擠土樁施工過(guò)程中的擠土效應(yīng)及其機(jī)理分析

丁金海，李繼濤

(1．江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007;2．江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司，江蘇南京210004)

擠土樁施工過(guò)程中的擠土效應(yīng)及其機(jī)理分析

丁金海1，2，李繼濤1

(1．江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007;2．江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司，江蘇南京210004)

當(dāng)軟弱地基無(wú)法滿足承載力要求時(shí)，需要對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理，擠土樁是一種較好的地基加固方法，但擠土樁在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，對(duì)環(huán)境造成一定的影響，文章旨在對(duì)擠土效應(yīng)的影響、內(nèi)在機(jī)理及防治措施做一些分析探討并介紹了工程施工實(shí)例。

擠土效應(yīng);孔隙水壓;一維固結(jié)

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，正處在大規(guī)模建設(shè)和發(fā)展階段，工程建設(shè)中會(huì)遇到各類地基土，特別是在中、東部沿海和沿江地區(qū)，存在大面積深厚軟弱地基土，由于該類地基土性質(zhì)軟弱，大多無(wú)法滿足設(shè)計(jì)承載力的要求，對(duì)工程建設(shè)不利，需要進(jìn)行地基加固處理，擠土樁是其中一種應(yīng)用較廣的地基加固方法(《地基處理手冊(cè)》編寫委員會(huì)，2000)，該方法一方面可以改善地基土性能，另一方面起到補(bǔ)強(qiáng)作用，提高地基的承載力，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。目前，這種方法在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)被普遍推廣應(yīng)用，如靜壓PHC管樁等(楊生彬等，2006)。但擠土樁在施工中會(huì)帶來(lái)負(fù)面的擠土效應(yīng)(陽(yáng)軍生等，1999;姜鵬明等，2000)，造成樁頂上浮、樁身位移，使周圍建筑產(chǎn)生不均勻沉降，破壞管線等危害。分析擠土效應(yīng)的機(jī)理有助于理解擠土效應(yīng)的本質(zhì)原因，為擠土樁的設(shè)計(jì)施工及采取防止措施提供理論依據(jù)。

1 擠土樁的擠土效應(yīng)

1．1 擠土效應(yīng)

擠土樁在沉樁時(shí)使樁四周的土體結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)，改變了土體的應(yīng)力狀態(tài)而產(chǎn)生擠土效應(yīng)。擠土效應(yīng)一般表現(xiàn)為淺層土體的隆起和深層土體的橫向擠出，擠土效應(yīng)會(huì)引起周圍路面和建筑物的破壞，使周圍開(kāi)挖基坑坍塌或位移增大，對(duì)已經(jīng)施工的樁的影響表現(xiàn)為樁身傾斜及淺樁(≤20m)上浮。如果壓樁施工方法與施工順序不當(dāng)，每天成樁數(shù)量太多以及壓樁速率太快，會(huì)加劇擠土效應(yīng)。

擠土類樁在沉樁過(guò)程中，由于樁自身的體積“占用”了土體原有的空間，使樁周土向四周擠壓排開(kāi)。當(dāng)樁周土為非飽和土層，在土體受到擠壓時(shí)，土體的體積會(huì)發(fā)生收縮，能有效地消散擠壓應(yīng)力。因此，擠土類樁在非飽和土層中的擠土效應(yīng)不明顯，所造成的負(fù)面影響也較小;當(dāng)樁周土為飽和軟土?xí)r，土體受擠壓時(shí)體積不會(huì)收縮或收縮量極小，擠壓應(yīng)力主要通過(guò)土體位移來(lái)消減，擠土效應(yīng)十分顯著，因此所造成的負(fù)面影響更大。

1．2 擠土效應(yīng)的影響

擠土樁的擠土效應(yīng)所造成的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)沉樁時(shí)，由于樁周土層被壓密并擠開(kāi)，使土體產(chǎn)生垂直方向的隆起和水平方向的側(cè)向位移，可能造成近鄰已壓入的樁上浮，樁端被“懸空”，使樁的承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求;也會(huì)造成樁位偏移和樁身翹曲折斷等質(zhì)量事故;并可使相鄰建筑物和市政設(shè)施發(fā)生不均勻變形甚至損壞。

(2)在打樁過(guò)程中，樁周土被擠密壓縮，一方面，土的天然結(jié)構(gòu)受到破壞，壓縮性增大的同時(shí)，土的強(qiáng)度劇烈下降;另一方面，孔隙中的水無(wú)法迅速排出，孔隙比大大降低，飽和度上升，使得土體產(chǎn)生巨大的超靜孔隙水壓力，同時(shí)有效應(yīng)力下降，導(dǎo)致土的抗剪強(qiáng)度降低。

(3)塑性指數(shù)越大的土黏性愈大，越不利于孔隙水壓力消散，在沉樁過(guò)程中孔隙水壓力升高，造成土體破壞，未破壞的土體也會(huì)因孔隙水壓力的不斷傳播和消散而發(fā)生蠕變，導(dǎo)致土體的垂直隆起和水平方向的位移。

2 擠土效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理分析

在沉樁施工時(shí)，樁周圍土體內(nèi)部產(chǎn)生了較大的超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致樁周土產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和豎向隆起，同時(shí)樁周圍土體在沉樁過(guò)程中受到一定程度的擾動(dòng)，導(dǎo)致基樁承載力降低。隨著超靜孔隙水壓力的逐步消散，場(chǎng)地地基將出現(xiàn)大面積沉陷，同時(shí)導(dǎo)致工程樁受到負(fù)摩阻力的作用，樁基承載力下降。因此，對(duì)孔隙水壓力的計(jì)算能夠從理論上估算擠土效應(yīng)的影響，具體求解過(guò)程如下。

太沙基一維固結(jié)理論可以求解一維有側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下，飽和黏性土地基受外荷載作用發(fā)生滲流固結(jié)過(guò)程中任意時(shí)刻的土骨架及孔隙水的應(yīng)力分擔(dān)量(華南理工大學(xué)，1991;謝康和，1994)。

太沙基一維固結(jié)微分方程可表示為如下形式：

式(1)中，Cv為豎向固結(jié)系數(shù)，值為：

上述固結(jié)微分方程可以根據(jù)土層滲流固結(jié)的初始條件和邊界條件求出其特解，當(dāng)附加應(yīng)力σz沿土層均勻分布時(shí)，孔隙水壓力u(z，t)的解答如下：

式(3)中，m為奇正數(shù);Tv為時(shí)間因數(shù)：

黏性土的孔隙水壓力系數(shù)，當(dāng)作用在飽和黏性土體上的壓應(yīng)力產(chǎn)生增量Δσ1和Δσ3時(shí)，孔隙水壓力的變化可以通過(guò)式(5)求得(Skemptom，1925)。

這里假設(shè)土體處于三軸狀態(tài)，即σ2=σ3，同時(shí)對(duì)于飽和土體B=1，平均有效應(yīng)力p和偏差應(yīng)力q(或八面體法向應(yīng)力和剪應(yīng)力)為：

p'的增量 Δp'為：

對(duì)于飽和黏性土，如果在應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，假定無(wú)體積變化，那么在知道土的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系的條件下，系數(shù)A理應(yīng)通過(guò)理論分析得到，假定土體為遵守廣義虎克定律的彈性體，那么土體的體積變化ΔV和Δp'之間存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式(8)中，Ks為土骨架的體積模量，由于ΔV=0，可得 Δp'=0。

如果土體是遵守某個(gè)相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的彈塑性體，那么在V=0的前提下，可以推導(dǎo)出如下表達(dá)式(黃文熙，1989)：

式(9)中，f為屈服函數(shù)，A*為硬化系數(shù)H的函數(shù)，可以由式(5)或式(9)計(jì)算得到空隙水壓力系數(shù)A的表達(dá)式：

二維問(wèn)題中反映流量平衡的微分方程式為：

當(dāng)然，以上只是到了二維固結(jié)的計(jì)算，在實(shí)際施工過(guò)程中存在三維固結(jié)，這樣可以將三維固結(jié)進(jìn)行一維等效換算來(lái)求得。

3 擠土效應(yīng)的防治措施

為了消除與減輕擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，保證周邊建(構(gòu))筑物的安全，可以根據(jù)具體實(shí)際情況采用如下措施(林葉榛，2010)。

3．1 優(yōu)化擠土樁的樁尖

擠土樁樁尖主要有3種形式：十字型、圓錐型和開(kāi)口型。前兩種屬于封口型樁尖，沉樁時(shí)土體不會(huì)進(jìn)入樁內(nèi);開(kāi)口型樁沉樁后，樁身下部約有1/3樁～1/2樁長(zhǎng)的內(nèi)腔被土塞住，從土體閉塞效果來(lái)看，不僅單樁承載力不會(huì)降低，而且會(huì)減少擠土作用，故宜首選開(kāi)口型樁尖進(jìn)行施工。

3．2 設(shè)置防擠溝與消擠孔

擠壓應(yīng)力的破壞作用表現(xiàn)為土體水平位移與地面隆起。設(shè)置防擠溝可以減少地基淺層土體的側(cè)向位移和隆起，減少對(duì)鄰近建筑物或地下管線的差異變位影響;而設(shè)置消擠孔可以減小地基土體的變形值及其影響范圍，減輕對(duì)鄰近建筑物的變位影響。具體做法如下。

(1)防擠溝寬度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間而確定，以1m～2m寬為宜。其深度則根據(jù)土質(zhì)情況而定，即深度宜大于1m，且以邊坡能自穩(wěn)為妥。

(2)消擠孔設(shè)置在2排以上，各排孔口在平面布置上呈“梅花”形交錯(cuò)排列?？讖剑?00mm～600mm，孔深度：10m ～15m，孔間距：0.5m ～1.0m?？變?nèi)可填充稻草等壓縮性大、透水性好的填料，以防塌孔。

3.3 減少樁的排土量，降低超靜孔隙水壓力

在施工中通常是采用掘削、水沖、預(yù)鉆孔輔助沉樁法來(lái)減少樁的排土量，達(dá)到降低超靜孔隙水壓力的目的。具體做法如下：預(yù)鉆孔的孔徑比樁徑小100mm～200mm，鉆孔深度宜為樁長(zhǎng)的1/3～1/2，施工時(shí)隨鉆隨打。沉樁標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)終壓力值加以控制，以減少樁的側(cè)阻力對(duì)單樁承載力的影響。

3.4 預(yù)鉆孔排水

實(shí)踐證明，開(kāi)口樁入土?xí)r的擠土情況與閉口樁相差不大。因此，在擠土樁樁施工過(guò)程中，可以采用一邊沉樁，一邊掘削的施工工藝，這樣可以明顯增大樁內(nèi)土芯量，并顯著減小沉樁擠土對(duì)地基變位與超靜孔隙水壓力的影響程度。而如果同時(shí)采用預(yù)鉆孔施工工藝，則效果更佳。

當(dāng)采用一邊鉆孔，一邊沉樁的預(yù)鉆孔施工工藝時(shí)，一般預(yù)鉆孔的孔徑宜為樁徑的70%左右，預(yù)鉆孔的深度宜為樁長(zhǎng)的1/3～1/2。由于超靜孔隙水壓力的傳播與消散也會(huì)導(dǎo)致土體水平位移與垂直隆起。所以，有的工程做法是在沉樁區(qū)布置適量的鉆孔(孔徑：300mm ～400mm，孔深：10m ～20m)進(jìn)行排水，并且在孔內(nèi)填入透水性能好的填料，如砂、碎石等。除此之外，上述消擠孔也能夠起到排水的作用。

3.5 合理安排沉樁順序

沉樁順序會(huì)影響擠土方向，故擠土方向要與壓樁的推進(jìn)方向一致。先打入的樁對(duì)后打入的樁的擠壓應(yīng)力有阻擋作用，故沉樁順序?qū)ν馏w位移能起到控制作用。施工時(shí)要求注意合理安排沉樁順序，并且遵循以下原則：先中間后周邊，由中心逐漸向四周對(duì)稱施工;先密后疏，先打樁較密集的區(qū)域，后打樁較稀疏的區(qū)域;當(dāng)在已有建(構(gòu))筑物附近壓樁時(shí)，應(yīng)沿著背離建(構(gòu))筑物的方向進(jìn)行。

3.6 嚴(yán)格控制沉樁速率

控制沉樁速率不是一個(gè)定量的問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)擠土過(guò)程中遇到的不同情況而定。壓樁施工采用一次性連續(xù)施壓到底，則樁的上浮機(jī)率大，而如果采用大流水法施工，即輪流將樁施壓到底，則樁的上浮機(jī)率小。沉樁速率對(duì)土體變形的影響作用主要來(lái)自于超靜孔隙水壓力，而土中應(yīng)力的傳遞與超孔隙水壓力的消散則需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程。壓樁時(shí)，超孔隙水壓力增長(zhǎng)速度比其消散速度要快得多，而在壓樁間隙，超孔隙水壓力會(huì)明顯回落。

3.7 施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)

除了加強(qiáng)對(duì)擠土樁施工過(guò)程中擠土位移的監(jiān)測(cè)，還需要設(shè)置預(yù)警值及應(yīng)急方案。原則是邊施工邊監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋。其監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：(1)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的沉降、傾斜、水平位移、裂縫等的監(jiān)測(cè);(2)對(duì)土體內(nèi)部側(cè)向位移的觀測(cè);(3)對(duì)已施工樁位的偏移和上浮的監(jiān)測(cè);(4)對(duì)地面沉降值和地面隆起度的觀測(cè)等。

4 施工實(shí)例

4.1 工程概況

某商業(yè)住宅樓，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用PHC-500(100)-C80-15，15靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，樁長(zhǎng)30m，樁數(shù)為183根，單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為quk=2 500kN，持力層為⑨-3粉土層，本工程送樁深度5.76m。工程擬建場(chǎng)地各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

先期選用ZYZ-600型靜壓樁機(jī)施工，當(dāng)完成22根樁時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中有6根樁未達(dá)到樁端設(shè)計(jì)標(biāo)高。經(jīng)分析研究，施工區(qū)域內(nèi)淺部地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含水率35.0% ～58.8%，孔隙比0.938～1.550，飽和度100%，液性指數(shù)1.02～2.69。深部地層：⑥層為稍密—中密粉砂層，⑦層為中密—密實(shí)粉砂層，最薄處6m左右，最厚處達(dá)19m。在進(jìn)行沉樁施工時(shí)，因擠土效應(yīng)對(duì)樁周土體產(chǎn)生了較大的超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致樁周圍土體產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和豎向隆起，并使得土體密實(shí)度增加，同時(shí)對(duì)周圍成樁產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，當(dāng)側(cè)向擠壓力超過(guò)樁身抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成樁身開(kāi)裂甚至斷樁。

4.2 采取措施及效果分析

為了消除擠土效應(yīng)采取了如下措施：首先，將ZYZ-600型靜壓樁機(jī)換掉，施工時(shí)改用ZYZ-800型靜壓樁機(jī)施工;然后在施工區(qū)域外圍設(shè)置防震、減震溝渠;并調(diào)整施工順序和走向，預(yù)留超靜孔隙水壓力的釋放時(shí)間間隔，最終完成剩余的161根樁。

施工結(jié)束后，采用樁基低應(yīng)變檢測(cè)的方法對(duì)其中的61根樁進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果為：Ⅰ類樁52根，占所檢測(cè)樁數(shù)的85.2%;Ⅱ類樁7根，占所檢測(cè)樁數(shù)的11.8%;Ⅲ類樁2根，占所檢測(cè)樁數(shù)的3%。無(wú)Ⅳ類樁，其中Ⅲ類樁出現(xiàn)在前期樁端標(biāo)高未達(dá)標(biāo)(截樁)區(qū)域，后經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)達(dá)到總體設(shè)計(jì)要求。

由此可見(jiàn)，在此類擠土型樁基施工時(shí)，必須認(rèn)真研究場(chǎng)地地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件及樁基設(shè)計(jì)要求等，分析施工過(guò)程中的擠土效應(yīng)及影響程度，選用適宜的施工機(jī)械，制定切實(shí)可行的施工工藝及施工方案，以減輕或消除擠土效應(yīng)對(duì)成樁質(zhì)量的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)擠土樁的擠土效應(yīng)研究的理論起源于土力學(xué)的一維固結(jié)理論，但該理論在研究時(shí)存在較大缺陷，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，很多復(fù)雜的計(jì)算程序可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，為擠土效應(yīng)的研究提供了新的思路和方法。當(dāng)前擠土效應(yīng)的分析方法主要有：圓孔擴(kuò)張法(李月健，2001)、應(yīng)力路徑法、有限單元法(朱麗紅等，2010)等。沉樁擠土引起的地表位移符合隨機(jī)過(guò)程，應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論，提出了預(yù)計(jì)打樁引起的地表位移與變形的計(jì)算公式和計(jì)算程序。以小孔擴(kuò)張擠土理論為出發(fā)點(diǎn)，將打樁問(wèn)題簡(jiǎn)化為半無(wú)限體中的孔洞問(wèn)題，利用邊界單元法，對(duì)群樁施工過(guò)程中引起土體位移進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)研究分析，對(duì)擠土效應(yīng)進(jìn)行必要的定量計(jì)算和預(yù)測(cè)，從而判斷擠土樁施工產(chǎn)生的影響范圍和程度，以便采取有效的預(yù)防措施減少甚至消除擠土樁施工對(duì)工程和環(huán)境的不利影響。

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Analysis on driving effect and its mechanism in construction of compacting pile

DING Jin-hai1，2，LI Ji-tao1

(1．East China Geological Exploration Bureau of Nonferrous Metals，Jiangsu Province，Nanjing 210007，China;2．East China Construction Foundational Eugineering Corporation，Nanjing 210004，China)

When the weak foundation was unable to meet the requirements of bearing capacity in the course of foundation engineering construction，consolidation and strengthening treatment of the groundwork foundation were necessary．Soil-compacting pile was a right method，but it would bring about driving effect during construction that would affect the surrounding environment．The authors in the text analyzed the influence and mechanism caused by the driving effect，advanced preventive measures and cited engineering construction cases．

Driving effect;Porous water pressure;One-dimensional consolidation

TU753.3

A

1674－3636(2011)03－0317－05

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．03．317

2011－05－27;

2011－06－03;編輯：蔣艷

丁金海(1964—)，男，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程及地質(zhì)災(zāi)害治理等方面的設(shè)計(jì)、研究及技術(shù)管理工作，E-mail：jshddjh@sohu．com