PHC管樁擠土效應(yīng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析

賈志剛，張瑞敏，李 科，曾紅彪

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;2.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(以下簡(jiǎn)稱PHC管樁)以其優(yōu)良的特性在工程建設(shè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。作為一種預(yù)制樁，在樁體沉入土層時(shí)樁周土的結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)［1］，土體應(yīng)力狀態(tài)也隨之改變，產(chǎn)生擠土效應(yīng)。工程事故表明［2］，預(yù)制樁施工過(guò)程中發(fā)生斷樁、樁位偏移及上浮主要由沉樁產(chǎn)生的水平位移與超孔隙水壓力造成。因此，目前研究的熱點(diǎn)主要集中在群樁內(nèi)水平位移與超孔隙水壓力的分布規(guī)律上。但是，在城市建設(shè)過(guò)程中，由于建筑物比較密集，群樁施工產(chǎn)生的水平位移與超孔隙水壓力勢(shì)必會(huì)影響到周圍建筑物及地下管線的安全，已經(jīng)逐漸引起諸多關(guān)注。

目前尚無(wú)理論方法可以計(jì)算群樁外部水平位移和超孔隙水壓力的大小［3］，為此，在某實(shí)際工程中從周邊建筑物的角度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析，討論了樁群外水平位移與超孔隙水壓力的分布規(guī)律和影響范圍。這些結(jié)果可為進(jìn)一步的理論研究和機(jī)理探討積累資料和經(jīng)驗(yàn)，也為類似工程改進(jìn)施工序和減少樁基施工危害提供依據(jù)。

1 工程概況

本工程屬于駐馬店市某城中村改造工程，采用靜壓管樁基礎(chǔ)，樁型采用PHC－A500(100)，初步設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為20 m，有效樁長(zhǎng)為17.5 m，樁間距均為1.8 m，為3.6倍樁徑，呈正方形布置。壓樁施工方案如下:7#樓，總樁數(shù)為241根，壓樁的主方向?yàn)橛晌飨驏|;11#樓，總樁數(shù)為393根，壓樁的主方向?yàn)橛蓶|向西;13#樓，總樁數(shù)為344根，壓樁的主方向?yàn)橛蓶|向西，3棟樓的壓樁日期均為3月10日至4月5日。工程涉及到的土層主要有7層，從上到下依次分布如表1所示。樁端刺入⑦黏土最大深度為1.3 m。

表1 土層基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of soil strata

為確保在靜壓管樁及后期基礎(chǔ)工程施工階段的安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故前兆，避免周邊既有建筑物過(guò)量變形帶來(lái)的安全事故，對(duì)7#樓與11#樓南側(cè)的2棟(某居委會(huì)、八中教學(xué)樓)、13#樓西側(cè)1棟居民樓，進(jìn)行了靜壓樁施工、基坑開(kāi)挖降水施工期間擠土效應(yīng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)過(guò)程一共設(shè)置了6個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)、3個(gè)水平位移觀測(cè)點(diǎn)(測(cè)斜孔)和3個(gè)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置詳見(jiàn)圖1。測(cè)點(diǎn)(測(cè)斜儀與孔隙壓力計(jì))1，2，3與對(duì)應(yīng)壓樁區(qū)邊界線的距離L分別為5，7，6 m，同一測(cè)孔孔隙壓力計(jì)沿深度的的埋設(shè)位置分別為4，12，20 m。采用CX－03C型測(cè)斜儀，且只測(cè)量與基坑坑壁垂直的位移分量，并規(guī)定指向基坑內(nèi)部的水平位移為負(fù)，反之為正。選用電測(cè)法振弦式孔隙水壓力計(jì)，壓力觀測(cè)采用頻率接收儀測(cè)讀。

圖1 監(jiān)測(cè)平面布置Fig.1 Layout of monitoring instruments

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

本次監(jiān)測(cè)工作主要是從保護(hù)周邊建筑物的角度展開(kāi)，因此未在壓裝區(qū)域內(nèi)部布置測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)周圍建筑物的沉降，可以利用差異沉降來(lái)分析建筑物的損傷以便進(jìn)行施工預(yù)警，同時(shí)建筑物沉降也是地表隆起效應(yīng)的間接反映。本工程沉降觀測(cè)點(diǎn)通過(guò)膨脹螺栓設(shè)置在建筑物離地1.2 m高的位置，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移均未達(dá)到設(shè)定的預(yù)警值。因此，關(guān)于沉降問(wèn)題本文不作詳細(xì)論述。

需要說(shuō)明的是，在13#樓的壓樁過(guò)程中，考慮到其西側(cè)居民樓的特殊性，于3月25日在13#樓壓樁區(qū)邊界線西3 m處開(kāi)挖了1條卸壓溝，深度為2 m，寬度為1 m，卸壓溝位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)東側(cè)(內(nèi)側(cè))。監(jiān)測(cè)結(jié)果也證實(shí)該卸壓溝在一定程度上的有效性。

2.1 水平位移

水平位移監(jiān)測(cè)的正常頻率為1次/d，若發(fā)現(xiàn)日變形速率或總變形接近報(bào)警值時(shí)，縮短監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間，增加為每天早、晚監(jiān)測(cè)2次，并以2次數(shù)值中較大檢測(cè)值作記為當(dāng)日檢測(cè)值。為了清楚地表達(dá)水平位移隨深度的變化規(guī)律，對(duì)每個(gè)測(cè)斜孔，選取水平位移有較大變化檢測(cè)日的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，具體結(jié)果見(jiàn)圖2所示。其中1#孔位、2#孔位與3#孔位數(shù)據(jù)結(jié)果分別見(jiàn)圖 2中的(a)，(b)，(c)。結(jié)合圖2，分析如下:

(1)總體上看，1#孔位與2#孔位處的水平位移沿深度變化規(guī)律相似，即表層土體位移較大，隨著深度的增加，水平位移逐漸減小，樁端附近幾乎為0。其中4月5日，1#孔位最大位移量為11.3 mm，2#孔位最大位移量為14.4 mm。地表淺層土體大的主要原因是沉樁擠壓作用使得樁四周的土體向著壓力較小的方向產(chǎn)生位移，地表淺層土體受到的上覆壓力小，土的彈性模量也小，受擠壓后而導(dǎo)致的變形較大。

(2)在1#孔位與2#孔位處，隨著壓樁數(shù)量的增加，淺層土體位移累計(jì)值均逐漸增大，且樁端附近水平位移量一直維持在很小的值，但2個(gè)孔位處的水平位移日均增加量卻有明顯差異。1#孔位水平位移日均增加量呈現(xiàn)先小后大的特點(diǎn)，3月24日之前較小，如深度為－1 m處日均增加量為0.29 mm/d，3月24日之后明顯加大，深度同為－1m處日均增加量則為0.65 mm/d;2#孔位水平位移日均增加量呈現(xiàn)先小后大再變小特點(diǎn)，3月18日之前較小，如深度為－1 m處日均增加量為0.28 mm/d，3月18日至26日明顯加大，深度為－1 m處日均增加量為1.01 mm/d，3月26日之后又變小，在深度為 －1 m處日均增加量為0.38 mm/d。

圖2 不同日期土體水平位移隨深度變化曲線Fig.2 Curves of soil’s horizontal displacement vs.depth on different date

造成1#孔位與2#孔位處水平位移增長(zhǎng)規(guī)律差異的原因主要是壓樁的施工方向。參照?qǐng)D1可知，從壓樁開(kāi)始到壓樁中期，1#孔位與2#孔位都可看作處于迎樁面的位置，隨著壓樁的前進(jìn)，孔位與壓樁點(diǎn)的距離越來(lái)越小，其水平位移日均增加量逐步增大，直至壓樁點(diǎn)與測(cè)斜孔位平行時(shí)達(dá)到峰值。過(guò)了該位置以后，測(cè)點(diǎn)孔位則處于壓樁背向面的位置。隨著壓樁的前進(jìn)，處于背向面的孔位與壓樁點(diǎn)的距離會(huì)越來(lái)越大，且背向面的土體位移量值和速率均小于迎樁面，因此，2#孔位水平位移日均增加量必然由峰值逐漸減小。7#樓的走向使得處于背向面時(shí)1#孔位與壓樁點(diǎn)的距離逐漸減小，在一定程度上抵消了背向面與迎樁面位移增加的差異，并使得1#孔位水平位移日均增加量反而微弱增大。

(3)3#孔位處的水平位移沿深度的變化規(guī)律較為復(fù)雜。3月24日開(kāi)挖卸壓溝之前，水平位移沿深度近似線性變化，與其他2個(gè)孔位的情況類似。但位移累計(jì)值與日均增加量都較小，如深度為－1 m處分別為1.4 ，0.12 mm/d。3月24日之后，水平位移從地表沿深度近似線性增加，在深度－8 m處達(dá)最大值，而后水平位移沿深度近似線性減小。如4月5日時(shí)，－8 m處的位移值為4.9 mm，至－1 m處，位移逐漸減小為1.1 mm。且4月1日至5日期間水平位移日均增加量為0.8 mm/d。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明，樁基施工后水平位移隨時(shí)間逐步回彈。基坑降水之前土體回彈緩慢，基坑5 d降水期間土體回彈較快。如2#孔位基坑降水前3 d的最大回彈量為1.4 mm，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，土體的回彈速率明顯變小，基坑降水前6 d的最大回彈量為2 mm，基坑降水期間最大回彈量為8.1 mm。

2.2 超孔隙水壓力

在飽和黏性土中沉樁，樁周土體中會(huì)產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力。依據(jù)本工程土層資料可知，樁周土體屬于低滲透性土，超孔隙水壓力的消散也就很慢。隨著壓樁數(shù)量的增加，測(cè)點(diǎn)超孔隙水壓力也在逐漸增加。從超孔隙水壓力對(duì)周邊建筑物地基土的影響程度看，顯然，壓樁過(guò)程中出現(xiàn)的超孔隙水壓力最大值有重要意義。因此，為了描述特定測(cè)孔內(nèi)超孔隙水壓力隨深度的變化規(guī)律以及相同深度處不同測(cè)孔內(nèi)超孔隙水壓力隨測(cè)孔與壓樁區(qū)距離的關(guān)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，具體見(jiàn)圖3與圖4。結(jié)合圖3、圖4分析如下。

圖3 不同測(cè)點(diǎn)△u/σe隨深度變化曲線Fig.3 Curves of△u/σevs.depth at different measurement points

圖4 不同埋深△u/σe隨距離變化曲線Fig.4 Curves of △u/σevs.distance at different depths

(1)對(duì)于3個(gè)測(cè)點(diǎn)而言，其超孔隙水壓力與上覆有效壓力比值(△u/σe)均隨深度近似線性增加，測(cè)點(diǎn)KX3直線的斜率最小。也即說(shuō)明同一測(cè)點(diǎn)的超孔隙水壓力值隨深度逐漸增大，且深度越大，超孔隙水壓力值越接近上覆有效土壓力比值。其中測(cè)點(diǎn)KX3在埋深 4 m 處，△u/σe為 0.56，在埋深 20 m處，△u/σe為 0.64，△u/σe沿深度的增加率為0.005/m，是3個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大的。

(2)平面位置上，在相同深度處的各測(cè)點(diǎn)，隨著離開(kāi)沉樁區(qū)距離的增大，其測(cè)得的超孔隙水壓力均不斷減小，并且與離沉樁區(qū)的距離近似呈線性關(guān)系，回歸擬合方程見(jiàn)表2。同一深度處，隨著離開(kāi)沉樁區(qū)距離的增大，各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的超孔隙水壓力衰減很快。如對(duì)埋深4 m處的回歸方程進(jìn)行求解可得，離開(kāi)沉樁區(qū)邊界線大于12.3 m的地點(diǎn)，靜壓樁施工產(chǎn)生的超孔隙水壓力已小于5 kPa，離開(kāi)沉樁區(qū)邊界線大于14 m的地點(diǎn)，超孔隙水壓力已為0 kPa。工程上通常只考慮△u≥5 kPa時(shí)超孔隙水壓力對(duì)樁周土體的影響［4］，所以取△u≥5 kPa時(shí)離開(kāi)沉樁區(qū)邊界線的距離為超孔隙水壓力影響半徑。求解回歸方程可得，在埋深12 m處、20 m處影響半徑分別為14.6 m和16.1 m。可見(jiàn)，超孔隙水壓力影響半徑隨深度的增加逐步增大，最大影響半徑約為樁直徑的29倍。

表2 壓樁過(guò)程中超孔隙水壓力值與影響范圍Table 2 Values of excess pore water pressure and its influence scope during piling

(3)在沉樁20 d后，超孔隙水壓力消散率都達(dá)到了60%以上，但不同深度處超孔隙水壓力值差異較大。埋深4 m處，各測(cè)點(diǎn)的超孔隙水壓力消散的很快，其值均小于5 kPa。相反地，埋深20 m處，各測(cè)點(diǎn)的超孔隙水壓力下降很小，保持在一個(gè)相對(duì)較高的值。主要原因是由于該土層為黏土，天然含水量高，透水性低，滲透系數(shù)比上層的粉質(zhì)黏土的低2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以該土層消散較慢。另外還可發(fā)現(xiàn)，距離沉樁區(qū)近的測(cè)點(diǎn)的超靜孔壓消散較慢，且同一測(cè)點(diǎn)，超靜孔壓消散速度隨深度的增長(zhǎng)逐漸緩慢。

3 討論

(1)群樁的擠土效應(yīng)機(jī)制與單樁明顯不同。本樁基工程中樁間距均為3.6倍的樁徑，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［1－2］給出的臨界樁間距，沉樁過(guò)程中超孔隙水壓力也會(huì)由于“水裂”作用增大到有效上覆壓力即基本趨于穩(wěn)定。在樁群內(nèi)部，埋深相同的各點(diǎn)穩(wěn)定值基本上一致。在樁群外部，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，超孔隙水壓力與群樁邊界線的距離近似成線性關(guān)系，這與基于圓柱擴(kuò)張理論得到的單樁超孔隙水壓力與距離呈對(duì)數(shù)衰減［4］顯然不同。

實(shí)測(cè)的水平位移值與距離的變化關(guān)系與單樁的情況也并不完全類似。對(duì)于單樁來(lái)說(shuō)，測(cè)點(diǎn)與樁之間的距離越大，測(cè)點(diǎn)的水平位移值就越小。對(duì)于群樁的水平位移值，由圖2可知，1#孔位處的最大水平位移值小于2#孔位處的最大水平位移值。但是，1#孔與7#樓壓樁區(qū)域邊界線的距離卻小于2#孔與11#樓壓樁區(qū)域邊界線的距離。原因可能如下，7#樓的總樁數(shù)約為11#樓的2/3，相比而言，7#樓壓樁區(qū)總排土量小于11#樓總排土量。所以，盡管1#孔位與壓樁區(qū)距離近，但最大水平位移卻相對(duì)較小。另外，7#樓壓樁速度比11#樓快，在一定程度上也影響了水平位移的變化規(guī)律。這說(shuō)明群樁的擠土效應(yīng)遠(yuǎn)比單樁復(fù)雜，受沉樁方法等眾多因素影響。

(2)卸壓溝減輕沉樁擠土效應(yīng)的有效性。從圖2(CX3)可以看出，3月24日在13#樓西側(cè)開(kāi)挖卸壓溝前后該測(cè)點(diǎn)的土體位移隨深度變化曲線發(fā)生了明顯的變化。開(kāi)挖卸壓溝前表層土體水平位移較大，隨深度近似線性減小;開(kāi)挖卸壓溝后，在深度6 m以上土體水平位移呈現(xiàn)了近似線性的反向分布，至表層土體時(shí)水平位移已很小。據(jù)此可推斷卸壓溝對(duì)水平土體位移的影響深度約為其開(kāi)挖深度的2倍。從表2中測(cè)點(diǎn)KX3的數(shù)據(jù)看，不能判斷出卸壓溝的設(shè)置對(duì)該測(cè)點(diǎn)超孔隙水壓力有明顯的影響，且卸壓溝的影響深度相比樁長(zhǎng)有限。從樁承載力時(shí)效性受整個(gè)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)超孔隙水壓力狀態(tài)影響的角度考慮，卸壓溝的設(shè)置對(duì)超孔隙水壓力、樁承載力時(shí)效性影響有限。

此外，壓樁機(jī)對(duì)土體的位移有很大的影響［5］，其作用首先表現(xiàn)在，其縱向行走機(jī)構(gòu)在靜壓樁沉入土體過(guò)程中對(duì)土體位移的限制。樁機(jī)縱向行走機(jī)構(gòu)是由很厚的鋼板焊接而成，剛度很大，從現(xiàn)場(chǎng)可以看到，其沉降是整體一致的。剛度大、上部荷載又大，必然會(huì)限制土體在垂直于其軸線方向的運(yùn)動(dòng)(豎向的隆起和水平向的擠出)，而由于垂向受到限制，土受擠位移將在平行于縱向行走機(jī)構(gòu)的方向加大，這與通常所假定的軸對(duì)稱情況是不相同的。

4 結(jié)語(yǔ)

群樁擠土效應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，以可能受到影響的周邊環(huán)境考慮，這種影響的強(qiáng)弱不僅取決于檢測(cè)點(diǎn)與群樁邊界線的距離，還受到施工方法、樁的數(shù)量、樁徑(擠壓作用)、樁間距、土體物理力學(xué)參數(shù)(密實(shí)度、滲透性)等眾多因素影響。就本工程而言，可以得出如下結(jié)論:

(1)在群樁外，超孔隙水壓力值隨著群樁邊界線距離的增加近似呈線性減小，且超孔隙水壓力影響半徑隨深度的增加逐步增大，最大影響半徑約為樁直徑的29倍。

(2)水平位移的總體特點(diǎn)表現(xiàn)為，表層土體位移較大，隨著深度的增加，水平位移逐漸減小，樁端附近幾乎為零。且水平位移受到卸壓溝的顯著影響，有效影響深度約為卸壓溝深度的2倍，在此深度以上水平位移近似線性反向分布。

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