預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁沉樁施工對(duì)周邊建筑物的影響分析

盧玉華 朱兵見 陶海冰 單華峰

1. 方遠(yuǎn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 浙江 臺(tái)州 318000；2. 臺(tái)州學(xué)院建筑工程學(xué)院 浙江 臺(tái)州 318000

在軟土地區(qū)建造高速鐵路時(shí)的地基處理方法主要有置換法、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法、特殊結(jié)構(gòu)法[1]。置換法適合處理淺層軟弱地基，在深厚軟黏土地區(qū)不適用。排水固結(jié)法處理深度一般為20～30 m，存在預(yù)壓排水處理效果的不確定性和次固結(jié)沉降變形的影響。研究發(fā)現(xiàn)沿海鐵路海相軟土，次固結(jié)變形可占主固結(jié)沉降的10%以上[2]。

復(fù)合地基由增強(qiáng)體和土共同受力，加固深度受到豎向增強(qiáng)樁體材料影響。近年來(lái)，“樁-樁帽-加筋墊層”復(fù)合結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁筏整體結(jié)構(gòu)等形式應(yīng)用廣泛，尤其是在深厚第四系軟黏土高填方路基的地基處理中。這些結(jié)構(gòu)形式均由樁體承擔(dān)絕大部分路堤荷載，以充分發(fā)揮樁身強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)[1-3]。預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁（以下簡(jiǎn)稱“竹節(jié)樁”）表面設(shè)置了橫向和縱向肋，不僅可以提高樁基承載力，而且大大提高了施工效率，保證樁基施工質(zhì)量，近年來(lái)在浙江東南沿海得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有研究表明，在飽和軟黏土中進(jìn)行竹節(jié)樁施工，會(huì)導(dǎo)致擠土效應(yīng)，使超孔隙水壓力升高，引起周邊地表或者建筑物沉降、隆起、傾斜、側(cè)移等復(fù)雜的變形[4-6]。地面以下較深層的土體，因上部覆蓋土層的重力作用而產(chǎn)生明顯的徑向擠壓，不斷往周邊擴(kuò)散，造成鄰近建筑物結(jié)構(gòu)或墻體開裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

沉樁施工對(duì)周邊環(huán)境的影響因素很復(fù)雜，不僅與施工方式有關(guān)，還與施工距離、樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距、地下水、土層物理力學(xué)性質(zhì)、群樁效應(yīng)疊加等有關(guān)系。楊大海等[7]利用Abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)錘擊法施工PHC管樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了模擬，分析了土彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等對(duì)沉樁擠土位移和擠土應(yīng)力的影響。李雙龍等[8]對(duì)魯南高鐵曲阜東站并軌段路基工程中大面積靜壓群樁對(duì)鄰近場(chǎng)地?cái)D土變形的影響進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，指出橫向變形最大影響范圍為88d（d為樁徑）。盧玉華等[9]研究表明，臺(tái)州濱海軟弱土區(qū)域預(yù)應(yīng)力管樁壓樁施工過(guò)程中影響擠土偏位的范圍為樁長(zhǎng)的85%，影響孔隙水壓力的范圍為樁長(zhǎng)的80%。

寧波與臺(tái)州緊密相連，飽和軟黏土特性存在一定的相似性，竹節(jié)樁在寧波地區(qū)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。葉俊能等[10]考慮竹節(jié)樁竹節(jié)間空隙對(duì)豎向超孔隙水壓力的影響，建立了孔壓計(jì)算公式，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)竹節(jié)樁相比管樁引起的超孔隙水壓力偏大。周佳錦等[11]通過(guò)對(duì)外徑400 mm的管樁和400-350（80）A的竹節(jié)樁進(jìn)行錘擊沉樁施工，在不同的休止期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)。結(jié)果表明竹節(jié)樁承載性能提高幅度大于管樁，竹節(jié)樁施工過(guò)程中對(duì)樁周土體的擾動(dòng)程度更大。但文獻(xiàn)[11]中沒(méi)有對(duì)竹節(jié)樁施工過(guò)程對(duì)樁周土體的影響進(jìn)行研究。

上述及現(xiàn)有文獻(xiàn)雖然對(duì)沉樁施工過(guò)程中超孔隙水壓力、擠土效應(yīng)導(dǎo)致的地表水平位移、豎直位移進(jìn)行了理論研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但都存在一定的局限性：近樁的較大變形研究和測(cè)試較多；往往只進(jìn)行了單一影響因素研究，沒(méi)有進(jìn)行多因素耦合研究，規(guī)律適用但數(shù)據(jù)不適合；地基土性質(zhì)存在時(shí)空變異性，樁基方案存在差異；等等。對(duì)于建筑物來(lái)講，其對(duì)不均勻沉降比較敏感，尤其是磚混結(jié)構(gòu)的民房建筑。本文通過(guò)在竹節(jié)樁沉樁施工過(guò)程中，對(duì)建筑物豎直變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，分析飽和軟黏土中沉樁施工距離對(duì)周邊建筑物的影響，所得到的結(jié)論可以指導(dǎo)臺(tái)州濱海新區(qū)類似工程施工，優(yōu)化施工方案，減少對(duì)相鄰建筑物的影響。

1 工程概況

臺(tái)州市域鐵路S1線一期工程16工區(qū)城南車輛段位于溫嶺市城南鎮(zhèn)，屬于海積平原區(qū)，平坦開闊，地形坡度小于2°，地面高程一般為1.5～3.0 m。地層巖性從上到下分別為：①第四系全新統(tǒng)海積褐黃色、褐灰色粉質(zhì)黏土，軟塑，厚0.5～2.5 m；②淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土，成互層狀，深灰色、灰色，軟-流塑，厚20～40 m；③第四系上更新統(tǒng)沖海積灰色、青灰色、黃綠色粉質(zhì)黏土，軟塑-硬塑，層內(nèi)夾薄層粉細(xì)砂、粉土層，一般厚10～40 m；④第四系上更新統(tǒng)沖洪積黃褐色圓礫土，局部夾黏土，中密-密實(shí)，飽和，一般厚10～20 m。

工區(qū)里程為CNDK0＋044.46～CNDK1＋140.00，工區(qū)全長(zhǎng)1 095.54 m。CNDK0＋044.46～CNDK0＋074.02為無(wú)碴軌道，工后沉降要求不宜超過(guò)15 mm。路基與橋梁、隧道或者橫向結(jié)構(gòu)物交界處的工后差異沉降不應(yīng)大于5 mm。CNDK0＋074.02以后為有碴軌道，要求工后沉降不超過(guò)20 cm，場(chǎng)坪工后沉降不超過(guò)30 cm。

為滿足設(shè)計(jì)要求，CNDK0＋044.46～CNDK0＋089.46段地基處理方法采用竹節(jié)樁＋筏板結(jié)構(gòu)加固，CNDK0＋089.46～CNDK0＋200.00段采用竹節(jié)樁-樁帽-加筋墊層復(fù)合結(jié)構(gòu)加固。其余段及場(chǎng)坪區(qū)采用水泥攪拌樁和塑料排水板加固。各段竹節(jié)樁型號(hào)、樁間距、樁長(zhǎng)、根數(shù)如表1所示，均采用正方形布置。

表1 竹節(jié)樁參數(shù)

本工程使用的竹節(jié)樁如圖1所示，壓樁機(jī)選用步履行走式靜壓樁機(jī)。竹節(jié)樁施工時(shí)間為2019年3月30日—8月21日，工期145 d。本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)周邊有較多建筑物（圖2），在竹節(jié)樁施工期間應(yīng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土竹節(jié)樁

圖2 民房1、民房2

2 建筑物沉降監(jiān)測(cè)

2.1 沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

施工現(xiàn)場(chǎng)周邊建筑物主要有4棟民房，民房1和民房2各布置4個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，民房3和民房4各布置6個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。民房3距離施工現(xiàn)場(chǎng)最近，直線距離不足10 m。其中民房1和民房2在竹節(jié)樁施工前已經(jīng)存在不均勻沉降變形，2棟民房頂部幾近接觸，如圖2中紅色線所示。建筑物沉降監(jiān)測(cè)頻率為：竹節(jié)樁施工前，每月監(jiān)測(cè)1次；竹節(jié)樁施工期間，每2～3 d監(jiān)測(cè)1次；竹節(jié)樁施工后，每月監(jiān)測(cè)1次。當(dāng)出現(xiàn)沉降突變、外部環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，增加觀測(cè)頻次。建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共布置20個(gè)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)及編號(hào)

2.2 沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

竹節(jié)樁施工前，2018年11月起，就開始對(duì)4棟民房的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線。受疫情影響，2020年2月份的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失?？v坐標(biāo)負(fù)值表示建筑物發(fā)生向下的沉降變形，正值表示建筑物發(fā)生向上的隆起變形。

民房1的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1-1—JC1-4的沉降變形隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。竹節(jié)樁施工前，沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示其一直在發(fā)生沉降變形，主要原因是新建建筑物地基中附加應(yīng)力疊加的影響，軟土地基固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，沉降長(zhǎng)時(shí)間不能穩(wěn)定。與民房2相鄰的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1-2和JC1-3的沉降量明顯大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1-1和JC1-4，這與圖2所示的2幢民房的傾斜變形情況一致。竹節(jié)樁施工前4個(gè)月沉降平均值為7.4 mm。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1-1—JC1-4的沉降變形曲線

2019年3月30日竹節(jié)樁開始施工后，各點(diǎn)開始發(fā)生向上的隆起變形，但變化不明顯。這與其距離打樁場(chǎng)地最遠(yuǎn)及東邊建筑物的遮擋有關(guān)系。

民房2的4個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2-1—JC2-4的沉降變形隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。竹節(jié)樁施工前4個(gè)月沉降平均值為7.8 mm，與民房1的沉降量基本一致。與民房1相鄰的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2-1和JC2-4的沉降量明顯大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2-2和JC2-3。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2-1—JC2-4的沉降變形曲線

竹節(jié)樁施工對(duì)民房2的JC2-2點(diǎn)影響最明顯，對(duì)其余3個(gè)點(diǎn)影響不明顯。根據(jù)施工日志可以看出，4月6日—4月24日期間，大部分的沉樁與JC2-2點(diǎn)連線沒(méi)有被民房3遮擋，且直線距離為40～60 m。由此可見，施工距離和有無(wú)建筑物遮擋是影響變形的重要因素。

民房3的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC3-1—JC3-6的沉降變形隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。竹節(jié)樁開始施工之前，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)都是沉降變形，4個(gè)月沉降平均值為4.8 mm。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC3-1—JC3-6的沉降變形曲線

由于民房3距離竹節(jié)樁施工場(chǎng)地的最近距離不足10 m，為減少沉樁影響，在其東側(cè)開挖一條長(zhǎng)10 m左右的應(yīng)力釋放溝。同時(shí)，沉樁施工順序采取逐步背離民房3的方式。施工開始后建筑物整體發(fā)生了明顯的向上隆起變形。JC3-3、JC3-4點(diǎn)隆起速度最快，而且沉降量很快由負(fù)值變成了正值。JC3-2、JC3-5點(diǎn)跟著出現(xiàn)正值。JC3-1、JC3-6點(diǎn)雖然也出現(xiàn)隆起變形，但是始終沒(méi)能出現(xiàn)正值。觀察圖3中這6個(gè)點(diǎn)的位置，發(fā)現(xiàn)對(duì)隆起變形最先反應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)離沉樁現(xiàn)場(chǎng)最近，依次向外發(fā)展。6月20日—6月26日，當(dāng)47 m長(zhǎng)竹節(jié)樁施工時(shí)，雖然距離遠(yuǎn)，但對(duì)民房3影響比較明顯。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大不均勻變形量為13 mm，滿足變形控制要求。

民房4的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC4-1—JC4-6的沉降變形隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。竹節(jié)樁沉樁施工之前各監(jiān)測(cè)點(diǎn)也基本都是沉降變形，但前期沉降變形很小，4個(gè)月沉降平均值為1.7 mm，說(shuō)明民房4沉降變形已經(jīng)基本穩(wěn)定。3月30日竹節(jié)樁沉樁施工開始后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有向上隆起變形。4月6日之后，各點(diǎn)沉降值開始減小，即建筑物整體也開始發(fā)生了隆起變形。JC4-1點(diǎn)隆起速度最快，而且沉降量很快由負(fù)值變成了正值。但是總體上變化速度較慢。JC4-6、JC3-2、JC3-5點(diǎn)也陸續(xù)出現(xiàn)正值。JC4-3、JC4-4點(diǎn)雖然也出現(xiàn)隆起變形，但是在竹節(jié)樁施工期間基本上沒(méi)有出現(xiàn)正值。觀察圖3中這6個(gè)點(diǎn)的位置發(fā)現(xiàn)，對(duì)上浮變形最敏感的監(jiān)測(cè)點(diǎn)離打樁點(diǎn)最近，依次向外發(fā)展。但是變形量都很小，影響完全可以忽略。同樣發(fā)現(xiàn)6月20日—6月26日，當(dāng)47 m長(zhǎng)竹節(jié)樁施工時(shí)，雖然距離遠(yuǎn)，但對(duì)民房4的影響也比較明顯。

2.3 沉樁施工影響距離

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC4-1—JC4-6的沉降變形曲線

圖8 靜壓沉樁施工影響范圍

綜合沉樁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降時(shí)間曲線，結(jié)合施工每日進(jìn)度圖，可以得到靜壓沉樁施工影響范圍，如圖8所示。圖8中實(shí)線圓弧3-31和4-31表示31 m長(zhǎng)竹節(jié)樁的沉樁影響范圍。若樁與建筑物距離大于84 m，約為樁長(zhǎng)的2.7倍時(shí)，沉樁施工對(duì)建筑物位移幾乎沒(méi)有任何影響。虛線圓弧3-47和4-47表示47 m長(zhǎng)竹節(jié)樁的沉樁影響范圍。若樁與建筑物距離大于134 m，約為樁長(zhǎng)的2.85倍時(shí)，沉樁施工對(duì)建筑物沉降幾乎沒(méi)有任何影響。

由此得到靜壓沉樁施工影響距離與樁長(zhǎng)的關(guān)系，如圖9所示，得到擬合關(guān)系曲線y＝2.819 1x。綜合來(lái)看，在考慮一定的安全儲(chǔ)備基礎(chǔ)上，如果沉樁距離超過(guò)樁長(zhǎng)的3倍，則對(duì)建筑物的沉降影響可以完全忽略。

圖9 靜壓沉樁施工影響距離與樁長(zhǎng)的關(guān)系

以上結(jié)論與文獻(xiàn)[12]中A（沉樁距離）≥82 m，垂直位移可以略去的結(jié)論基本一致。文獻(xiàn)[12]中新建建筑采用的是鋼管樁，打入深度為52 m，但是鋼管樁施工的土塞效應(yīng)，以及沿施工區(qū)域四周布置的袋裝砂井，可以有效減少打樁對(duì)土體及鄰近建筑的影響。雖然本工程也開挖了應(yīng)力釋放溝，但是其開挖長(zhǎng)度、深度都不大，只是為了降低對(duì)民房3的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，沉樁施工距離是建筑物變形的首要影響因素，離沉樁位置越近的建筑物隆起變形越大，周邊其他建筑物的遮擋作用對(duì)建筑物變形也有一定的影響。

2）在濱海軟黏土區(qū)域進(jìn)行竹節(jié)樁靜壓沉樁施工，對(duì)樁周土體擾動(dòng)程度較大。沉樁距離超過(guò)樁長(zhǎng)的3倍時(shí)，對(duì)建筑物的沉降影響可以完全忽略。如果在3倍以內(nèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的沉樁路線、沉樁速度和沉樁時(shí)間，并設(shè)置應(yīng)力釋放溝或應(yīng)力釋放孔，可以降低沉樁影響，做到安全施工。

3）隨著臺(tái)州濱海新區(qū)的不斷開發(fā)建設(shè)，濱海軟黏土中竹節(jié)樁沉樁施工對(duì)周邊環(huán)境的影響會(huì)更加復(fù)雜，今后的研究將更多地圍繞多因素耦合作用開展，以期建立臺(tái)州本地的沉樁施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。