靜壓樁沉樁擠土效應(yīng)控制措施研究*

汪耀武,張 揚

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木建筑工程系,湖北黃岡438002)

靜壓樁沉樁擠土效應(yīng)控制措施研究*

汪耀武,張 揚

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木建筑工程系,湖北黃岡438002)

靜壓樁在沉樁過程中會產(chǎn)生擠土效應(yīng),對周圍環(huán)境造成不利影響。分析了擠土效應(yīng)的具體表現(xiàn),并且從設(shè)計和施工兩個方面提出控制措施。在具體工程中可根據(jù)實際情況綜合考慮,采取相應(yīng)的合理控制措施。

地基基礎(chǔ)工程;靜壓樁;擠土效應(yīng);控制措施

1 概述

靜壓樁作為擠土樁,在沉入飽和粘性土、特別是飽和軟土地基的過程中,樁身將置換同體積的土,會產(chǎn)生巨大的側(cè)向擠壓作用,對周圍環(huán)境產(chǎn)生多方面的不利影響,這些影響統(tǒng)稱為擠土效應(yīng)。特別是在用地緊張的地區(qū)和密集建筑群中建造高層房屋時,沉樁造成臨近建筑物和地下公用設(shè)施破壞的事例時有發(fā)生,由此引起的糾紛、訴訟等常迫使工地停工、工期延誤。靜壓樁沉樁擠土效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注。

2 沉樁擠土效應(yīng)

靜壓樁在沉樁過程中產(chǎn)生的擠土效應(yīng)主要表現(xiàn)在以下四個方面:

(1)壓樁時樁周土層被壓密或擠開,使土體產(chǎn)生水平移動或豎直隆起,可能造成鄰近已壓入的樁產(chǎn)生上浮、樁位偏移和樁身翹曲折斷。并可使鄰近建筑物破壞、管線斷裂、煤氣泄漏、道路不能正常使用等。

圖1某工程壓樁產(chǎn)生的水平位移

如圖1所示,河南某工程在靜壓樁施工中產(chǎn)生的最大水平位移達(dá)到了11.5cm,對周圍環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響。

如圖2所示,河南某工程在靜壓樁施工中周圍某建筑物臺階面磚發(fā)生隆起和破裂,造成了一定的經(jīng)濟損失。

(2)如果靜壓樁入土深度較深,或者地下水位較淺,在沉樁過程中會產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力,造成土體破壞。未破壞的土體也會因超孔隙水壓力的不斷傳播和消散而蠕變,導(dǎo)致土體垂直隆起和產(chǎn)生比較大的水平位移。

(4)壓樁后樁周土體中超孔隙水壓力緩慢消散,土體會再固結(jié)。當(dāng)樁間土的壓縮量大于樁尖的下沉量時,樁側(cè)就會受到向下的負(fù)摩阻力作用。隨著超孔隙水壓力的消散,一些土體還具有觸變效應(yīng),強度會有所恢復(fù)。

另外,有壓水從土中滲出需經(jīng)相當(dāng)長的路徑和時間,超孔隙水壓力形成以后不能馬上就消散,而是隨著壓樁的深入越積累越高。當(dāng)?shù)鼗械某紫端畨毫_(dá)到上覆土壓力時,土粒間的有效應(yīng)力完全喪失,土粒呈懸浮狀而液化,產(chǎn)生噴水、冒砂和地基失效等現(xiàn)象。

3 控制措施

在外荷載作用下,土中孔隙水排出,土體因發(fā)生體積變化而被壓密的時間過程稱為土體固結(jié)。靜壓樁施工的過程實際上也是一個土體擠壓—重塑—固結(jié)的過程。通常說到的土體固結(jié)均是針對飽和的二相土(即孔隙中完全充滿水的軟土)而言,太沙基提出了著名的有效應(yīng)力原理及其數(shù)學(xué)表達(dá)式:

式中,σ為總應(yīng)力,σ′為有效應(yīng)力,u為孔隙水壓力。

式(1)解釋了固結(jié)過程中土體孔隙水壓力和有效應(yīng)力分擔(dān)外荷載總應(yīng)力及彼此相互轉(zhuǎn)換的土體固結(jié)機理。固結(jié)實際上是土中孔隙水壓力u不斷消散,有效應(yīng)力σ′不斷增長的過程。靜壓樁施工過程中隨著樁不斷被壓入地層,由于外荷載的存在土體總應(yīng)力也在不斷地增加,那么怎樣才能有效控制和減小靜壓樁施工產(chǎn)生的環(huán)境影響,實際上就是如何消除施工過程中土體產(chǎn)生的擠土效應(yīng)和超孔隙水壓力,這是探討的關(guān)鍵。在靜壓樁施工過程中,施工監(jiān)測是很重要的輔助手段。根據(jù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù),對施工過程中的環(huán)境影響程度加以分析,以便及時調(diào)整工藝參數(shù)。

壓樁對周圍環(huán)境影響的敏感深度在10～15m,深度20～30m影響較微。為了減少靜壓樁施工對周圍環(huán)境的影響,我們主要考慮從設(shè)計和施工兩個方面來采取相應(yīng)措施。

目前，國家和各地政府都出臺了多項政策文件，要求高校通過完善人才培養(yǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系，改革教育方法和考核方式等途徑深化高等院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的改革，從而形成科學(xué)、先進(jìn)、具有中國特色的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念[1]，使高校學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)業(yè)實踐能力明顯增強，投身創(chuàng)業(yè)的學(xué)生顯著增加。

3.1 設(shè)計方面控制措施

靜壓樁只適應(yīng)于軟土地基和覆土層不厚的巖溶地區(qū),不適用于貫穿厚度大于2m的中密以上砂土夾層或進(jìn)入中密以上的砂土持力層?？紤]到壓樁過程中的擠土效應(yīng),危房、精密儀器房周圍、地下水豐富和地下管線多的地區(qū)不宜采用靜壓法施工。

(1)樁基礎(chǔ)方案選擇

在工程設(shè)計時,可以選擇沉樁擠土影響小的樁基礎(chǔ)方案。因為樁基礎(chǔ)的形狀會對土體位移分布產(chǎn)生較大影響。比如樁群形狀如果不規(guī)則不對稱,產(chǎn)生的側(cè)向位移會更大;樁基內(nèi)部如果存在高差,較低區(qū)域的隆起位移會增加而較高區(qū)域的反而會減少等。

(2)疏樁設(shè)計

所謂疏樁設(shè)計是指把靜壓樁的數(shù)量進(jìn)行精減,間距加大,提高單樁的有效承載力,充分發(fā)揮樁間土的承載力,即樁基礎(chǔ)上部荷載不再由樁全部承擔(dān)而是由樁與樁間土共同來承擔(dān)。采用疏樁設(shè)計能大大減少入土樁數(shù),避免樁端平面應(yīng)力重疊部分過大,從而減少排土體積。另外,還可減少土體因剪切變形產(chǎn)生的破壞和淺層土體的隆起位移。所以疏樁設(shè)計可以有效降低群樁擠土效應(yīng)對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響。

3.2 施工方面控制措施

(1)井點降水

靜壓樁施工過程中會在瞬間產(chǎn)生很大的超孔隙水壓力,對周圍環(huán)境產(chǎn)生很大影響。如果能在壓樁之前就將地下水位降低到一定深度,施工過程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力就會大大減小。雖然降水是一項很好的控制措施,但在降水過程中也會引起周圍地面和建筑物發(fā)生沉降,所以這兩種效應(yīng)需要綜合考慮,并在降水過程中加強監(jiān)測工作。

(2)預(yù)鉆孔法

預(yù)鉆孔法是指壓樁前預(yù)先在樁位處或沉樁區(qū)域內(nèi)鉆孔取土,減少壓樁時的排土體積,從而降低對周圍土體的擠壓效應(yīng)。當(dāng)預(yù)鉆孔位布置在非樁位處時,為沉樁時樁周土體向四周擠壓騰出一定空間,避免土體隆起位移或者水平位移過大,減少對工程周圍環(huán)境的影響。為了方便壓樁的準(zhǔn)確定位和保證樁身的承載能力,預(yù)鉆孔的孔徑不應(yīng)大于靜壓樁的直徑,一般取為樁徑的1/3～2/3。另外,樁孔原位取土比較容易造成壓樁樁位偏差,在施工中要嚴(yán)格加以控制。

根據(jù)相關(guān)實測數(shù)據(jù),采用預(yù)鉆孔措施進(jìn)行控制后,樁周土體水平位移可減小30%,超孔隙水壓力可減小40%,可見預(yù)鉆孔法對控制沉樁擠土效應(yīng)是一種很有效的措施。

(3)砂井或塑料板排水法

靜壓樁沉樁時,隨著樁體入土深度不斷增加,土體中超孔隙水壓力也在急驟上升,如果不能及時加以排出,土體結(jié)構(gòu)就會遭到一定程度的破壞。砂井或塑料板排水法是一種較為經(jīng)濟且有效的防治措施,尤其施工場地有淺埋砂性土層時,效果會更為明顯。

具體方法是在沉樁區(qū)域四周或者群樁內(nèi)部,挖出具有一定樁徑和樁深的樁體空間,內(nèi)部填塞砂或者埋置塑料板等,也就是設(shè)置了一條人工排水通道。在沉樁施工過程中,產(chǎn)生的超孔隙水可流向砂井或經(jīng)塑料板及時排出,加快超孔隙水壓力的消散,從而降低其不利影響。砂井深度及間距應(yīng)根據(jù)具體情況而定,目前常用砂井深度一般為10m左右,間距1.5～2.0m,砂井直徑0.4m(宜用小直徑)。這種方法主要是使沉樁過程中引起的超孔隙水壓力能夠及時消散,但對減少土體的排土體積效果并不顯著。

(4)設(shè)置防擠溝

當(dāng)樁基附近地下埋有通訊電纜、供水干管或鄰近有重要建筑物時,設(shè)置防擠溝可以減少地基淺層土體的側(cè)向位移和隆起影響,并減少對鄰近建筑物和地下管線的擠壓作用。防擠溝的長度比施工建筑物基礎(chǔ)長2m,寬度一般采用1.2～2.5 m,深度超過地下管線埋置深度或鄰近建筑物埋置深度1m,溝內(nèi)可依據(jù)工程實際情況回填砂或其它松散材料。由于防擠溝無法隔斷深層土體中應(yīng)力波的傳遞路徑,這種方法對于減少地面表層的位移效果較好,所以一般用來保護(hù)淺層地下管線或者周圍路面。采取這一措施時,注意要防止沉樁引起溝壁坍塌造成損害。

(5)控制沉樁速率

控制沉樁速率主要包括兩個方面內(nèi)容,一是每天沉樁數(shù)量,二是連續(xù)沉樁的天數(shù)?？刂瞥翗端俾实闹饕康?是為了避免超孔隙水壓力急劇升高,造成對土體的擾動和對周圍環(huán)境的破壞。如果壓樁加載速率大大超過土體中超孔隙水壓力的消散速率時,土體含水量會增大。當(dāng)土體受到的剪切力大于其粘聚力時,就會發(fā)生膨脹,導(dǎo)致粘聚力降低而內(nèi)摩擦角增大。隨著壓樁的不斷深入,各土層側(cè)向部分將被壓縮,而豎向部分則被擠脹。當(dāng)側(cè)向部分已經(jīng)不能繼續(xù)被壓縮時,地面將發(fā)生隆起,從而產(chǎn)生裂縫。連續(xù)沉樁過程中,土體中的超孔隙水壓力不斷聚集,對土體的擾動也會不斷增加,尤其是在壓樁后期,由于土體本身已經(jīng)接近于不可壓縮,其位移對沉樁速率會特別敏感,所以在后期更應(yīng)嚴(yán)格控制沉樁速率。

(6)合理安排沉樁順序

合理安排沉樁順序?qū)p少擠土效應(yīng)的影響十分重要。擠土效應(yīng)理論分析中假定樁周土體是均勻的,但實際沉樁時土體被擠向阻力小的方向。對著被保護(hù)建筑物的方向沉樁,要比背著建筑物沉樁擠土影響大得多。如圖3所示,樁機兩側(cè)布置的測斜孔中,迎向壓樁方向的測斜孔B距離樁機要遠(yuǎn),但測得的土體水平位移卻要大于距離近但背向壓樁方向的測斜孔A。這是因為背著既有建筑沉樁時前面已經(jīng)沉入樁的區(qū)域逐漸成為阻力區(qū),起到一定的屏障作用。

圖3水平位移與壓樁方向關(guān)系

安排沉樁順序主要從兩個方面來考慮:①減少壓樁區(qū)域內(nèi)擠土效應(yīng);②減少群樁對周圍環(huán)境的影響。兩個方面?zhèn)戎夭煌瑒t選擇的沉樁順序亦不一樣,這就要求在具體施工過程中抓住主要矛盾,根據(jù)實際情況來選擇適宜的沉樁順序。在群樁施工中選擇合理的沉樁順序,能最大限度地消除壓樁區(qū)域內(nèi)樁位的偏移問題。

4 結(jié)束語

靜壓樁是一種質(zhì)量容易保證、承載性能穩(wěn)定的樁型,在生產(chǎn)實踐中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,成為工業(yè)與民用建筑中重要的基礎(chǔ)形式,但其在沉樁時引起的擠土效應(yīng)更不能忽視。本文分析了靜壓樁沉樁擠土效應(yīng)的具體表現(xiàn),并且從設(shè)計和施工兩個方面對控制措施進(jìn)行了研究。在具體工程中可根據(jù)實際情況綜合考慮,采取相應(yīng)的合理控制措施。

[1]陳明輝.靜壓預(yù)應(yīng)力管樁施工中常見的問題及預(yù)防措施[J].山西建筑,2006,32(14):141-144.

[2]劉熙峰.某預(yù)制樁工程孔隙水壓力測試與評價[J].電力勘測設(shè)計,2003,15(4):7-9.

[3]樊良本,朱國元.樁周土應(yīng)力狀態(tài)的圓柱孔擴張理論試驗研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報,1998,32 (12):57-60.

[4]蔣建平,高廣運.擠土樁施工的環(huán)境問題及其防治措施[J].施工技術(shù),2004,33(1):9-11.

Study on Control Measures in squeezing Effects of Jacked Pile

WANGYao-wu,ZHANGYang
(Huanggang Polytechnic University,Huanggang438002Hubei)

The obvious squeezing effects caused by the penetration of jacked pile may have severe influence on surrounding engineering environment.The idiographic representation of squeezing effects is discussed,and some control measures were given from design and construction.Reasonable control measures can be taken in the actual situation.

Soil and foudation engineering;Jacked pile;Squeezing effects;Control measures.

TU411.6

A

1672-1047(2010)04-0016-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2010.04.04

[責(zé)任審校:秦春娥]

2010-03-19

汪耀武,男,碩士,助教。E-mail:xiaowanglaile@163.com.