軟土地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁施工的擠土效應(yīng)與控制措施

徐鳳富

北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司 北京 100043

由于PHC管樁具有良好的經(jīng)濟效益和可靠的成樁質(zhì)量等諸多優(yōu)點，所以在全國范圍內(nèi)得以普遍推廣和應(yīng)用。目前已成為天津及沿海地區(qū)大部分多高層建筑的首選基礎(chǔ)樁型，但由于靜壓PHC管樁屬于擠土樁并存在“閉塞”效應(yīng)，沉樁過程中的擠土效應(yīng)在飽和軟土地區(qū)表現(xiàn)極為顯著，加之施工措施控制不當(dāng)勢必引起一系列的工程質(zhì)量問題，本文將通過對沉樁擠土效應(yīng)的分析提出相應(yīng)的施工質(zhì)量控制措施以確保樁基的工程質(zhì)量。

1 擠土效應(yīng)

1.1 擠土效應(yīng)的影響

靜壓混凝土高強管樁（PHC）作為部分擠土樁，在工程設(shè)計樁數(shù)量較多，樁距較密的情況下沉入飽和黏性土、特別是在飽和淤泥質(zhì)土層的過程中擠土效應(yīng)表現(xiàn)極為顯著，不僅影響樁基本身的質(zhì)量，也會對周邊環(huán)境產(chǎn)生比較嚴重的影響，主要表現(xiàn)為如下幾個方面：

（1）壓樁時樁周圍土層被壓密并向四周擠開，使土體產(chǎn)生水平位移和垂直隆起，導(dǎo)致臨近建筑及構(gòu)筑物破壞、管線斷裂、道路隆起等現(xiàn)象。

（2）擠土效應(yīng)可能會造成鄰近已施工壓入樁體產(chǎn)生上浮和水平移位現(xiàn)象，特別是樁長較短時，易形成所謂的“吊腳樁”，試樁時出現(xiàn)的沉降較大，導(dǎo)致承載力及變形達不到規(guī)范及設(shè)計要求；樁距較密時樁頂偏位過大導(dǎo)致樁身彎曲變形、斷裂，存在著較嚴重的工程質(zhì)量隱患。

（3）在滲透性很低的軟弱土（淤泥、淤泥質(zhì)黏土）地層中沉樁時，會產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力，若不能很快將其消散，會造成壓樁困難，甚至損壞樁身，這也就是通常所說的“樁塞”效應(yīng)。同時由于土體有效應(yīng)力降低，樁周土體會發(fā)生垂直隆起和水平側(cè)向位移，帶動樁身產(chǎn)生上抬、導(dǎo)致樁位偏移過大、樁身翹曲斷裂。

1.2 工程實例分析

天津濱海新區(qū)工程，地上8層剪力墻結(jié)構(gòu)，原方案為混凝土灌注樁，經(jīng)設(shè)計優(yōu)化后采用預(yù)應(yīng)力混凝土高強管樁（PHC），樁徑為450mm，樁長27.0m，通過場外3根試樁，實驗過程中存在明顯的臺階曲線，其靜載荷試驗Q-s曲線及相應(yīng)的地質(zhì)土層分布如圖所示，該試樁加載達到1960kN時曲線出現(xiàn)明顯拐點，1960-2280kN之間曲線陡降，沉降量驟增，2280kN之后沉降增量明顯減小，曲線趨于平緩。靜載試驗Q-s曲線呈臺階狀。

參考地勘報告估算樁身極限側(cè)阻力約為1900kN，與Q-s曲線第一個拐點1960kN較為接近。因此認定為在1960kN時樁身側(cè)阻力得以充分的發(fā)揮，Q-s曲線呈臺階狀主要是樁端持力層存在土層缺陷等問題，即樁端與持力層之間存在一定厚度的虛土或軟弱層，當(dāng)樁側(cè)阻發(fā)揮至極限時，樁端虛土被下沉的樁端逐漸壓實，樁端承載力才得以發(fā)揮。

造成此工程質(zhì)量原因是沉樁時擠土效應(yīng)明顯，達到終壓力時未進行復(fù)壓或持荷時間較短，樁周圍及樁端持力層的土體結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞、發(fā)生充分重塑，因而卸載后有明顯回彈量，導(dǎo)致樁身上浮。樁身上浮導(dǎo)致樁端與樁端密實的持力層之間形成一定的間隙，間隙被軟土或虛土所填充。靜載荷試驗時，上浮樁虛土以上的樁身側(cè)阻力先發(fā)揮，待側(cè)阻力充分發(fā)揮后勢必引起沉降量的急劇增加。當(dāng)間隙處的軟土或虛土被擠壓密實后其樁端阻力才得以發(fā)揮，樁端的支承剛度及條件才發(fā)生改變。因而靜載荷試驗的Q-s曲線呈臺階狀。

在某些工程中由于樁身上浮過多，樁端間隙軟土或虛土過厚，在靜載試驗過程中常常導(dǎo)致沉降過大，通過試驗數(shù)據(jù)評價的樁基承載力過低而不滿足設(shè)計要求。而在實踐過程中如果能良好的控制樁身上浮，就能充分發(fā)揮樁端承載力及其對整個樁基承載力的貢獻。樁端土體對樁基承載力的貢獻不是線性關(guān)系，例如《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》條文中關(guān)于樁端剛度的實驗數(shù)據(jù)，如果樁端存在虛土等軟弱層時不僅樁端承載力未發(fā)揮反而可能導(dǎo)致樁側(cè)承載力明顯下降，下降值遠遠大于樁端租力貢獻值，如果樁端密實情況下不僅充分發(fā)揮樁端承載力而且提高樁側(cè)承載力的發(fā)揮，使整個樁基承載力提高10-20%的程度。這就是要確保樁端要落到較好持力層的本質(zhì)原因，也是樁端虛土、沉渣厚度、防止樁身上浮等施工控制的必要性所在。

1.3 擠土效應(yīng)的成因

靜壓PHC管樁沉樁時，靠近樁端的土體會發(fā)生刺入性極限破壞，形成流塑或流動狀態(tài)，向樁端下部和樁側(cè)向逐層排開，通常在樁端處形成數(shù)倍樁徑的球狀擾動區(qū)，土體擠壓、開裂、樁端刺入，樁端土體產(chǎn)生沖剪破壞，樁身周圍土體發(fā)生直接剪切破壞?？紫端跊_剪擠壓作用下，形成了不均勻水頭。由于飽和粘土滲透性差，其瞬時排水固結(jié)效應(yīng)不明顯，因此土體內(nèi)形成了極大的超靜孔隙水壓力。飽和粘土具有較強的結(jié)構(gòu)性，在很高的超靜孔隙水壓力作用下土體結(jié)構(gòu)受到破壞，有效應(yīng)力降低，樁周側(cè)及樁端一定范圍內(nèi)土體的抗剪強度較大幅度降低甚至消失。抗剪強度的降低大大減小了沉樁施工阻力，因而能將樁以極小的壓樁力沉入較深的地基土層中。這是超靜孔壓在沉樁過程中對沉樁施工的貢獻。同時由于飽和粘土中的超靜孔隙水壓力消散比較緩慢，有效應(yīng)力降低，沉樁時樁周土體發(fā)生表層土體的豎向隆起和深層土體的水平位移。樁體表面存在樁土間的接觸、滑移和摩擦效應(yīng)，樁身與土體接觸面上有較大的摩擦和剪切作用，連帶樁體產(chǎn)生上浮和水平移位，也即“抬樁”“移位”現(xiàn)象。

2 擠土效應(yīng)的控制措施

綜合以上分析，沉樁擠土效應(yīng)帶來的主要問題是超孔隙水壓過大且不易消散導(dǎo)致地基土體上浮和水平位移連帶樁體隨之上浮和水平偏位，樁尖與持力層脫密造成樁基變形過或承載力不足、樁位偏移過大造成樁身彎曲變形、斷裂等工程質(zhì)量問題。施工過程中主要應(yīng)從減少超孔隙水壓力的角度來解決問題。

（1）控制布樁密度，當(dāng)樁距過密時可協(xié)調(diào)設(shè)計人員給予適當(dāng)調(diào)整，加大樁距或加大樁徑以減少樁樁數(shù)，降低超孔隙水壓力，從而減小擠土效應(yīng)，當(dāng)設(shè)計無法調(diào)整時可對樁距較小部分的基樁采用預(yù)鉆孔沉樁（植樁）方法以減小擠土效應(yīng)，預(yù)鉆孔徑約比樁徑小50-100mm，預(yù)鉆孔深度宜為樁長的1/3－1/2，施工時應(yīng)隨鉆隨打；或采用間隔跳打法，但在施工過程中嚴禁形成區(qū)域封閉樁而導(dǎo)致“樁塞”現(xiàn)象。

（2）控制沉樁速率，沉樁速率一般控制在1m/min左右；同時應(yīng)對區(qū)域日成樁量進行必要的控制。如發(fā)現(xiàn)已成樁身位移量較大時，可減少沉樁數(shù)量，甚至停止沉樁1-2天，后續(xù)沉樁應(yīng)保證前期已沉入的樁有一定的超孔隙水壓力消散時間，必要時可進行水壓監(jiān)測。

（3）合理安排沉樁順序，制定有效的沉樁施工路線，并根據(jù)樁的入土深度，宜先長后短、先高后低，若樁較密集，且距建筑物及地下管線較遠，場地開闊時，宜從中間向四周進行施打；若樁較密集，場地狹長，兩端距建筑物預(yù)鉆孔較遠時，宜從中間向兩端進行施打；若樁較密集，且一側(cè)靠近建筑物或地下管線時，宜從相鄰建筑物或地下管線的一側(cè)開始，由近向遠進行施打；對于群樁基礎(chǔ)，應(yīng)從中心位置向外施打；位于承臺邊緣的樁，待承臺內(nèi)其他樁打完并重新核定樁位后，再進行施打；有圍護結(jié)構(gòu)的深基坑中的靜壓管樁，宜先沉樁后再做基坑的止水圍護結(jié)構(gòu)，這樣的施工順序可以避免由于基坑四周的止水圍護結(jié)構(gòu)使壓樁的土體內(nèi)孔隙水壓力無法擴散，造成先施工的管樁上浮，使樁的承載力達不到規(guī)范及設(shè)計要求，又避免了在基坑的壓樁過程中土體擴散而擠壞四周的止水圍護結(jié)構(gòu)及降低基坑圍護結(jié)構(gòu)的止水效果。

（4）設(shè)置塑料排水板或排水砂井，有效消除部分超孔隙水壓力，減少擠土現(xiàn)象；設(shè)置隔離板樁或地下連續(xù)墻；開挖地面排土溝和應(yīng)力釋放孔，消除擠土效應(yīng)以減少土體上浮的側(cè)壓。減少超孔隙水壓力是預(yù)防擠土效應(yīng)的關(guān)鍵。

（5）沉樁過程中應(yīng)加強臨近道路、建筑物、地下管線的觀測、監(jiān)護，并事前做好應(yīng)急方案及應(yīng)急措施。對靠近特別重要的管線及建筑物位置可改用其它樁型。同時對工程樁上浮標高進行監(jiān)測，尤其對于先施工的較短樁，發(fā)現(xiàn)上浮嚴重時應(yīng)進行復(fù)壓等相應(yīng)措施。

（6）控制施工過程中的停歇時間，避免由于施工停歇過程中，側(cè)摩阻力增大影響沉樁施工，造成沉樁困難。同時，應(yīng)仔細查看地質(zhì)報告，掌握土層分布情況，制定合理的樁長及樁距，應(yīng)避免樁端在砂質(zhì)粉土、砂土等硬土層中接樁。同一承臺內(nèi)的群樁，需接樁的接頭不宜在同一水平面內(nèi)、更應(yīng)避免接頭處于同一土層分界處；避免產(chǎn)生施工過程中產(chǎn)生的土壓力、水壓力效應(yīng)較大時，對樁身產(chǎn)生剪切破壞。

（7）樁基完成后宜對樁身進行適當(dāng)?shù)某趾杉皬?fù)壓1—2次，持荷時產(chǎn)生的超孔隙水壓力會進一步使土體的結(jié)構(gòu)破壞，使土體強度短時喪失并發(fā)生重塑，這樣可以有效避免在卸荷時樁身的回彈量，以免樁端與持力層脫密造成后期樁基沉降過大。二次復(fù)壓會鞏固持荷時取得的土體重塑效果。從實踐證明復(fù)壓比超壓沉樁更合理。

（8）樁基完成以后應(yīng)在土體恢復(fù)期后再進行土方開挖施工，土體恢復(fù)期根據(jù)土質(zhì)有不同要求，一般軟土地區(qū)15-21天，基坑開挖時應(yīng)在樁周均勻開挖，高差不宜高于1m，以免土側(cè)壓力過大造成樁身彎曲變形、斷裂和樁位偏移過大。

3 結(jié)語

靜壓PHC管樁出現(xiàn)靜載試樁Q-s曲線呈臺階狀這一特殊現(xiàn)象從本質(zhì)上反應(yīng)了沉樁擠土效應(yīng)對成樁質(zhì)量帶來的影響。大量工程實踐證明通過采取上述施工措施可取得較好的施工效果。因此，在飽和軟土地基中沉樁時應(yīng)在施工過程中對各個環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)，實時監(jiān)測現(xiàn)場情況，并結(jié)合場地的實際情況采取相應(yīng)的控制措施，以減少超靜孔隙水壓力的形成和累積，減輕土體的側(cè)位移和上浮量，以避免帶來樁體上浮、樁身彎曲變形、斷裂和偏位過大等工程質(zhì)量問題。另外，一種新型管樁-帶砂襯齒紋面排水管樁正在實驗研究，不僅可減小沉樁時超孔隙水壓力還能提高單樁承載力，此樁型還有待于工程實踐的證明。