可液化砂土中辅助静压下沉的桩及辅助沉桩方法

技术领域

本发明属于岩土工程研究领域，尤其涉及一种可液化砂土中辅助静压下沉的桩及辅助沉桩方法。

背景技术

岩土工程中将预制好的桩运至施工现场，然后可以在桩顶部施加静载荷将桩沉入地基中。当地基为砂土时，静压沉桩过程中砂会被桩越挤越密，即使加大桩顶静力载荷使桩的受力接近桩的破坏强度，桩也难以压至指定深度。砂土液化是指砂土地基在机械振动或地震动力载荷作用下，土体中孔隙水压力上升，同时土体固相的有效接触应力为零，这时土体性质类似于流体并丧失抗剪强度，地基砂土没液化时可以对桩提供承载力，而地基砂土液化后无法为桩提供承载力。静压沉桩时，桩底受砂土的桩端阻力，桩侧面受砂土的摩阻力，如果可以将桩附近的砂土液化，则桩端阻力和桩侧摩阻力会变得很小，可以让桩顺利压至指定深度。

液电效应是水中的电极间施加高压脉冲，则在水中产生冲击波，而液电效应已在多个领域里得到广泛应用，例如液电效应产生的冲击波应用于液电电水锤加工和煤层致裂等。因此可以考虑用液电效应产生的冲击波使砂土液化，从而提供一种在可液化砂土地基中使桩附近砂土液化从而辅助桩下沉至指定深度的桩。

发明内容

本发明为了克服可液化砂土地基中静压沉桩使桩附近砂越挤越密，从而使桩难以下沉至指定深度的问题，本发明提供了一种可液化砂土中辅助静压下沉的桩及辅助沉桩方法。

本发明的技术方案：一种可液化砂土中辅助静压下沉的桩，包括桩体、液化发生系统、液化监测系统、液化调节系统、桩侧摩阻力监测装置、桩端阻力监测装置；所述液化发生系统包含一个或若干个液化发生单元，所述液化发生单元包含一个高压电极和一个接地电极，两个电极间有空隙，当两电极上施加电压差时产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元附近砂土发生液化；所述液化监测系统包含一个或若干个液化监测单元，所述液化监测单元包含一个孔隙水压力计和一个土压力计；所述液化调节系统控制液化发生单元中电极之间电压差的大小，从而调节发生液化的土体范围；所述桩侧摩阻力监测装置为沿桩长度方向的光纤，光纤嵌在桩内可以测沿桩长度方向的应变；所述桩端阻力监测装置为放置于桩底端的土压力计；

所述每个液化发生单元旁边布设一个液化监测单元；

所述液化发生单元和液化监测单元嵌于桩表面并与桩表面齐平；

所述液化调节系统与每个液化发生单元以及每个液化监测单元连接；

优选的，每个液化监测单元都对应布设一个补充水单元，所述补充水单元包含依次连接的注水管、阀门、加压水泵和贮存水容器，所述液化调节系统和阀门连接并可控制阀门开合；注水管贴在桩表面或嵌在桩内部，注水管的出水口与液化发生单元相邻且将水注入到砂土中；所述加压水泵的注水压力是可以连续变化的，可以精确控制注水压力，可以满足大压力注水和小压力注水的需要。若第i个液化发生单元中的电极多次增强电压脉冲产生液电冲击，而相邻的液化监测单元监测到土体依然没有发生液化，这表明土体过于密实且含水率过低，这时液化调节系统会打开对应补充水单元的阀门，注水管的出水口将水注入到液化发生单元附近的砂土中。

一种可液化砂土中辅助静压下沉的桩的辅助沉桩方法，包括下述步骤：

步骤1：将桩竖直立于可液化砂土地基表面，在桩顶面施加静力载荷，开始将桩缓慢压入地基；桩侧摩阻力监测装置得到桩侧的摩阻力，即沿桩长度方向的光纤嵌在桩内可以测沿桩长度方向的应变，由应变结合桩的模量可以得到任意两个桩截面之间的轴力差，这个轴力差就是这任意两个桩截面之间的桩侧摩阻力；用桩端阻力监测装置得到桩底端的土压力；

步骤2：桩将砂土越挤越密直至桩无法无法下沉时，液化发生单元中的电极之间施加电压差产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元附近砂土发生液化，减少桩附近砂土对桩的阻力从而促进桩下沉；如果监测得到的桩侧摩阻力和桩端阻力过大则加大液化发生单元电极间的电压差；

步骤3：液化调节系统接收每个液化监测单元测得的孔隙水压力和土压力，然后分两种情况用液化调节系统控制第i个液化发生单元中电极之间电压差的大小从而调节发生液化的土体范围：（1）如果第i个液化监测单元测得的孔隙水压力和土压力相等则表明附近土体发生液化，这时如果冲击波引起的振动过大影响周边建筑环境则降低第i个液化发生单元中电极间的电压差从而减少发生液化的土体范围，如果冲击波引起的液化使桩下沉过慢则加大第i个液化发生单元中电极间电压差从而扩大发生液化的土体范围；（2）如果第i个液化监测单元测得的孔隙水压力小于土压力则表明附近土体没有发生液化，这时加大第i个液化发生单元中电极的电压差促使土体发生液化，若第i个液化发生单元中多次逐级增强电极间电压差产生液电冲击，而相邻的液化监测单元监测到土体依然没有发生液化，同时依然沉桩困难，这表明土体过于密实且含水率过低，这时液化调节系统会打开对应补充水单元的阀门，注水管的出水口将水注入到第i个液化发生单元附近的砂土中从而提高砂土的含水率，然后让第i个液化发生单元产生冲击波促成砂土液化，最终促进桩在桩顶载荷作用中下沉。

本发明的有益效果是克服可液化砂土地基中静压沉桩使桩附近砂越挤越密，从而使桩难以下沉至指定深度的问题，本发明提供了一种可液化砂土中辅助静压下沉的桩及辅助沉桩方法，通过液电效应产生的冲击波减少桩受到砂土的阻力，同时对于含水率过低难以液化的砂土通过补充水装置促进其在液电效应下发生液化，从而为静压沉桩提供一种方法。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的桩底端布设液化发生单元、液化监测单元、注水孔和土压力计示意图；

图3为本发明的液化发生单元的结构示意图；

图4为本发明的液化监测单元的结构示意图；

图5为本发明的液化调节系统与阀门、液化发生单元、液化监测单元的连接示意图；

图6为本发明的桩横截面上光纤布置示意图。

图中1.桩，2.桩顶静力载荷，3.可液化砂土地基，4.液化发生单元，5.液化监测单元，6.注水孔，7. 置于桩底端的土压力计，8. 桩底端，9.高压电极，10.接地电极，11.电极间的空隙，12.液化监测单元中的土压力计，13.孔隙水压力计，14. 贮存水容器，15. 加压水泵，16. 阀门，17. 注水管，18. 液化调节系统，19.桩横截面，20.光纤。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-图6中可液化砂土中辅助静压下沉的桩，包括桩体1、液化发生系统、液化监测系统、液化调节系统18、桩侧摩阻力监测装置、桩端阻力监测装置；所述液化发生系统包含一个或若干个液化发生单元4，所述液化发生单元4包含一个高压电极9和一个接地电极10，高压电极9和接地电极10间有空隙，当高压电极9和接地电极10上施加电压差时产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元4附近砂土发生液化；所述液化监测系统包含一个或若干个液化监测单元5，所述液化监测单元5包含一个孔隙水压力计13和一个土压力计12；所述液化调节系统18控制液化发生单元4中电极9和10之间电压差的大小，从而调节发生液化的土体范围；所述桩侧摩阻力监测装置为沿桩长度方向的光纤20，光纤20嵌在桩1内可以测沿桩长度方向的应变；所述桩端阻力监测装置为放置于桩底端的土压力计7；

所述每个液化发生单元4旁边布设一个液化监测单元5；

所述液化发生单元4和液化监测单元5嵌于桩表面并与桩表面齐平；

所述液化调节系统18与每个液化发生单元4以及每个液化监测单元5连接；

每个液化监测单元5都对应布设一个补充水单元，所述补充水单元包含依次连接的注水管17、阀门16、加压水泵15和贮存水容器14，所述液化调节系统18和阀门16连接并可控制阀门16开合；注水管17贴在桩1表面或嵌在桩1部，注水管17的出水口6与液化发生单元4相邻且将水注入到砂土中；所述加压水泵15的注水压力是可以连续变化的，可以精确控制注水压力，可以满足大压力注水和小压力注水的需要。若第i个液化发生单元4中的电极9和10之间多次增强电压脉冲产生液电冲击，而相邻的液化监测单元5监测到土体依然没有发生液化，这表明土体过于密实且含水率过低，这时液化调节系统18会打开对应补充水单元的阀门16，注水管17的出水口6将水注入到液化发生单元4附近的砂土中。

一种可液化砂土中辅助静压下沉的桩的辅助沉桩方法，包括下述步骤：

步骤1：将桩1竖直立于可液化砂土地基3表面，在桩1顶面施加静力载荷2，开始将桩1缓慢压入地基3；桩侧摩阻力监测装置得到桩1侧的摩阻力，即沿桩1长度方向的光纤20嵌在桩1内可以测沿桩1长度方向的应变，由应变结合桩1的模量可以得到任意两个桩截面之间的轴力差，这个轴力差就是这任意两个桩1截面之间的桩1侧摩阻力；用桩端阻力监测装置得到桩1底端的土压力；

步骤2：桩1将砂土越挤越密直至桩1无法下沉时，液化发生单元4中的高压电极9和接地电极10之间施加电压差产生液电效应从而引发冲击波，在此冲击波作用下液化发生单元4附近砂土发生液化，减少桩1附近砂土对桩1的阻力从而促进桩1下沉；如果监测得到的桩1侧摩阻力和桩1端阻力过大则加大液化发生单元4高压电极9和接地电极10之间的电压差；

步骤3：液化调节系统18接收每个液化监测单元5测得的孔隙水压力和土压力，然后分两种情况用液化调节系统18控制第i个液化发生单元4中高压电极9和接地电极10之间电压差的大小从而调节发生液化的土体范围：（1）如果第i个液化监测单元5测得的孔隙水压力和土压力相等则表明附近土体发生液化，这时如果冲击波引起的振动过大影响周边建筑环境则降低第i个液化发生单元4中高压电极9和接地电极10间的电压差从而减少发生液化的土体范围，如果冲击波引起的液化使桩1下沉过慢则加大第i个液化发生单元4中高压电极9和接地电极10间电压差从而扩大发生液化的土体范围；（2）如果第i个液化监测单元5测得的孔隙水压力小于土压力则表明附近土体没有发生液化，这时加大第i个液化发生单元4中高压电极9和接地电极10的电压差促使土体发生液化，若第i个液化发生单元4中多次逐级增强高压电极9和接地电极10的电压差产生液电冲击，而相邻的液化监测单元5监测到土体依然没有发生液化，同时依然沉桩困难，这表明土体过于密实且含水率过低，这时液化调节系统18会打开对应补充水单元的阀门16，注水管17的出水口6将水注入到第i个液化发生单元4附近的砂土中从而提高砂土的含水率，然后让第i个液化发生单元4产生冲击波促成砂土液化，最终促进桩1在桩顶静载荷2作用中下沉。