預(yù)制沉樁穿透濱海粉砂地層施工措施

史懷月，杜梓鵬，張寧

（1.上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海 200032；2.上海基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展（集團(tuán)）有限公司，上海 200032；3.浙江天平投資咨詢有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

管樁沉樁過(guò)程中高強(qiáng)度的振動(dòng)將不可避免地?cái)_動(dòng)附近土體，引起土體擠壓側(cè)移和地下水位變化，將發(fā)生土體應(yīng)力重分布，如果地層含水率高，在沉樁深度方向就會(huì)存在壓力差的特點(diǎn)進(jìn)而形成超孔隙水壓力，這就導(dǎo)致管樁在沉樁作業(yè)剪切穿透地層時(shí)，在水壓作用下牢牢包裹樁身，即發(fā)生工程常稱的“剪脹”現(xiàn)象，阻礙孔隙水沿樁身上升，影響孔隙水壓力釋放，形成巨大的超孔隙水壓力[1]。剪脹產(chǎn)生后會(huì)在樁尖下方形成浮力層，樁尖越深浮力越大，達(dá)到錘擊動(dòng)能極限時(shí)表現(xiàn)為地面的管樁錘擊后彈起。如果反復(fù)擊打次數(shù)過(guò)多，管樁容易發(fā)生碎裂。所以，針對(duì)管樁沉樁過(guò)程中超孔隙水壓力具有很大研究意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)不同地質(zhì)條件對(duì)PHC 預(yù)制管樁施工進(jìn)行了研究，為實(shí)際工程施工提供了大量的技術(shù)指導(dǎo)。其中，BANG[2]通過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承載力和彎剪試驗(yàn)對(duì)不同地質(zhì)條件下的管樁進(jìn)行研究，結(jié)果表明土體承載力顯著提高。宋杰[3]將PHC 混凝土管樁結(jié)合鋼樁靴的應(yīng)用擴(kuò)展了沉樁的應(yīng)用范圍。陳春雷[4]、趙升峰[5]等結(jié)合國(guó)內(nèi)某砂質(zhì)地層具體工程，進(jìn)行了單樁豎向承載力靜載試驗(yàn)，得出了砂性土沉樁承載力計(jì)算公式，并對(duì)沉樁過(guò)程中出現(xiàn)斷樁的現(xiàn)象進(jìn)行針對(duì)性推斷，推出來(lái)樁尖阻比范圍，為施工提供了技術(shù)參考。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者[6-8]針對(duì)不同地質(zhì)條件下沉樁技術(shù)的施工展開(kāi)了試驗(yàn)研究，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)沉管技術(shù)施工的空白，也針對(duì)性地解決了施工過(guò)程中一些施工難點(diǎn)。迄今為止，國(guó)內(nèi)很多研究人員[9-10]針對(duì)不同地質(zhì)條件、施工工藝等對(duì)PHC 混凝土管樁的承載力、強(qiáng)度、剛度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為以后的工程施工提供了很大的參考價(jià)值，也為以后研究者們提供了研究方向。

本文依托余姚市大面積廠房軟基管樁沉管施工工程，解決管樁在沉樁作業(yè)剪切穿透地層時(shí)，形成巨大超孔隙水壓力的問(wèn)題，為以后工程施工提供參考。

2 工程概況

本工程位于余姚市小曹娥鎮(zhèn)濱海工業(yè)區(qū)，為微電子集成電路IC 封裝測(cè)試項(xiàng)目新建廠房。項(xiàng)目總用地面積92 428.4 m2，總建筑面積359 928.62 m2，地下總建筑面積14 983.14 m2。擬建物為框架結(jié)構(gòu)，擬采用樁基礎(chǔ)，單柱最大荷載預(yù)估為5 000 kN，基礎(chǔ)埋深約1.0 m。地基變形允許值為0.002 L（L 為相鄰柱基的中心距，單位為m）。目前，正在施工的3 號(hào)、4 號(hào)、8號(hào)單體的直徑600 mm 的PHC 管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)46～50 m。樁基數(shù)量將近3 000 根。典型地層斷面物理參數(shù)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

PHC 管樁沉樁施工基本以錘擊法為主，打樁順序按照對(duì)稱、分塊、中間向四周的原則采取S 形路線打樁。為減少打樁擠土對(duì)周邊環(huán)境造成影響，沿單體建筑四周布置了防擠溝、應(yīng)力釋放孔，同時(shí)在3 號(hào)廠房四周布置土體位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、地下水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體檢測(cè)點(diǎn)布置位置如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，截至5 月29 日，在3 號(hào)、4 號(hào)、8 號(hào)單體已完成沉樁的2021 根樁基中，共有38 根PHC 管樁發(fā)生打樁過(guò)程樁頭破碎或打不下去的情況，占比1.88%。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 號(hào)廠房樁基施工期間的監(jiān)測(cè)委托第三方監(jiān)測(cè)公司實(shí)施，每日提供一份監(jiān)測(cè)報(bào)告，5 月28 日的監(jiān)測(cè)報(bào)告如表2 和表3所示。

表2 周邊地表豎向位移原始值記錄表

表3 孔隙水壓力原始值記錄表

4 問(wèn)題分析

4.1 施工方法、施工機(jī)械分析

1）本工程樁基施工前，項(xiàng)目部會(huì)同勘察、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、全過(guò)程、項(xiàng)管等單位組織實(shí)施了設(shè)計(jì)試樁、工程試樁，根據(jù)試樁得到數(shù)據(jù)制訂了樁基施工專項(xiàng)方案，并通過(guò)公司審批和監(jiān)理審批，對(duì)樁基作業(yè)班組進(jìn)行了安全技術(shù)交底。

2）考慮到3-1b“鐵板砂層”難以穿透的特點(diǎn)，余姚濱海地區(qū)打樁遵循重錘輕擊的原則，選用重型樁錘，克服3-1b“鐵板砂層”。從破碎樁基進(jìn)入的地層數(shù)據(jù)看，大部分并未發(fā)生在3-1b“鐵板砂層”，這說(shuō)明了該方法的有效性。

4.2 樁材分析

1）本工程目前所用管樁由第三方供應(yīng)商提供，3 家單位都具有合法經(jīng)營(yíng)資格，能夠提供產(chǎn)品合格證。管樁規(guī)格符合圖紙要求。

2）4 號(hào)廠房深基坑采用的其中一家制造商管樁發(fā)生較多打樁破碎問(wèn)題后，公司工程部對(duì)其進(jìn)行了混凝土現(xiàn)場(chǎng)回彈檢測(cè)、鋼筋直徑檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)超出規(guī)范要求。

3）針對(duì)4 號(hào)廠房深基坑部位有較多管樁打碎的情況，于5月29 日在該區(qū)域打了其他兩家的2 根管樁，結(jié)果都發(fā)生破碎。因此，排除管樁質(zhì)量不好引起破碎的可能性，應(yīng)為地質(zhì)原因。該區(qū)域破碎管樁共23 根，占全部的60%。

4）目前，發(fā)生破碎的管樁的分布情況：從平面上看大部分集中于幾塊區(qū)域，從地層角度觀察大部分位于樁尖進(jìn)入3-2層，分析的重點(diǎn)應(yīng)放在地質(zhì)方面。

4.3 地質(zhì)分析

該地層平均含水率高，且標(biāo)準(zhǔn)差大，最大值高達(dá)52.8%。觀察本工程5 月21 日—5 月25 日，位于3-2 層的20 m 和26 m深度水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4 和表5 所示。

表4 20 m深度水壓kPa

表5 26 m深度水壓kPa

可以觀測(cè)到SYL4 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水頭壓力差在20～26 m，最高達(dá)194 kPa，而且26 m 深度的水壓在5 d 內(nèi)從290 kPa 增加到326 kPa，增幅達(dá)12.4%，這與3 號(hào)廠房該時(shí)間段沉樁施工不斷逼近SYL4 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)一致。而3 號(hào)廠房?jī)?nèi)部的3-2 層孔隙水壓力無(wú)法釋放，會(huì)遠(yuǎn)超監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

由于3-2 層具有含水率高、超孔隙水壓力隨著沉樁施工快速增長(zhǎng)、深度方向存在壓力差的特點(diǎn)，管樁在沉樁作業(yè)剪切穿透“鐵板砂層”時(shí)，“鐵板砂層”底層的砂土和3-2 黏土在水壓作用下牢牢包裹樁身，阻礙孔隙水沿樁身上升，影響孔隙水壓力釋放。巨大超孔隙水壓力，在樁尖下方形成浮力層，樁尖越深浮力越大，達(dá)到錘擊動(dòng)能極限時(shí)表現(xiàn)為地面的管樁錘擊后彈起。如果反復(fù)擊打次數(shù)過(guò)多，管樁容易發(fā)生碎裂。

由于本工程廠房樓面設(shè)計(jì)荷載很大，管樁穿越的土層中有多層軟弱層，側(cè)阻力較小，樁長(zhǎng)受到4-3 砂質(zhì)粉土層的限制。因此，本工程樁基布置十分密集，進(jìn)一步加劇了3-2 層超孔隙水壓力的增長(zhǎng)。根據(jù)2017 甬SS-01《寧波市建筑樁基設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（見(jiàn)表6），本工程最小樁間距應(yīng)為4d（d 為樁身設(shè)計(jì)直徑），即2.4 m。而部分群樁承臺(tái)、深基坑基礎(chǔ)的樁間距已達(dá)極限具體如圖2 和圖3 所示。

圖2 深基坑基礎(chǔ)樁布置

圖3 樁承臺(tái)樁基布置

表6 樁的最小中心距

在短時(shí)間內(nèi)大量密集沉樁、3-2 層超孔隙水壓力迅速增長(zhǎng)的前提下，水壓的自然消散需要較長(zhǎng)時(shí)間。2-2 粉質(zhì)黏土、3-1a黏質(zhì)粉土、3-2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)都比較小，透水性很差。

4.4 分析總結(jié)

通過(guò)以上分析，沉樁施工目前遇到困難的根本原因是3-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層因大量管樁短時(shí)間內(nèi)密集刺入產(chǎn)生的超孔隙水壓力無(wú)法有效釋放，增加了沉樁阻力。沉樁質(zhì)量關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)做到“對(duì)癥下藥”，從根本上解決這一問(wèn)題。

5 應(yīng)對(duì)措施

為保證沉樁順利進(jìn)行，要對(duì)3-2 超孔隙水壓力過(guò)大的問(wèn)題“治本”。因此，制定如下技術(shù)路線。

1）優(yōu)化應(yīng)力釋放措施，應(yīng)力釋放孔穿透“鐵板砂層”，進(jìn)入3-2 地層釋放超孔隙水壓力。

2）長(zhǎng)螺旋引孔施工，采用挖機(jī)配合土方運(yùn)輸車，在承臺(tái)位置填筑1 m 厚塘渣并壓實(shí)，并1∶2 放坡，以保證樁機(jī)安全。根據(jù)該工程的地質(zhì)情況選用2 臺(tái)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)，根據(jù)規(guī)范預(yù)鉆孔孔徑可比樁徑小50～100 mm，本工程需引孔樁的樁徑為600 mm，故引孔機(jī)配φ500 mm 的鉆桿。

本工程樁有效樁長(zhǎng)為46～50 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及試樁情況，預(yù)鉆孔深度取20 m，鉆孔前對(duì)樁位拉十字線做保護(hù)樁，鉆孔結(jié)束之后，將土回填到所引孔內(nèi)，挖機(jī)平整，進(jìn)行二次定位，再在原先鉆好的孔位置進(jìn)行沉樁施工，將收集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與之前進(jìn)行對(duì)比，如表7 和表8 所示。

表7 改造前后周邊地表豎向位移對(duì)比表

表8 改前后孔隙水壓力對(duì)表

通過(guò)表7、表8 數(shù)據(jù)對(duì)比可知，長(zhǎng)螺旋引孔可明顯減小樁基施工過(guò)程中引起的周邊位移并釋放大量地下土應(yīng)力。因此，此方法可行。

6 結(jié)論

針對(duì)上覆砂層下部為含水量較高的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層采用預(yù)鉆孔沉樁法通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：明顯改善擠土效應(yīng)，地基明顯改善，地基土位移可減小30%～50%，超孔隙水壓力值可減小40%～50%，并可減少對(duì)已沉入樁的擠推和上浮，通過(guò)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)引孔也有利于減少樁機(jī)噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響。