位移场变化通过超孔隙水压力变化体现。超孔隙水压力在压桩过程中先减小，再增大，最后消散。超孔隙水压力的增消影响着桩周土体位移增消及变化速率。

对建筑物及周围环境的影响效应随着我国基础建设的发展以及静压挤密桩的广泛运用，市区建筑，桥梁，公路，铁路，海岸边坡等都有静压挤密桩的使用，沉桩过程中超静孔隙水压力产生、消散过程，对周围建筑或地下管道设施产生不利影响，超静孔隙水应力使得地基土体膨胀隆起或不均匀沉降更为严重，土体的膨胀和不均匀沉降可造成周边管线断裂， 道路不能正常使用或者建筑物开裂等。比如海岸边坡，由于波浪荷载的循环作用，使得在护坡桩基沉入土体之后，地基土中产生超静孔隙水压力的消散很慢，超孔隙水压力循环往复有可能导致边坡反复膨胀、固结，使得安全系数降低，严重者可能导致边坡失稳。