深層攪拌樁施工擠土效應(yīng)分析

李靖++李鴻博

摘 要：深層攪拌樁作為軟土地基處理的一種新方法，正越來越多地被應(yīng)用到基礎(chǔ)工程中去。實(shí)踐證明，深層攪拌樁也存在擠土效應(yīng)。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)相關(guān)的墻體側(cè)向位移和管道沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，總結(jié)出了攪拌樁擠土效應(yīng)的特點(diǎn)及其在不同的施工工藝所表現(xiàn)出來的規(guī)律，并分析了產(chǎn)生這些規(guī)律的原因。最后用Sagaseta的源-匯理論得到的位移計(jì)算公式對(duì)這些規(guī)律做了一定的理論分析。

關(guān)鍵詞：地基處理；攪拌樁；擠土效應(yīng)；位移

中圖分類號(hào)：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

深層攪拌樁作為一種新型的地基處理形式，自1980年在我國(guó)獲得成功后，得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于深層攪拌樁的施工，一直以來基本忽略了它對(duì)周圍環(huán)境的影響。但隨著無數(shù)施工過程的積累，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，深層攪拌樁的施工也會(huì)產(chǎn)生一定的擠土效應(yīng)，導(dǎo)致周圍土體的側(cè)向位移和地表隆起。在地下管線和地下設(shè)施密集的地方進(jìn)行深層攪拌樁的施工，如果不能很好地控制攪拌樁的施工，擠土效應(yīng)將造成很大的危害，因此有必要對(duì)深層攪拌樁的擠土效應(yīng)作系統(tǒng)的研究。

1 工程實(shí)例分析

1.1 工程概況

該工程為某城市地鐵車站的施工，施工區(qū)域周邊環(huán)境保護(hù)是施工過程中的重要環(huán)節(jié)。施工的車站緊貼已有的一個(gè)地鐵車站，在施工過程中將對(duì)已有車站造成影響，在車站基坑施工過程中對(duì)其進(jìn)行保護(hù)是監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)之一。另外施工基坑周圍有大量的地下管線，基坑施工過程中需加強(qiáng)對(duì)上述管線的保護(hù)。

車站基坑開挖采用攪拌樁維護(hù)。在基坑周圍已有車站的地下連續(xù)墻上布置了位移測(cè)點(diǎn)，在周圍管線上布置了沉降測(cè)點(diǎn)。

本工程攪拌樁采用“兩次噴漿，三次攪拌”，即“兩噴三攪”，攪拌樁長(zhǎng)約16米，13到16米由于圍護(hù)需要，噴漿量增加一倍。

1.2 數(shù)據(jù)分析

從攪拌樁的施工工藝看，攪拌樁下沉?xí)r由于注入了相當(dāng)體積的漿液，而且在注入漿液的同時(shí)，注漿壓力也會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生擠壓作用，因此使得原有的地層產(chǎn)生附加應(yīng)力和體積擴(kuò)張，導(dǎo)致了地下連續(xù)墻的側(cè)向位移和地下管線的沉降。在此過程中，還會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，由于飽和粘性土的不排水性，孔隙水壓力的積聚加劇了攪拌樁的擠土效應(yīng)。對(duì)攪拌樁擠土效應(yīng)大小存在內(nèi)因和外因兩方面的影響，內(nèi)因如注漿量、水灰比、水泥摻入量等，外因如施工距離、施工流向等。由于在施工過程中水灰比，水泥摻入量都是一定的，下面我們將著重從外因來討論它對(duì)攪拌樁的擠土效應(yīng)的影響，并且還將總結(jié)擠土效應(yīng)表現(xiàn)出來的一些規(guī)律。

以下圖中，橫坐標(biāo)表示日期，縱坐標(biāo)表示位移，其中Q為地下連續(xù)墻墻體位移測(cè)點(diǎn)，位移為正表示遠(yuǎn)離基坑方向位移，S為管線沉降測(cè)點(diǎn)，位移為正表示垂直隆起。

1.3 施工距離對(duì)擠土的影響

如圖1，1-7（表示1月7號(hào)）到1-10，攪拌樁在離S13較遠(yuǎn)的地方施工，S13隆起值基本沒有變化；1-12到1-15，攪拌樁施工地點(diǎn)在S13測(cè)點(diǎn)附近，隆起值不斷增大且接近最大值，然后隨著施工地點(diǎn)離測(cè)點(diǎn)越來越遠(yuǎn)，1-17后隆起值開始回落。

可以發(fā)現(xiàn)，施工地點(diǎn)離測(cè)點(diǎn)距離相當(dāng)遠(yuǎn)，可以基本忽略它對(duì)測(cè)點(diǎn)處的影響，而隆起值的變化主要集中在測(cè)點(diǎn)附近施工的時(shí)段，所以可以認(rèn)為：某處受攪拌樁的擠土作用，只是在接近該處的一定范圍內(nèi)（范圍大小受很多因素影響）的攪拌樁施工會(huì)對(duì)該處產(chǎn)生擠土效應(yīng)，距離越近，擠土效應(yīng)越明顯，超過一定的距離，施工對(duì)其基本沒有影響。

1.4 施工流向?qū)D土的影響

在其它因素相同的情況下，不同施工流向會(huì)對(duì)擠土效應(yīng)的大小產(chǎn)生影響。我們?nèi)×藘山M距離很接近的測(cè)點(diǎn)，即認(rèn)為其它影響因素大致相同，考慮不同流向?qū)λ鼈兟∑鹬档挠绊憽?/p>

如圖2，S13附近攪拌樁是朝同一個(gè)方向施工，而S14附近是由兩邊同時(shí)向中間施工，可以看出，S14隆起值出現(xiàn)的最大值明顯比S13大，由此可見，由兩邊同時(shí)向中間施工擠土效應(yīng)更明顯。

同時(shí)，如果先施工內(nèi)排樁，然后再進(jìn)行外排的攪拌樁施工，由于內(nèi)排樁會(huì)形成一個(gè)屏障，擠土效應(yīng)也會(huì)減弱。

1.5 成樁數(shù)量對(duì)擠土的影響

成樁數(shù)量的多少對(duì)擠土效應(yīng)的大小有著直接的影響。圖3為Q3測(cè)點(diǎn)處地下連續(xù)墻在不同深度處的位移變化曲線。

11-6在Q3附近施工最里層單排樁時(shí)，Q3位移很小，變化不大，擠土效應(yīng)很??；11-7，11-8沒有施工，位移馬上回彈；而11-9到11-12在Q3附近施工余下幾排樁，成樁數(shù)量是單排時(shí)的2倍多，位移量急劇增加，接近最大值?？梢哉J(rèn)為，施工的攪拌樁數(shù)量越多，擠土效應(yīng)就越大。一次連續(xù)成樁數(shù)量的增加，位移值和隆起值也會(huì)急劇增加，兩者不是同一量級(jí)的增長(zhǎng)。在上面的例子中，攪拌樁的一次成樁數(shù)量增加了一倍多，但位移卻增加10倍左右，擠土效應(yīng)的增加非常明顯。

1.6 沿深度的影響規(guī)律

圖4統(tǒng)計(jì)了 Q9測(cè)點(diǎn)處地下連續(xù)墻沿深度出現(xiàn)的最大位移：

由圖3和圖4可以看出：

1）沿著深度連續(xù)墻水平位移變化規(guī)律是基本一致的；

2）除了接近地表和底部范圍出現(xiàn)的水平位移很小外，沿著攪拌樁深度的其它區(qū)域都有較明顯的位移，且擠土效應(yīng)對(duì)周圍土體側(cè)向位移影響最大的區(qū)域出現(xiàn)在樁的中部。

圖5是統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)Q3，Q4，Q8， Q9， Q10， Q11， Q12現(xiàn)最大位移的位置：

由圖5可以看出，地下連續(xù)墻出現(xiàn)最大水平位移的位置大約在13-14米左右。

考慮現(xiàn)場(chǎng)因素，原因可能有以下幾點(diǎn)：

1）施工因素：13～16米攪拌樁施工時(shí)由于結(jié)構(gòu)的需要，噴漿量增加一倍，因此該段受到的擾動(dòng)應(yīng)該更大；

2）土質(zhì)條件的因素：該段屬于中高壓縮性土，壓縮模量小，變形容易。

綜合以上因素，如果把地下墻最下端看作固定段，位移最大值應(yīng)該出現(xiàn)在13～16米，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

1.7 滯后現(xiàn)象的分析

在分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)某些位移出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。攪拌樁不在測(cè)點(diǎn)附近施工，位移或隆起值沒有立刻停止，而是有一到兩天繼續(xù)增長(zhǎng)。

如圖4，Q3附近的攪拌樁在11-12全部完成，但Q3的水平位移在11-13仍然有增長(zhǎng)，直到11-14才開始回落。擠土效應(yīng)有一天左右的滯后。

滯后效應(yīng)在國(guó)內(nèi)相關(guān)文章中尚未見論述，但隨著今后施工過程中對(duì)周圍環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，攪拌樁施工擠土效應(yīng)的滯后現(xiàn)象受重視的程度必將越來越高。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，攪拌樁施工時(shí)擠土效應(yīng)的滯后效果不是很明顯，只有在大批連續(xù)成樁時(shí)才表現(xiàn)出來，當(dāng)成樁數(shù)量很小時(shí)，基本可以忽略。

1.8 回彈

攪拌樁遠(yuǎn)離該處施工，擠土效應(yīng)逐漸衰減時(shí)，位移會(huì)出現(xiàn)回彈。如圖6，1-17以后攪拌樁的擠土效應(yīng)逐漸消失，隆起值不斷回彈，但幅度很小，并逐漸趨于平緩。

孔隙水壓力的影響是出現(xiàn)回彈現(xiàn)象的主要原因。在施工期間擠土?xí)a(chǎn)生超孔隙水壓力，由于不飽和粘性土的不排水性，孔隙水壓力不斷增大，增加了擠土效應(yīng)；而當(dāng)停止施工，孔隙水壓力會(huì)慢慢消散，土中應(yīng)力減小，因此位移會(huì)有一定的回彈；但是孔隙水壓力的消散比積聚慢的多，因此回彈很緩慢，并且也不會(huì)恢復(fù)到原來的數(shù)值，而是到一定的數(shù)值就基本不在變化。因此回彈量也只會(huì)到一定的數(shù)值，希望位移能回彈到原來的狀態(tài)是不可能的。

2 理論分析

分析打樁對(duì)環(huán)境的影響以往用較多利用圓孔擴(kuò)張理論，研究打樁在土體中產(chǎn)生的擠壓力，從而推算土體的位移。經(jīng)典的圓孔擴(kuò)張理論有一個(gè)缺點(diǎn)，即將一維的圓孔擴(kuò)張解應(yīng)用于樁體貫入這樣一個(gè)三維問題，導(dǎo)致其解只與徑向坐標(biāo)有關(guān)，而與豎直坐標(biāo)無關(guān)，并忽略了孔壁豎向摩擦力的影響。因此使用圓孔擴(kuò)張理論來分析攪拌樁的擠土效應(yīng)，特別是在群樁施工以及綜合考慮其它因素的情況下，顯得非常困難。

本文利用Sagaseta的源-匯理論，考慮攪拌樁施工的擠土效應(yīng)。詳細(xì)推導(dǎo)過程請(qǐng)參見文獻(xiàn)。由此得到的單根攪拌樁施工時(shí)引起的土體中某點(diǎn)的位移為：

豎向位移：

根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)該公式的分析結(jié)果，越接近樁體，地表隆起值越大；對(duì)于樁周土體的水平位移，除了接近地表和樁尖下部區(qū)域水平位移較小外，樁身的絕大部分，都會(huì)產(chǎn)生一定的水平位移，且在中部達(dá)到最大。水平位移會(huì)隨著離樁軸線距離的增加而逐漸減小。這與1.2.1節(jié)，1.2.4節(jié)分析的現(xiàn)象都是相符的。

考慮群樁效應(yīng)時(shí)，可以利用以下的公式計(jì)算：

這些系數(shù)即綜合考慮了1.2.2節(jié)，1.2.3節(jié)所述的影響，這也是對(duì)擠土效應(yīng)影響最為明顯的兩個(gè)因素。筆者認(rèn)為應(yīng)該根據(jù)不同的工程情況總結(jié)這些系數(shù)。

同時(shí)對(duì)于不同地質(zhì)條件，孔隙水壓力的變化，以及1.2.5所述的滯后現(xiàn)象等等因素，由于條件太復(fù)雜，公式都沒有考慮到，有待于今后繼續(xù)研究。

3 結(jié)語

本文根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了攪拌樁擠土效應(yīng)的一些規(guī)律，同時(shí)利用由Sagaseta的源-匯理論得到的位移計(jì)算公式對(duì)這些規(guī)律做了一定的理論研究：

（1）在深層攪拌樁的施工因素的影響下，離施工樁的距離越近，一次連續(xù)成樁的數(shù)量越多，擠土效應(yīng)越大，造成的墻體水平位移和管線的隆起值就越大。同時(shí)不同的施工流程也會(huì)對(duì)擠土效應(yīng)的大小造成一定的影響；

（2）周圍土體受攪拌樁擠土效應(yīng)影響出現(xiàn)最大水平位移的深度，應(yīng)該出現(xiàn)在攪拌樁中部附近，同時(shí)如果某一深度注漿量顯著增加的話，該段擾動(dòng)也會(huì)顯著增大，綜合地層的因素，即壓縮模量的大小，可以估計(jì)出現(xiàn)最大位移的深度；

（3）擠土效應(yīng)會(huì)有一定的滯后，并且在附近沒有攪拌樁施工時(shí)，位移和隆起值有一定的回彈。

相應(yīng)于這些因素，施工中可以采取一些措施來減少擠土效應(yīng)的影響，如減少成樁數(shù)量，減緩成樁速率，挖設(shè)卸壓槽等等。

由于該研究課題在工程實(shí)踐上有重要的意義，因此今后需要搜集更多更全面的資料：如不同的地質(zhì)條件，不同的水灰比，不同的施工速率等等進(jìn)行全面的分析；尋求更合適的力學(xué)模型，從理論上對(duì)攪拌樁施工時(shí)土體周圍的情況進(jìn)行更準(zhǔn)確的模擬；對(duì)群樁效應(yīng)作進(jìn)一步的探討；擬合出實(shí)用的公式，對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)等。

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（本文審稿 柳立生）