群孔效應對周邊環(huán)境影響的控制措施研究

程雪松

(1.濱海土木工程結(jié)構與安全教育部重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

0 引言

軟土具有高地下水位、高含水率、高孔隙比、高壓縮性、高靈敏度、低強度、低透水性的特點[1-2]，土體受工程活動影響較大，在我國沿海地區(qū)及內(nèi)陸臨江濱湖地區(qū)大量分布。在如今工程用地緊張、周邊環(huán)境復雜、變形控制嚴格的條件下，鉆孔灌注樁成孔、CFG樁鉆孔等工程活動引起的周邊地層變形已不容忽視[3-4]，在某些條件下甚至成為影響變形的主要因素。

灌注樁施工成孔對周邊土體及環(huán)境的影響已經(jīng)得到了一些學者的重視。蔣紅心等[5]收集了一些工程實測數(shù)據(jù)，其中南洋廣場的鉆孔灌注樁孔徑在30 h之后從剛開始時的1 m減小到了0.84 m，直徑減小了0.16 m。河南路地鐵的鉆孔灌注樁孔徑更是從剛開始的1 m縮小到了0.7 m，縮徑達到了0.3 m。閆靜雅[3]設計了2組試驗來探索鉆孔灌注樁對臨近隧道的影響。一組為在臨近隧道1 m位置處進行直徑1.8 m的灌注樁成孔，另一組為在0.45 m位置處施工相同直徑的灌注樁孔。對比2組試驗的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，1 m處鉆孔時引起的隧道變形為1.6 mm，而0.45 m處鉆孔時，隧道臨近鉆孔這一側(cè)的管片發(fā)生了向鉆孔側(cè)的水平變形，導致隧道水平方向的直徑增加了3 mm，而豎直方向的直徑減小了2 mm。章榮軍等[6]收集了武漢地鐵二號線循禮門站樁基施工時的實測數(shù)據(jù)，實測數(shù)據(jù)表明，灌注樁成孔引起橋墩的沉降量為10.6 mm，而橋墩的沉降由鉆孔灌注樁成孔過程引起的可達47.1%。

圖1 群孔效應示意圖

當灌注樁或CFG樁作為建筑物的樁基時，一般情況下，在基坑開挖之前自地面開始施工灌注樁及CFG樁，群樁基礎的樁頂標高位于基坑底部附近，而施工完成后樁頂至地表的空孔需利用其他土體進行回填。但在實踐中也經(jīng)常存在由于各種原因回填不及時的現(xiàn)象，特別是軟土地區(qū)樁數(shù)多、樁徑小、樁孔可能出現(xiàn)坍塌時，回填較為困難，從而造成回填不及時，也有部分工程采用防護蓋板、圍擋等作為防止機械和人員掉落的措施，從而未對樁孔進行回填。樁孔的回填不及時或者不回填均會在地層中形成大量空樁孔同時存在的情況，稱為群孔現(xiàn)象[1]。

目前較為常見的鉆孔灌注樁[7]，長螺旋CFG樁[8]在施工時都會留下大量空孔，這種大量空孔同時存在導致應力釋放疊加、互相擾動而引起的周邊土體較大變形，并隨時間變化影響更加明顯的現(xiàn)象叫做群孔效應[1]，如圖1所示。

目前，由于城市中建筑規(guī)模日益龐大，群樁基礎動輒由成百上千根鉆孔樁組成。例如，上海中心大廈作為一座超高層地標式摩天大樓，主樓采用鉆孔灌注樁作為承重樁基，主樓樁總數(shù)955根，樁徑1 000 mm。其中核心筒下A型樁247根，成孔深度86 m，有效樁長56 m；核心筒外B型樁708根，成孔深度82 m，有效樁長52 m[9]。天津117大廈主塔樓共采用了941根灌注樁，樁徑1 000 mm，樁端埋深約100 m，有效樁長約76 m[10]。同時，工程界已經(jīng)開始認識到大量空孔同時存在時會對周圍環(huán)境造成不容忽視的影響，部分學者對這一問題進行了探索分析，也收集了一些工程實測數(shù)據(jù)，例如鄭剛等[1]對某施工面積約5 200 m2的基坑工程周邊建筑物及土體沉降進行觀測。此工程2 000余根CFG樁施工完畢后樁頂上部遺留了8 m深的空樁孔，開挖第一步基坑至2.95 m深度時，基坑周邊地表及建筑物沉降嚴重，其中基坑南部9 m處樓房最大沉降量為55.6 mm。經(jīng)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，群孔效應引起了周邊地表及建筑物較大的沉降，其引發(fā)的沉降量占群孔效應和第一步基坑開挖總沉降量的50%左右，有的甚至達到近60%，可見由于CFG樁施工樁頂以上部分不能完全及時回填遺留大量空孔引起群孔效應造成的影響不容忽視。

通過上述研究可見，當群孔大量存在時，其對周邊環(huán)境可能造成的影響相當可觀，但目前減小這種影響的措施卻還沒有得到系統(tǒng)的研究。然而，對于環(huán)境控制嚴格的工程，經(jīng)濟有效地控制群孔對周邊環(huán)境影響的措施具有非常重要的意義?；诓惶岣吖こ淘靸r或造價提高很小的前提，提出了在樁基施工前預先施工圍護結(jié)構、在群孔外圍進行空孔回填以及提前施工第一道支撐這3種控制方法，并分別探索分析了這幾種控制措施的效果。

1 圍護結(jié)構對群孔效應影響的控制作用研究

1.1 有限元模型的建立

圖2 正常固結(jié)土和超固結(jié)土強度對比

為了模擬實際工程中土體不排水強度隨深度z逐漸增加的特征，采用如下方法獲取模型中土體的初始狀態(tài)。將初始孔隙比e0設為2.62[11](高嶺黏土有效應力為0 kPa時的近似孔隙比)，在地表均布施加150 kPa荷載，忽略土體不排水行為使其在超載下充分固結(jié)，加載結(jié)束后撤除地表150 kPa荷載，在土體自重應力下重新固結(jié)，最終形成的不排水強度沿深度的分布如圖2所示，不同深度處的土體不排水強度略大于正常固結(jié)土。

此次計算模擬CFG樁施工遺留在地層中的大量空孔，孔內(nèi)無泥漿護壁?？讖讲捎?.4 m，空孔深8 m，孔間距取4倍孔徑1.6 m，如圖3所示。當分析成孔引起的周邊土體變形時，定義群孔邊界線為距最外排空孔孔心2倍孔徑距離。為了減小邊界效應，模型邊界水平方向距群孔邊界至少2倍開挖深度。圍護結(jié)構采用地連墻，利用板單元模擬，厚0.8 m，深16 m，混凝土重度取25 kN/m3，彈性模量取30 GPa，泊松比v取0.2。地連墻設置于群孔邊界線處。模型計算步驟均分為施工地下連續(xù)墻(部分工況)和不排水條件下樁孔開挖兩步。

圖3 群孔及圍護結(jié)構(單位：m)

1.2 不同工況控制效果對比

為了分析提前施工圍護結(jié)構對群孔效應導致的周邊環(huán)境變形的控制效果，分別計算了100孔、225孔、400孔、625孔時不提前施工圍護結(jié)構和提前施工圍護結(jié)構2種工況下，群孔沉降觀測線上地表沉降和群孔邊界面(提前施工圍護結(jié)構時則為圍護結(jié)構)的變形。地表沉降具體對比分析如圖4所示。

從圖4中可以看出，提前施工地連墻與否對地表沉降有較大的影響，未提前施工地連墻時，由于大量空孔同時卸荷導致的坑外地表的沉降呈現(xiàn)出明顯的三角形分布，而提前施工地連墻則使地表沉降由三角形分布轉(zhuǎn)化為凹槽形分布。沉降最大值也因此大幅度減小，在100孔的情況下由15 mm驟減至僅1 mm，減小幅度高達90%。而在625孔時也由22 mm減小至8 mm，減小幅度也達到了60%，減小了一半以上。

不同孔數(shù)下提前施工地連墻與未提前施工時群孔邊界面上的水平位移對比如圖5所示。

圖4 不同孔數(shù)下提前施工地連墻與不提前施工引起的地表沉降觀測線上的沉降值對比

圖5 不同孔數(shù)下提前施工地連墻與不提前施工引起的群孔邊界面上的水平位移對比

從圖5中可以看出，當未提前施工地連墻時，孔底標高以上的土體由于群孔的卸荷作用向坑內(nèi)的位移較大，而孔底以下的土體由于與上部土體存在粘聚力及一定程度的摩擦，在上部土體的帶動下也會有向坑內(nèi)土體變形擠壓的趨勢，但整體而言效果較弱，因此群孔邊界面上的土體水平位移在孔底以下下降幅度很快。而提前施工地連墻后，孔底以上坑內(nèi)土體卸荷導致的周圍土體向坑內(nèi)的變形使得地連墻呈現(xiàn)出懸臂式的變形，孔底以下土體對地連墻的變形有較強的限制作用，由于地連墻的剛度較大，上部土體的變形也因此大幅度減小?？傮w來說，地連墻的作用使得基坑范圍內(nèi)下部土體和上部土體共同承擔了上部土體的卸荷作用，因此最大位移減小。這也是地表沉降大幅度減小的一個原因。

此外，即使提前施工了地連墻，隨著孔數(shù)增多，地表沉降仍有一定程度的增加，群孔邊界處的變形隨孔數(shù)增加也有一個較為明顯的增長，這些都在一定程度上說明了群孔效應的影響。

綜上所述，提前施工地連墻對群孔效應引起的周邊地表的沉降有著很好的控制作用，且地連墻等基坑圍護結(jié)構作為后續(xù)基坑開挖時不可或缺的工序，其提前施工并不會引起工程造價的變化。

為了更進一步研究提前施工地連墻對群孔效應的影響，在100孔工況下分別分析了地連墻深度8 m、10 m、12 m、14 m、16 m時地表沉降觀測線上的地表位移以及群孔邊界面處的水平變形。地表沉降及邊界面上水平位移如圖6、圖7所示。

圖6 100孔時地表沉降隨地連墻深度變化規(guī)律

圖7 100孔時群孔邊界面處水平位移隨地連墻深度變化規(guī)律

從圖6、圖7中可以看出，由于孔底以上坑內(nèi)土體并未完全開挖，因此即使地連墻僅有8 m深，即與空孔相同深度，其對減小群孔效應對周邊土體的影響仍有很大的作用，使得地表沉降由沒有地連墻時的15 mm減小至6 mm，群孔邊界面處的水平位移也大幅度減小，由沒有地連墻時的32 mm減小至4 mm。但值得注意的是，雖然8 m深的地連墻大大削弱了群孔效應對周邊的影響，但其地表沉降模式仍是三角形分布，而由于沒有嵌固深度，其水平變形也呈現(xiàn)出踢腳型變形模式。當?shù)剡B墻深度大于8 m，即有了一定的嵌固深度后，地表沉降變形模式由三角形分布轉(zhuǎn)化為凹槽形分布。而地連墻的變形模式也由踢腳型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的懸臂式。

綜上所述，樁基施工提前施工地連墻等圍護結(jié)構作為一種較為經(jīng)濟的方法，對控制群孔效應對周邊環(huán)境的影響有很顯著的效果，且當?shù)剡B墻嵌固比較大時這一效果更加明顯。

2 提前施工第一道支撐對群孔效應影響的控制作用研究

群孔效應類似于基坑開挖[1]，而在圍護結(jié)構頂部加上支撐可以大幅度增加圍護結(jié)構抗側(cè)移剛度，進而減小群孔效應對周邊環(huán)境影響。

圖8 支撐布置圖(單位：m)

為了分析提前施工第一道支撐對群孔效應導致的周邊環(huán)境變形的控制效果，故本節(jié)對提前施工第一道支撐對群孔效應的控制效果進行分析。支撐采用點對點錨桿模擬，采用十字正交支撐模式，支撐間距為6 m，EA取4.9×106kN[13-14]，布置方式見圖8。

本節(jié)分別對比了900孔、1 600孔、2 500孔時無控制措施、提前施工地下連續(xù)墻、提前施工地下連續(xù)墻和第一道支撐3種工況下，群孔沉降觀測線上地表沉降和群孔邊界面的變形。地表沉降具體對比分析見圖9。

從圖9中可以看出，提前施工第一道支撐對地表沉降有較大的影響。未采取控制措施時，由于大量空孔同時卸荷導致的坑外地表的沉降呈現(xiàn)出明顯的三角形分布，而提前施工地連墻則使地表沉降由三角形分布轉(zhuǎn)化為凹槽形分布。同時提前施工第一道支撐后，沉降最大值進一步減小。在900孔的情況下，當提前施工地連墻時，地表沉降最大值為9 mm，同時提前施工第一道支撐后，地表最大沉降減小為5 mm，減小幅度達到45%；而在1 600孔和2 500孔的情況下，地表沉降也分別由10 mm、11 mm減小為7 mm、8 mm，減小幅度接近30%。3種工況下群孔邊界面上的水平位移對比如圖10所示。

圖9 施工地連墻及加支撐時地表沉降的變化規(guī)律

圖10 施工地連墻及加支撐時群孔邊界面上的水平位移

從圖10中可以看出，當僅施工地連墻時，3種工況下群孔邊界面上的水平位移最大值分別為37 mm、40 mm、42 mm，同時施工第一道支撐時，水平位移最大值分別減小為18 mm、24 mm、30 mm，減小幅度分別為51%、40%、29%，減小幅度較大，但隨著孔數(shù)的增多，提前施工第一道支撐的控制效果越來越弱，這些都在一定程度上說明了群孔效應的影響。

綜上所述，提前施工第一道支撐對群孔效應引起的周邊土體變形有著很好的控制作用，且第一道支撐作為后續(xù)基坑開挖時不可或缺的工序，其提前施工并不會引起工程造價的變化。

3 部分空孔回填對群孔效應影響的控制作用研究

圖11 空孔回填示意圖

3.1 空孔回填效果分析

群孔效應產(chǎn)生的原因主要是由于樁基施工后坑底至地表范圍的空孔未能及時回填，因此及時回填空孔應為減小群孔效應對周圍環(huán)境影響的一個措施。但大量空孔全部回填在工期較緊的工程中實行起來有一定的難度，且成本較高，這也是實際工程中會出現(xiàn)大量空孔同時存在的一個重要原因。因此，探索出耗時較少，同時又能在一定程度上減弱群孔效應對周圍環(huán)境影響的回填方法就顯得十分迫切且有意義。本節(jié)首先針對625孔的工況進行回填的效果分析，回填范圍分別為群孔最外圍1排、3排、5排空孔，回填示意圖如圖11所示，具體回填效果變化規(guī)律如圖12、圖13所示。

圖12 地表沉降隨填孔范圍及提前施工地連墻的變化規(guī)律

圖13 群孔邊界面水平位移隨填孔范圍及提前施工地連墻的變化規(guī)律

從圖12、圖13中可以看出，隨著外圍回填排數(shù)的增加，地表沉降和群孔邊界處水平位移逐漸減小，且效果較為明顯，當外圍空孔回填3排時，其對群孔效應的減弱效果已經(jīng)接近提前施工地連墻，而回填5排時其效果已經(jīng)優(yōu)于提前施工地連墻，不同之處在于提前施工地連墻使得地表沉降變?yōu)榘疾坌头植迹鴥H回填空孔變形模式仍為三角形分布。綜上所述，空孔回填對減小群孔效應對周邊環(huán)境的影響有著顯著的作用，而且無需回填所有的空孔，僅回填最外圍若干排空孔即可取得較好變形控制效果。部分空孔回填的方法經(jīng)濟有效，但具體回填多大范圍能達到較為理想的控制效果與土質(zhì)條件和孔數(shù)等有關，在實際工程運用時需要視具體條件進行相應條件下的分析研究。

3.2 不同孔數(shù)回填效果對比

上述625孔模型中，當空孔外圍回填5排時，空孔回填范圍已占所有空孔的較大比例。如今大面積樁基礎施工動輒成百上千根灌注樁，當空孔較多時，回填外圍一定數(shù)量空孔是否可以取到較好效果仍需進行進一步研究。為了分析大量空孔存在時，回填外圍數(shù)排空孔對群孔效應導致的周邊環(huán)境變形的控制效果，分別計算了900孔、1 600孔、2 500孔3種工況下回填外圍數(shù)排空孔時群孔沉降觀測線上地表沉降和群孔邊界面的變形。

圖14 多孔合并示意圖(單位：mm)

在上述模型計算過程中，當孔數(shù)較多時，為了避免邊界效應模型尺寸往往較大，而孔徑又較小，因此在網(wǎng)格劃分階段往往需要加密，這就導致模型單元數(shù)量巨大，運算速度較慢。且軟件的網(wǎng)格劃分能力限制了進一步研究更多孔同時存在時的影響。因此，利用有效的簡化計算方法顯得極為重要。鄭剛等[1]提出了多孔合并的方法，以25孔合并為1孔為例，S2=25×S1×γ，其中，S2為合并后單孔的面積，S1為合并前單孔的面積，γ為多孔合并轉(zhuǎn)化系數(shù)。通過大量計算得出了多孔合并轉(zhuǎn)化系數(shù)與孔徑、孔深、泥漿護壁情況、孔凈距以及土體強度有關，與孔數(shù)變化無關的結(jié)論。由于文中采用的土體強度與鄭剛等[1]在文章中采用的土質(zhì)條件并不相同，因此為了得出多孔合并的轉(zhuǎn)化系數(shù)進行了大量的模型計算，通過對比分析得出在本文所使用的土質(zhì)條件下，即前期超載為150 kPa時，轉(zhuǎn)化系數(shù)為γ=1的結(jié)論，多孔合并示意圖如圖14所示。由于篇幅有限，計算轉(zhuǎn)化系數(shù)的模型計算結(jié)果不在此處列出。

采用25孔合并為1孔的方法計算3種工況，空孔回填外圍5排或10排時的效果變化規(guī)律如圖15、圖16所示。

圖15 不同孔數(shù)下地表沉降隨填孔范圍的變化規(guī)律

圖16 不同孔數(shù)下群孔邊界面上的水平位移隨填孔范圍的變化規(guī)律

由圖15、圖16可以看出，當空孔較多時，回填外圍5排空孔后，周邊土體沉降和群孔邊界處水平位移雖然有了大幅降低，但仍然較大，當回填外圍10排空孔時，控制效果更加顯著。故隨著空孔數(shù)量的增多，需適當增大回填排數(shù)以更有效地控制周邊土體位移。

3.3 同時施工地連墻和部分空孔回填效果分析

由上述分析得，當空孔數(shù)量較多時，需要增大回填數(shù)量以取得較為有效的周邊土體位移控制效果。而回填大量空孔難度大，成本高，故本節(jié)對同時施工地連墻和部分空孔回填條件下，群孔沉降觀測線上地表沉降和群孔邊界面的變形進行分析。

如圖17所示，當大量空孔存在時，回填空孔外圍少數(shù)幾排空孔時，對減小群孔效應對周邊環(huán)境的影響有一定的作用，但土體位移仍然較大，且變形模式仍為三角形分布。當同時施工地下連續(xù)墻，3種工況的最大位移分別由9 mm、12 mm、14 mm減小為4 mm、6 mm、7 mm，減小幅度均達到了50%，且地表沉降模式由三角形分布轉(zhuǎn)變?yōu)榘疾坌头植肌?/p>

群孔邊界面上的水平變形對比如圖18所示，當同時采取回填外圍數(shù)排空孔和提前施工地下連續(xù)墻的控制措施時，3種工況下群孔邊界面上的水平變形最大值分別由26 mm、31 mm、33 mm減小為20 mm、26 mm、27 mm，雖然變形最大值有所減小，但減小幅度較小，說明圍護結(jié)構的抗側(cè)移剛度還需增加。

圖17 空孔回填及施工地連墻時地表沉降的變化規(guī)律

圖18 空孔回填及施工地連墻時群孔邊界面上的水平位移

4 結(jié)論

在盡量少增加工程費用的前提下，提出了3種減小群孔效應對周邊環(huán)境影響的方法，分別為提前施工地連墻、提前施工第一道支撐和回填最外圍幾排空孔，具體結(jié)論如下：

(1)樁基施工提前施工圍護結(jié)構作為一種較為經(jīng)濟的方法，對控制群孔效應對周邊環(huán)境的影響有很顯著的效果。圍護結(jié)構的作用使得群孔底部的下部土體和上部土體共同承擔了上部土體的卸荷作用，最終基坑外土體位移大幅減小。

(2)當空孔數(shù)量較多或基坑外環(huán)境控制嚴格，僅采用提前施工地下連續(xù)墻無法滿足坑外土體變形的控制需求時，可采取提前施工第一道支撐的方法進一步增強圍護結(jié)構的抗側(cè)移剛度，進而大幅度減小圍護結(jié)構的水平變形，減小群孔周邊地表沉降。

(3)空孔回填對減小群孔效應對周邊環(huán)境的影響有著顯著的作用，回填最外圍幾排空孔即可取得一定的效果。此方式經(jīng)濟有效，但具體回填多大范圍能達到足夠的控制要求與土質(zhì)條件、孔徑及孔深大小、群孔數(shù)量有關，在實際工程運用時需要視具體條件進行相應條件下的分析研究。

(4)工程中，上述幾種控制措施可根據(jù)實際情況綜合使用，例如當空孔數(shù)量較多時，需回填較大數(shù)量空孔以達到較好的控制效果，但回填大量空孔難度大，成本也相對較高，可采取同時提前施工地下連續(xù)墻和空孔回填的控制措施。