應(yīng)力釋放孔減小預(yù)制樁擠土效應(yīng)的應(yīng)用研究

雷練武， 吳愛梅， 吳 瑾

(寧波華東核工業(yè)工程勘察院，浙江 寧波 315800)

近年來，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，土木建筑工程也伴隨著快速發(fā)展, 樁基礎(chǔ)在工程建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。其中靜壓式是預(yù)制樁沉樁的一種主要方式，預(yù)制樁具有樁身質(zhì)量易于檢查和保證、施工效率高、價(jià)格較低且無泥漿污染等優(yōu)點(diǎn)(李雪峰，2013)。但在預(yù)制樁施工過程中，常常會出現(xiàn)因樁基擠土效應(yīng)引起周邊建筑物、道路、地下管網(wǎng)等不同程度的損壞。因此，在樁基施工區(qū)域內(nèi)布置應(yīng)力釋放孔便是防治擠土效應(yīng)產(chǎn)生不利影響的一種有效措施(周云東等，2005)。其機(jī)理是在樁基施工區(qū)域及變形影響范圍內(nèi)合理的布置應(yīng)力釋放孔，使沉樁時(shí)產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散至應(yīng)力釋放孔內(nèi)，通過消散孔隙水壓力從而大大減小土體變形對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響(施瑾，2015；俞翔，2012；沈欣等，2009)。

1 土效應(yīng)對土體的破壞過程

飽和軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度很低，它具有不排水時(shí)壓縮性低及滲透性弱等特點(diǎn)，樁身在擠入土體時(shí)，土體初始的應(yīng)力平衡狀態(tài)便遭受了破壞，同時(shí)沉樁時(shí)產(chǎn)生的瞬間擠壓應(yīng)力很大，土體將被壓縮，與此同時(shí)土顆粒間孔隙內(nèi)的自由水也將受擠壓，超靜孔隙水壓力便由此產(chǎn)生(高華喜等，2004；屠海青等，2004；呂淼木，2013)。當(dāng)擠壓應(yīng)力超過臨界值時(shí)，會造成基樁本身出現(xiàn)裂縫，也可能導(dǎo)致接頭錯(cuò)位甚至樁身斷裂。同時(shí)沉樁時(shí)樁要擠開與樁體積相同量的土體，使得地表面隆起及產(chǎn)生側(cè)向位移，變形范圍一般為1～1.5倍的樁長，這將破壞周邊的建筑物、地下管線等設(shè)施(李曉明等，2006；王沖等，2012；方偉江，2011)。

2 工程概況

某教學(xué)訓(xùn)練館A(副館)項(xiàng)目占地面積共8 000 m2，總建筑面積共23 040.16 m2，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，單柱最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值約4 000 kN，基礎(chǔ)型式采用預(yù)應(yīng)力管樁方案，采用靜力壓樁法施工。本樁基工程共設(shè)計(jì)使用104根管樁，平面布樁率為4.5%，其中PHC-500AB 100-b型20根，PHC-600AB 110-b84根，樁長45 m，地基土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

采用靜壓沉樁的施工工藝，沉樁區(qū)域西側(cè)緊鄰某通訊電器制造公司，樁基距離廠房邊線很近。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)可知，若不采取有效的應(yīng)力釋放措施，樁基施工時(shí)擠土效應(yīng)引起的地表隆起及位移將會對西側(cè)廠房造成極大影響，廠房將產(chǎn)生不均勻沉降，最終還將開裂破壞，后果不堪設(shè)想。

表1 地基土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 應(yīng)力釋放孔的設(shè)計(jì)與施工

為了釋放沉樁過程中產(chǎn)生的擠土壓力同時(shí)消散超靜孔隙水壓力，最有效的手段便是設(shè)置應(yīng)力釋放孔。據(jù)現(xiàn)場勘察，預(yù)應(yīng)力管樁為擠土樁，施工時(shí)勢必會產(chǎn)生擠土效應(yīng)，地表的形變將使西側(cè)廠房受到影響，因此在鄰近廠房的區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)布置應(yīng)力釋放孔。

3.1 應(yīng)力釋放孔的設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)理論

(1)充分調(diào)查工程施工區(qū)域周邊的環(huán)境，對施工區(qū)域西側(cè)的廠房進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

(2)本樁基工程，樁長45 m，預(yù)制樁沉樁過程影響范圍按1 倍深度計(jì)算約 40 m范圍，因此工程西側(cè)的廠房將受到影響。通過在樁位與建筑物之間布置應(yīng)力釋放孔，設(shè)置防擠槽等方式來確保建筑物的安全。

(3) 選樁: 宜選大直徑樁，該類樁承載力高，能將樁數(shù)量減少，在沉樁時(shí)可降低對周圍環(huán)境的影響程度。本工程根據(jù)現(xiàn)場情況，最終采取了樁徑為Φ500～600 mm 的管樁。

3.1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

(1)本工程樁基施工送樁深度約3 m，施工時(shí)總打入長度為4 992 m，初步估算擠土量(V)為1327.84 m3。

(2)根據(jù)布樁方案，考慮沉樁順序間的相互影響，根據(jù)業(yè)內(nèi)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，本工程地表土體水平位移約0.6 m，隆起量考慮取0.6 m；該場區(qū)施工時(shí)土體進(jìn)入管內(nèi)的深度約7 m，則灌入管樁管內(nèi)的土體體積(V1)為205.73 m3。

(3)考慮施工后土體將上浮，取值25%計(jì)算，則上浮的土體體積(V2)為331.96 m3。

(4)在臨近西側(cè)某通訊電器制造公司附近區(qū)域，打樁時(shí)土體將被擠密，擠密量取15%計(jì)算，則擠密消耗的土體體積(V3)為199.18 m3。

(5)通過估算，計(jì)算出需要釋放的土體體積(V4)為590.97 m3。

(6)在需要保護(hù)的西側(cè)廠房靠近管樁施工一側(cè)布置兩排應(yīng)力釋放孔，呈梅花形分布，排間距為0.8 m，孔間距1.0 m，孔徑為Φ300～350 mm，深度為17.5～18.0 m。暫定施工應(yīng)力釋放孔共計(jì)180個(gè)，按有效孔深18.0 m計(jì)算，取土量(V5)為311.57 m3。

(7)根據(jù)軟土地區(qū)以往施工經(jīng)驗(yàn)可知，按擠土槽、擠土溝與應(yīng)力釋放孔共同擔(dān)任取土量任務(wù)的原則，當(dāng)應(yīng)力釋放孔取土量達(dá)到沉樁時(shí)需要釋放土量的50%時(shí)，表明采取應(yīng)力釋放措施得當(dāng)且滿足場地應(yīng)力釋放要求。

(8)通過以上估算可知需要釋放的擠土量(V4)約為590.97 m3，取土量(V5)為311.57 m3，V5/V4=52.76%>50%。由此可知，本工程采取的應(yīng)力釋放措施得當(dāng)，同時(shí)應(yīng)力釋放孔完成的取土量略高于擠土量的50%，表明應(yīng)力釋放孔布置合理無過多浪費(fèi)，既經(jīng)濟(jì)又合理。

3.2 應(yīng)力釋放孔的施工

(1)沿地下室外墻邊3～4 m處挖寬1 m、深2 m的防擠槽，以阻斷沉樁過程淺部土體的應(yīng)力傳播，大大減小沉樁過程產(chǎn)生的應(yīng)力對建筑物的直接水平?jīng)_擊。

(2)布置兩排應(yīng)力釋放孔在場地西側(cè)，呈梅花形分布，排間距0.8 m，孔間距1.0 m，孔徑為Φ300～350 mm，深度為17.5～18.0 m。

(3)為防止坍塌，孔內(nèi)宜放置直徑Φ400的鋼筋毛竹籠(設(shè)計(jì)長度為20 m，鋼筋籠上密排綁扎寬3～5 cm的毛竹片，毛竹籠箍筋采用Φ12@1500，加6Φ12縱筋固定。)，毛竹籠整體包裹上雙層濾布，且適當(dāng)露出地面20 cm左右，以防止周圍土掉入，在露出地面部分的毛竹籠內(nèi)放置橫檔固定。

(4)在合理安排沉樁施工順序的同時(shí)控制每天的壓樁數(shù)量，壓樁順序應(yīng)從靠近建筑物處開始，然后逐漸遠(yuǎn)離?？刂泼刻斓拇驑稊?shù)量使得土層中的應(yīng)力可以逐步得到釋放。白天沉樁引起的土體位移增量將會在夜晚停歇時(shí)有約25%的回落，若夜晚繼續(xù)進(jìn)行沉樁，擠土效應(yīng)引起的土體徑向、豎向位移會一直增加而不回落。因此，應(yīng)避免24 h不停歇的沉樁。

(5)在圍墻的四周設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，在基樁施工時(shí)加強(qiáng)巡視，同時(shí)對影響范圍內(nèi)的建筑物進(jìn)行觀測。根據(jù)觀測得到的數(shù)據(jù)，合理調(diào)整打樁的順序、速度及應(yīng)力釋放孔的間距、深度等，以確保周圍建筑物的安全。

4 減少擠土效應(yīng)的效果驗(yàn)證分析

4.1 孔隙水壓力的消散

為了解沉樁完成后土體孔隙水壓力與時(shí)間的關(guān)系，采用孔隙水壓力測量的方法測量土體孔隙水壓力，測得的數(shù)據(jù)與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線圖Fig.1 The relation curve of pore water pressure with time

由圖1可以看出，當(dāng)沉樁完成后時(shí)間較短時(shí)，孔隙水壓力消散的慢，隨著時(shí)間的增長，孔隙水壓力消散的較快，總體上孔隙水壓力隨時(shí)間增長呈減小的規(guī)律，最后趨于穩(wěn)定即孔隙水壓力完全消散。

4.2 變形監(jiān)測分析

在施工時(shí)，應(yīng)該采取相應(yīng)的監(jiān)測措施。由專業(yè)人員每天對西側(cè)廠房附近地段進(jìn)行水平位移及累計(jì)沉降量觀測，及時(shí)掌握不同深度土體變形情況。沉樁時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到臨界值后應(yīng)立即停止施工，并采取消散措施后才能繼續(xù)施工。觀測的最大水平位移及沉降結(jié)果見表2及圖2。

表2 建筑物附近累計(jì)垂直變形量

表2表明，本次沉樁過程中，監(jiān)測到的周邊建筑物最大累計(jì)垂直變形量為10.5 mm，小于監(jiān)測單位預(yù)計(jì)設(shè)定的界限值±20 mm。

圖2 不同時(shí)期X3點(diǎn)的偏移量Fig.2 Offset of X3 measuring point in different periods

從圖2可以看出，當(dāng)時(shí)間間隔短時(shí)，孔隙水壓力降低的小，觀測的位移量變化很??；隨著時(shí)間間隔的增加，孔隙水壓力減小的較多，水平位移量得變化較為明顯。尤其是在地表淺部表現(xiàn)的更為明顯，從12月11日的27 mm減小至1月10日的16 mm。在觀測過程中西側(cè)廠房外墻未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)裂縫或明顯剝落等損壞情況。因此本次預(yù)制樁樁基施工，應(yīng)力釋放孔和防擠槽布置得當(dāng)，有效減小了擠土效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

5 結(jié)語

工程位于某市軟土地基區(qū)域，施工區(qū)域西側(cè)緊鄰某通訊電器制造公司，給工程帶來很大難度。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，工程采用了設(shè)置應(yīng)力釋放孔、防擠槽，使用大樁徑減少沉樁數(shù)量等多種應(yīng)力釋放措施，從而確保了周邊建筑物的安全。

在樁基施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)計(jì)方案施工，應(yīng)力釋放孔和沉樁的施工要交替進(jìn)行，沉樁的施工順序要按從靠近現(xiàn)有建筑物開始到逐漸遠(yuǎn)離順序施工，同時(shí)要嚴(yán)格控制每天沉樁數(shù)量。

樁基信息化施工管理采用的主要手段為監(jiān)測手段，在打樁階段實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測并及時(shí)提交監(jiān)測數(shù)據(jù)，為施工方及時(shí)調(diào)整打樁速率和其他參數(shù)提供依據(jù)，從而達(dá)到信息化施工的要求。

工程通過實(shí)時(shí)監(jiān)測到的沉降與位移數(shù)據(jù)，表明了采用設(shè)置應(yīng)力釋放孔的措施能夠有效解決擠土效應(yīng)問題，工程采取的方案可為解決深厚軟土層地區(qū)預(yù)制樁沉樁擠土效應(yīng)提供參考。