深厚淤泥地層中預(yù)應(yīng)力管樁偏斜機(jī)制分析及預(yù)防處理技術(shù)

趙永強(qiáng)，王之宇，張 磊，陳保國(guó)

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有抗壓強(qiáng)度高、污染少、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)構(gòu)造物、建筑物基礎(chǔ)中[1-2]，但預(yù)應(yīng)力管樁抗側(cè)彎能力較弱，稍有不慎便發(fā)生傾斜，甚至出現(xiàn)裂縫斷裂[3-4]，導(dǎo)致管樁承載力效果大幅降低.

有專(zhuān)家針對(duì)管樁偏斜所帶來(lái)的工程問(wèn)題及解決方案進(jìn)行了深入研究與探討.方延強(qiáng)等[5]針對(duì)施工中預(yù)應(yīng)力管樁偏斜受損程度的不同，分別提出了相關(guān)糾偏止損方案.朱李敏等[6]針對(duì)深厚軟土地區(qū)偏斜管樁承載力進(jìn)行試驗(yàn)分析，考慮預(yù)應(yīng)力管樁的偏斜角度、淤泥質(zhì)土深度及厚度、管樁直徑等對(duì)豎向承載力的影響.徐江等[7]進(jìn)行了大口徑鋼管偏斜樁豎向承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究.傅建舟[8]結(jié)合實(shí)際管樁工程案例，研究了預(yù)應(yīng)力管樁的糾偏以及補(bǔ)強(qiáng)的原理，提出了預(yù)應(yīng)力管樁的施工質(zhì)量控制辦法.

本文以深圳市固戍水質(zhì)凈化廠二期工程為背景，通過(guò)數(shù)值分析方法研究了開(kāi)挖方式、堆土荷載、機(jī)械荷載三方面因素對(duì)管樁偏斜的影響機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出了四種控制措施，通過(guò)數(shù)值模擬分析對(duì)前兩種控制措施的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，力爭(zhēng)為類(lèi)似工程提供一定經(jīng)驗(yàn)參考.

1 工程問(wèn)題分析

固戍水質(zhì)凈化廠二期工程位于寶安區(qū)西鄉(xiāng)街道現(xiàn)狀固戍水質(zhì)凈化廠一期項(xiàng)目用地以西，位于填海造陸區(qū)域，上覆第四系土層主要為人工填土層，全新統(tǒng)沖洪積層，下伏基巖主要為加里東期混合花崗巖.從上至下各土層劃分如表1所示，各土層厚度由上至下依次為2.5 m、5 m、4 m、4 m、3 m、10 m.

由于施工場(chǎng)地位于填海區(qū)軟弱土，不滿(mǎn)足地基承載力要求，設(shè)計(jì)采用靜壓管樁進(jìn)行加固.管樁采用PHC樁，外徑400 mm，壁厚95 mm，樁長(zhǎng)16 m.

在靜壓樁施工完畢，基坑開(kāi)挖初期，進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)部分管樁出現(xiàn)了偏斜，一度超過(guò)了規(guī)范值.后經(jīng)勘察論證，判定管樁偏斜原因可能與基坑開(kāi)挖方式、堆土方式、機(jī)械位置等有關(guān).由于場(chǎng)地土強(qiáng)度較低，存在著較為深厚淤泥土層，各種不當(dāng)?shù)耐谕练绞?、施工荷載均可能造成土體側(cè)向位移，進(jìn)而影響土體中管樁發(fā)生偏斜.本文通過(guò)模擬驗(yàn)證上述因素對(duì)管樁偏斜影響機(jī)制與程度，提出石灰樁加固、分層開(kāi)挖、禁止施工荷載擾動(dòng)等技術(shù)措施控制管樁偏斜，對(duì)比分析處理措施效果.

表1 物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值建模

采用數(shù)值分析軟件Midas GTS建立二維數(shù)值分析模型，模型長(zhǎng)65 m，高28.5 m，基坑開(kāi)挖深度5.7 m，土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型、平面應(yīng)變單元模擬，基坑圍護(hù)樁及坑內(nèi)管樁采用彈性模型、梁?jiǎn)卧M，圍護(hù)樁與管樁均為PHC樁，樁間距2.3 m，直徑400 mm，壁厚95 mm，長(zhǎng)度16 m，樁頂標(biāo)高位于地下1m處.模型底面約束水平和豎向位移，側(cè)面約束水平位移，模型上表面為自由邊界(如圖1、圖3、圖5).主要物理、力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

3 管樁偏斜機(jī)制

主要分析開(kāi)挖方式、堆土荷載、機(jī)械荷載單一因素對(duì)管樁偏斜的影響程度及大小.模擬工況如表2所示.第一次開(kāi)挖2.5 m至填土層底面，第二次在淤泥層一次性局部不均勻開(kāi)挖深度3 m，同時(shí)考慮開(kāi)挖臨空面附近堆土與機(jī)械荷載等影響因素.

表2 數(shù)值計(jì)算工況

3.1 開(kāi)挖方式

由于該施工場(chǎng)地位于填海區(qū)軟弱土地帶，表層為素填土，其下為較深厚的淤泥土層.淤泥土體松散、欠固結(jié)、含水量高、靈敏度高，基坑開(kāi)挖前靜壓樁及圍護(hù)樁的施工使淤泥土受到擾動(dòng)，其強(qiáng)度會(huì)明顯下降.初期施工時(shí)使用大型機(jī)械一次性開(kāi)挖較大深度，未能?chē)?yán)格按照分層均勻開(kāi)挖.管樁兩側(cè)承受不對(duì)等荷載.不均勻開(kāi)挖深度越深時(shí)，開(kāi)挖臨空面高差越大，兩邊荷載差越大，受卸載作用，淤泥層會(huì)加速向臨空面位移，擠壓管樁產(chǎn)生位移.

圖1 不均勻開(kāi)挖模型

模擬淤泥層一次性開(kāi)挖3 m深度，如圖1所示.管樁最大水平位移沿樁身變化如圖2所示.可知，當(dāng)一次性開(kāi)挖深度過(guò)大(3 m)，且臨空面坡度較陡時(shí)，管樁樁頂最大水平位移達(dá)到87.9 mm，不均勻開(kāi)挖引起的管樁偏斜主要發(fā)生在樁頂以下12 m深度范圍內(nèi)，且管樁水平位移隨著深度的增大逐漸減小，到樁身下部偏移量已接近0.

圖2 管樁最大位移曲線

3.2 堆土荷載

初期試驗(yàn)開(kāi)挖時(shí)，基坑開(kāi)挖出的土體直接堆在坑壁附近一段時(shí)間，未及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)走.堆土?xí)诳颖诟浇a(chǎn)生直接豎向荷載，加劇開(kāi)挖臨空面邊坡不穩(wěn)定性.淤泥土處于流塑狀，直接致使淤泥土向臨空面方向擠出，造成管樁偏斜.

保持開(kāi)挖深度3 m，在坑壁附近設(shè)置5 m寬、2 m高堆土.由圖4可知，管樁水平位移同樣隨著深度的增大逐漸減小，管樁發(fā)生偏斜的范圍主要集中在樁頂以下13 m深度范圍內(nèi).堆土荷載下管樁最大水平位移為103 mm，相較于無(wú)堆土條件下樁頂最大位移增加15.1 mm，增大了17.2%.

圖3 堆土荷載影響模型

圖4 管樁最大位移曲線

3.3 機(jī)械荷載

大型開(kāi)挖機(jī)械其自重較大，同時(shí)開(kāi)挖土體時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力.當(dāng)開(kāi)挖設(shè)備距離開(kāi)挖臨空面距離非常近時(shí)，其勢(shì)必會(huì)對(duì)坑壁附近土體形成一個(gè)極大的豎向荷載，類(lèi)似于堆土荷載，但遠(yuǎn)比其大得多，對(duì)坑內(nèi)臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定性造成重大不利影響，導(dǎo)致土體側(cè)向位移，管樁偏斜甚至機(jī)械設(shè)備沉陷.

圖5 機(jī)械荷載影響模型

保持開(kāi)挖深度3 m，模擬坑壁附近施加機(jī)械荷載50 KPa，作用寬度3.6 m.由圖6可知，管樁水平位移隨著深度的增大逐漸減小，管樁發(fā)生偏斜的影響范圍主要集中在樁頂以下深度9 m內(nèi).管樁最大水平位移位于頂部，為218.6 mm，相較于未施加機(jī)械荷載時(shí)最大位移增加130.7 mm，增大了148.7%，增長(zhǎng)幅值較大.

圖6 管樁最大位移曲線

4 控制處理措施

在試驗(yàn)開(kāi)挖初期發(fā)現(xiàn)坑內(nèi)局部管樁偏斜過(guò)大后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境，提出了石灰樁加固、分層分區(qū)均勻開(kāi)挖、開(kāi)挖面附近禁止施工荷載、補(bǔ)樁等多重措施解決管樁偏斜的難題.以簡(jiǎn)單高效的方式迅速?gòu)母旧辖鉀Q問(wèn)題，有效控制開(kāi)挖臨空面邊坡穩(wěn)定性以及管樁偏斜，避免了工期延誤.

4.1 石灰樁加固

石灰樁加固主要指對(duì)流塑性較強(qiáng)的淤泥層采用石灰樁進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)生石灰與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到快速降低淤泥層含水率，提高土體強(qiáng)度和側(cè)向剛度的目的.軟土地層中基坑開(kāi)挖引起管樁偏斜的原因主要是由于土體側(cè)向位移較大，通過(guò)石灰樁固化土體的方式提高土體的強(qiáng)度，增大承載能力，在管樁上部形成一個(gè)硬殼層，限制其水平變形，從根本上較大程度地控制了管樁偏斜.

模擬對(duì)開(kāi)挖深度內(nèi)3 m淤泥層范圍進(jìn)行石灰樁加固.加固后等效土體參數(shù)為E=20 MPa，μ=0.3，γ=19.5 kN/m3，c=32 kPa，內(nèi)摩擦角36°.

如圖7所示，保持開(kāi)挖深度3 m與堆土荷載條件相同，未做加固時(shí)樁頂最大水平位移103 mm，加固后最大位移28 mm，減小了75 mm，同比降低72.8%.樁頂以下8 m深度內(nèi)加固前后位移差異較大，8 m深度以下基本無(wú)差異.

圖7 管樁最大位移曲線

保持開(kāi)挖深度3 m與機(jī)械荷載條件相同，進(jìn)行未加固與加固成效對(duì)比.如圖8所示，加固后的管樁最大水平位移變化規(guī)律與無(wú)加固措施變化規(guī)律一致，但采用加固后的位移值小于無(wú)加固措施，樁頂最大位移值減小了約86.9%.結(jié)果表明，對(duì)管樁樁頂下淤泥層進(jìn)行石灰樁加固的方案可抑制管樁發(fā)生水平位移，是較為有效的加固方案.

圖8 管樁最大位移曲線

4.2 分層放坡開(kāi)挖

上文提到，軟土地層中一次性開(kāi)挖較大深度且坡面較陡時(shí)會(huì)加劇土體側(cè)向位移致使管樁偏斜.于是通過(guò)改進(jìn)土體開(kāi)挖方式同樣可以控制管樁偏斜.遵循“分層、分區(qū)、放坡、留土”施工原則，分層是根據(jù)不同土層性質(zhì)確定不同分層開(kāi)挖厚度，填土層分層開(kāi)挖深度不超過(guò)2m，淤泥層分層深度不超過(guò)1m；分區(qū)是根據(jù)不同建筑物基面高程不同分成不同開(kāi)挖區(qū)；放坡同樣隨土層性質(zhì)不同而調(diào)整，填土層開(kāi)挖坡度可定為1∶2，淤泥層坡度需大幅放緩，接近1∶10；留土即由基坑中間向四周開(kāi)挖，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近預(yù)留一定距離反壓土，減小基坑側(cè)壁位移對(duì)坑內(nèi)管樁影響.

圖9 分層均勻開(kāi)挖模型

圖10 管樁偏斜位移曲線

模擬在淤泥地層中單層開(kāi)挖1 m，如圖9所示.由圖10對(duì)比可知，未分層下管樁最大水平位移87.9 mm，分層放坡條件下該值為23.8 mm，減小了72.9%.結(jié)果表明，分區(qū)分層放坡開(kāi)挖的挖土方案可抑制管樁水平位移，是可行的控制措施.

4.3 禁止施工荷載

對(duì)于開(kāi)挖掌子面附近存在堆土與機(jī)械設(shè)備荷載造成管樁偏斜較大的問(wèn)題，采取更新挖土設(shè)備與土體運(yùn)輸車(chē)位置解決 ，即通過(guò)調(diào)用長(zhǎng)達(dá)29 m長(zhǎng)臂反鏟挖機(jī)進(jìn)行淤泥層挖土作業(yè)，保持開(kāi)挖設(shè)備距離開(kāi)挖臨空面距離不少于20 m，同時(shí)裝土運(yùn)輸車(chē)輛停在開(kāi)挖面30 m距離以外，盡最大可能減小施工荷載對(duì)管樁偏斜的影響程度.

4.4 補(bǔ)樁

對(duì)于樁身已發(fā)生嚴(yán)重偏斜甚至斷裂的管樁，優(yōu)先考慮進(jìn)行補(bǔ)樁.

4.5 其他措施

基坑開(kāi)挖區(qū)域內(nèi)布置網(wǎng)格化排水系統(tǒng)，施工過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)格排水和晾曬的方法提高淺層地基承載力，通過(guò)提高土體強(qiáng)度以間接限制管樁水平位移.

5 小結(jié)

1)基坑開(kāi)挖方式、堆土荷載、機(jī)械荷載均會(huì)造成管樁偏斜增加，其中機(jī)械荷載影響因素權(quán)重最大，相較于未施加機(jī)械荷載時(shí)管樁最大位移增大了148.7%.

2)采用石灰樁加固可有效抑制管樁偏斜，在堆土和機(jī)械荷載單一條件影響下樁頂最大位移分別減小72.8%、86.9%；采用分層均勻放坡開(kāi)挖比局部一次性開(kāi)挖3 m可減小樁頂最大位移64.1 mm，約72.9%.

3)使用長(zhǎng)臂反鏟機(jī)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖掌子面附近無(wú)施工荷載擾動(dòng)，設(shè)置網(wǎng)格化排水和晾曬提高土體強(qiáng)度，通過(guò)簡(jiǎn)單高效的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)管樁偏斜的控制.