軟弱土地區(qū)管樁基礎(chǔ)的基坑開挖及樁身偏位修正措施研究

蔡 鐘

福建省巖田基建工程技術(shù)有限公司

1 施工工藝特點(diǎn)

軟弱地基因?yàn)橛兄^大的壓縮性和空隙很大，所以抗剪性很小，如果遇到橫向的水平的力的情況下，地基會(huì)很容易發(fā)生變形。當(dāng)?shù)鼗艿綌D壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很大的壓力，并且在很短的時(shí)間之內(nèi)無(wú)法擴(kuò)散。軟弱地基固結(jié)系數(shù)較小，時(shí)間長(zhǎng)，所在受到干擾時(shí)，復(fù)原時(shí)間長(zhǎng)，而且無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的樣子。擠土樁型是預(yù)應(yīng)力管樁主要的使用類型，并且施工速度快，所以在施工區(qū)域很容易發(fā)生擠土現(xiàn)象。管樁具有很大的抗壓性，但是抗彎性很小，不同質(zhì)地的土層，都會(huì)受到水平力，所以很容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。因此，軟弱地基的特性會(huì)影響項(xiàng)目的實(shí)施。在開挖地基時(shí)，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，嚴(yán)格控制應(yīng)力的釋放過(guò)程以及土體的位移變化能有效防止地基應(yīng)力釋放過(guò)快，土體荷載太大的情況發(fā)生。

2 土方的施工過(guò)程

2.1 施工步驟

不同的工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)不一樣，所以不同的工程建設(shè)開挖步驟也很不一樣。大部分建設(shè)項(xiàng)目的施工是按照以下步驟進(jìn)行的：平整和加固場(chǎng)地→嚴(yán)格管樁施工→針對(duì)不同土層實(shí)施開挖和施工→準(zhǔn)備施工原材料。

2.2 有效規(guī)劃挖土作業(yè)

根據(jù)相關(guān)資料得出，一般在軟弱地基的施工地區(qū)管樁基礎(chǔ)的置換率是4%上下，施工之前需要了解工程的現(xiàn)狀，結(jié)合具體實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)劃布局，進(jìn)而確定實(shí)施方案。地基的開挖，是按照一定的層次進(jìn)行的。在基坑內(nèi)盡可能不在軟弱土上方布置土方及作業(yè)車輛運(yùn)輸?shù)钠碌?，如果坡道地放坡系?shù)小于1:1.5時(shí)就需要考慮采用混凝土進(jìn)行護(hù)坡施工，如果土質(zhì)情況不是太好，可以增加6.5@200×200鋼筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在施工過(guò)程中盡量避免在坡道兩側(cè)設(shè)置工程樁，如果無(wú)法避免就必須進(jìn)行噴錨加固或灌芯，也可以用鋼結(jié)構(gòu)棧橋來(lái)代替土方坡道。盡量避免壓樁與挖地基同時(shí)進(jìn)行，開挖地基和樁基的施工時(shí)間應(yīng)該大于15d，最好可以在30d以上。如果若承臺(tái)區(qū)域也等于軟弱土質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以采用人工方式開展，這樣能把設(shè)備荷載對(duì)土體產(chǎn)生的影響降低到最小。用該提前考慮安排截樁。挖掘施工前，需要截掉表層的樁。開挖時(shí)，分段進(jìn)行施工。車輛以及挖機(jī)盡量選擇小型機(jī)械設(shè)備，避免使用大型機(jī)械，比如小于PC100?；觾?nèi)的車輛最好在10t以下?；油诰驎r(shí)需要布置好路線，盡量減少機(jī)械設(shè)備的重復(fù)來(lái)回碾壓。不得在邊坡附近堆放土方。

3 基坑的開挖形式

基坑的開挖應(yīng)該根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土層土質(zhì)的不同情況，可分為三種方式，分別是盆式開挖、中心島式開挖以及分層式開挖，施工過(guò)程中應(yīng)做到限時(shí)開挖、對(duì)稱、分塊、分層。另外，在進(jìn)行基坑開挖時(shí)應(yīng)該根據(jù)五邊法進(jìn)行施工：邊砌磚胎膜、邊澆混凝土墊層、邊鋪碎石墊層或片石、邊鑿超高樁、邊挖土。

3.1 基坑內(nèi)的土方開挖方法

基坑內(nèi)土方的挖掘一般有3種方法，第一種是大面積進(jìn)行分層挖土，每一層的厚度小于2m，這種挖掘方式比較適合圍護(hù)基坑的情況，但是存在一定的缺點(diǎn)，那就是挖掘出淤泥質(zhì)黏土或者是淤泥的空間需要回填鋼質(zhì)路基板、建筑垃圾或者是塘渣，不然很容易造成施工的機(jī)械在軟弱土層中陷落，影響施工的正常進(jìn)行。第二種基坑土方開挖方法是中心島式分層開挖，也就是說(shuō)首先在基坑的四周進(jìn)行分層挖掘，挖掘到土釘墻或者是支撐底的最底排，然后再對(duì)中心島進(jìn)行挖掘，一般使用多輛反鏟接力式將土方傳送出基坑直達(dá)路面，挖掘的每一層厚度也是小于2m，并且邊坡的坡度控制在1/3～1/2 范圍內(nèi)，臨時(shí)堆土的高度小于0.6m。第三種方法是盆式分層挖土，一般主要是在基坑周圍有留置三角土或者是斜撐，起到對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支承作用。

3.2 基坑下方的土方開挖方法

基坑下方的土方開挖形式有兩種，第一種是使用小型反鏟挖掘機(jī)在支撐的下部進(jìn)行挖掘，接著采用接力式把土傳送到自卸汽車內(nèi)，這種方法主要用于可挖土層厚度在3m 以上，可以確保挖土機(jī)械具有充分地施工作業(yè)空間。第二種是采用長(zhǎng)臂反鏟機(jī)在支撐頂部進(jìn)行挖掘，在挖掘之前需要回填鋼質(zhì)路基板或者是塘渣，另外還需要保證機(jī)械底部的土層穩(wěn)固，防止在施工時(shí)因?yàn)楹奢d太大導(dǎo)致支撐被壓斷。

3.3 保護(hù)圍護(hù)樁墻及工程樁的技術(shù)措施

在挖掘時(shí)必須對(duì)工程樁進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，特別是抗側(cè)移能力較差的混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，更要保護(hù)好。具體的保護(hù)技術(shù)措施如下：（1）標(biāo)記較大的或者是超高的管樁，高度引起工作人員的注意，在整個(gè)開挖過(guò)程中道路路面施工盡量避開超高樁。如果管樁的標(biāo)高大于2m，則需要進(jìn)行2次截樁，避免挖掘時(shí)由于移動(dòng)土體引起工程樁斷裂或者是偏移。（2）基坑的邊坡坡度一般控制在小于1/2，如果淤泥土質(zhì)，則必須控制在1/3以內(nèi)。（3）避免挖機(jī)的鏟頭與超高工程樁碰撞，首先在靠近機(jī)械的一側(cè)進(jìn)行開挖，然后再挖掘其他三方的土方。（4）挖土機(jī)需要旋轉(zhuǎn)180°后把挖土裝載到自卸汽車上，這樣就必須防止邊坡受到過(guò)大的壓力。（5）如果天氣情況糟糕，盡量不要進(jìn)行施工，僅為雨水會(huì)將土層軟化，導(dǎo)致邊坡發(fā)生塌方或者是位移。（6）運(yùn)土坡道的角度一般保證小于15°，采用建筑垃圾或者塘渣進(jìn)行鋪墊，加大坡道與機(jī)械的摩擦力。（7）土方開挖24h之內(nèi)必須對(duì)基地墊層進(jìn)行砌筑和澆筑，保證維護(hù)樁墻的穩(wěn)定性。（8）嚴(yán)禁撐底超挖，如果支撐下部的空間很小，還要用機(jī)械進(jìn)行挖掘，必然導(dǎo)致超挖現(xiàn)象。基坑挖掘到底板墊層時(shí)，立刻用混凝土進(jìn)行澆搗，接著切割承臺(tái)地梁位置的墊層，用人工進(jìn)行開挖地梁和承臺(tái)的土方。（9）當(dāng)基坑的落差比較大時(shí)，需要使用長(zhǎng)臂反鏟機(jī)挖土，機(jī)械需要站在較遠(yuǎn)一點(diǎn)的位置，離開松木排樁或攪拌樁擋墻。

3.4 人工修土方式

在機(jī)械開挖土方之后，仍然需要人工對(duì)土方進(jìn)行清理，因此必須保證足夠的勞動(dòng)力，邊運(yùn)土邊清理，清理出來(lái)的土方用機(jī)械運(yùn)走，保證土方開挖和基坑支護(hù)形成連續(xù)的作業(yè)，盡量減小坑底的暴露時(shí)間。

4 樁身偏位及修正措施

4.1 樁身偏位的原因

在挖土施工過(guò)程中若組織不當(dāng)則可能會(huì)產(chǎn)生管樁偏位，如未按照分層分塊開挖，其中的主要原因有以下幾點(diǎn)。

（1）超靜孔壓未及時(shí)消散。在東南沿海地區(qū)，軟弱土層多數(shù)是飽和的淤泥土或淤泥質(zhì)土，其滲透性能較差。在管樁沉樁施工時(shí)，樁身會(huì)發(fā)生擠土效應(yīng)，地基土也會(huì)隨之發(fā)生位移，造成土體內(nèi)超靜孔壓較高。若所造成的超靜孔壓未在基坑土方工程施工之前消散，而土方開挖時(shí)造成部分土體卸載，而地基土原本達(dá)到平衡狀態(tài)的應(yīng)力出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)一步造成土體位移、坑壁失穩(wěn)、坑底隆起等工程事故，也可能會(huì)使得已經(jīng)打入土體的管樁發(fā)生樁身偏斜甚至斷樁。

（2）在基坑土方開挖時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照“分層開挖，先支護(hù)后開挖”進(jìn)行，如果未遵循該原則，則部分流動(dòng)性較強(qiáng)的軟弱土在開挖之后，未開挖的土體在自重應(yīng)力的作用下，會(huì)造成深層土體發(fā)生位移，而造成管樁偏位。

（3）管樁樁頂?shù)某至油⒉皇撬椒植嫉?，而是高低起伏狀態(tài)，在管樁嵌入持力層后，其樁頂?shù)臉?biāo)高通常會(huì)高于管樁的設(shè)計(jì)標(biāo)高。如果在這種情況下，挖土機(jī)在挖土過(guò)程中由于視線限制或操作不規(guī)范，可能會(huì)造成挖土鏟與樁頂發(fā)生一定的磕碰，造成管樁的樁身偏位。

4.2 在豎向荷載作用下偏位樁的受力

如圖2所示，作用于偏斜樁在豎向荷載作用時(shí)，可以將豎向作用力P分解為垂直和平行于樁軸線兩個(gè)方向的分量Px和Py。

對(duì)于樁身偏斜的樁體來(lái)說(shuō)，其單樁承載力Qu同樣是極限側(cè)摩阻力Qsu與極限端部承載力Qpu兩者的疊加，如果忽略Qsu與Qpu之間的相互影響，則有Qu=Qsu+Qpu。

在進(jìn)行極限端部承載力Qpu計(jì)算時(shí)，通常假定地基是若干水平薄層疊加而成，相鄰薄層之間不具有相互約束荷載。樁身偏位的樁體與土層之間的作用力不考慮垂直投影面內(nèi)的影響，而僅僅考慮水平投影面內(nèi)的相關(guān)情況，所以，偏斜角θ會(huì)對(duì)極限端部承載力Qpu造成影響，隨著其不斷增大而逐漸變化。

當(dāng)偏斜角θ為0時(shí)，樁身無(wú)偏位現(xiàn)象，處于垂直狀態(tài)，則：

當(dāng)0<θ<Φ時(shí)，則：

式中：

Ap——片偽裝的水平投影面積；

qp——樁端單位面積的極限阻力。

當(dāng)Φ<θ<90°時(shí)，極限端部承載力Qpu向Φ 角水平面內(nèi)投影，則垂直于樁體軸向的投影面內(nèi)的被動(dòng)土壓力形成極限端部承載力Qpu，即：

式中：

Ap1——水平投影面積；

Ap2——垂直投影面積；

σp——在垂直范圍內(nèi)作用的被動(dòng)土壓力；

γ——被動(dòng)土的容重；

Kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)；

z——壓力計(jì)算點(diǎn)的難度。

從上述計(jì)算可知，當(dāng)θ>0情況下的Qpu比垂直樁的Qpu小，此時(shí)偏斜樁的極限端阻力也隨之減小。

圖1 豎向荷載作用時(shí)偏位樁的受力圖

圖2給出了不同偏位角度的單樁軸力對(duì)比情況，從中可以看出：（1）樁身所受的軸向應(yīng)力均為沿樁軸線方向從下到上逐漸增大，在樁體最下位置上的局部軸力也為大于零的正值，由此說(shuō)明，樁身偏位的樁體單樁承載力Qu同樣是極限側(cè)摩阻力Qsu與極限端部承載力Qpu兩者的疊加；（2）在軟弱土層內(nèi)，樁位偏斜的樁體的軸向應(yīng)力變化較大，樁體下部的側(cè)摩阻力相對(duì)較大，而樁體上部的側(cè)摩阻力相對(duì)較??；（3）在相同荷載下，偏位角對(duì)樁體軸力有較大影響，不同偏斜角度主要是影響樁側(cè)的摩阻力分布。總之，樁身偏位角的增加會(huì)導(dǎo)致管樁承載力降低，同時(shí)也與上部作用的荷載大小相關(guān)。

圖2 不同偏位角下單樁受力對(duì)比分析

4.3 樁身偏位的修正措施

4.3.1 樁身加固

首先對(duì)樁身偏位情況以及樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)出現(xiàn)的偏位甚至斷樁的情況，一般采用灌芯補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行處理，如圖3所示。圖3中：①螺旋箍與主筋點(diǎn)焊連接；②灌芯混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35；③型鋼長(zhǎng)度放置時(shí)，應(yīng)確保裂縫上下2m范圍內(nèi)存在型鋼。灌芯前，必須確保樁斷裂處樁身無(wú)錯(cuò)位情況出現(xiàn)，待灌芯混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，須全部采用低應(yīng)變法復(fù)測(cè)樁身完整性。

圖3 管樁灌芯加固示意

4.3.2 補(bǔ)樁及承臺(tái)底板地梁加強(qiáng)

如果局部范圍內(nèi)樁身偏位情況嚴(yán)重，偏斜位移較大，則一般會(huì)進(jìn)行補(bǔ)樁，補(bǔ)樁一般是鉆孔灌注樁。如果是多樁承臺(tái)下部的管樁樁身偏位嚴(yán)重，則可以將單獨(dú)的承臺(tái)重新設(shè)計(jì)為聯(lián)合承臺(tái)，具體需要根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的受力情況來(lái)對(duì)承臺(tái)進(jìn)行計(jì)算配筋。同時(shí)對(duì)于承臺(tái)上部的地下室底板厚度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加，可以在承臺(tái)與下部偏位樁之間增加地梁，地梁的配筋量應(yīng)根據(jù)偏位樁的具體情況適當(dāng)加大，這樣能夠很大程度上加強(qiáng)承臺(tái)與樁體的整體性，建筑物的基礎(chǔ)剛度也得以提升。采用上述樁身偏位修正措施，能夠很大程度上降低樁身偏位的負(fù)面影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

在東南沿海地區(qū)，由于海相、湖相地質(zhì)廣泛分布，地下水補(bǔ)給充足，造成許多施工場(chǎng)地出現(xiàn)大面積、大深度軟弱土的情況，而預(yù)應(yīng)力混凝土管樁目前又廣泛運(yùn)用于沿海地區(qū)的公用民用建筑工程之中。在實(shí)際施工時(shí)，混凝土管樁屬于擠土樁，其施工特點(diǎn)是工期較短，施工進(jìn)度快。在管樁迅速打入軟弱土體后，土體內(nèi)的超靜孔壓未能及時(shí)消散，如果在超靜孔壓消散過(guò)程中未能控制好土方的開挖，則容易造成樁身偏位等工程是事故。因此，在進(jìn)行軟弱土地區(qū)管樁基礎(chǔ)的基坑挖土?xí)r應(yīng)根據(jù)軟弱土的具體工程性質(zhì)，全面有效地規(guī)劃好土方的開挖作業(yè)，控制樁身偏位，保證管樁質(zhì)量。此外，在挖土施工過(guò)程中若組織不當(dāng)則可能會(huì)產(chǎn)生管樁偏位甚至斷樁等工程病害，應(yīng)及時(shí)采用樁身加固、補(bǔ)樁以及承臺(tái)底板地梁加強(qiáng)等合理的樁身修正措施。