軟土中打樁施工不良影響的防范問題解析

楊繼承

摘? 要：本文分析了軟土中打樁引起的影響，如：打樁時(shí)的拉應(yīng)力作用可使樁身發(fā)生屈服，樁周圍的抗剪強(qiáng)度效應(yīng)，孔隙水壓力的變化，使樁周圍發(fā)生縱向裂縫、側(cè)向位移、地面隆起等，并對引起的影響或危害的對策進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：軟工、打樁、影響

前言

在軟土地區(qū)，當(dāng)基底的土是軟土?xí)r，建筑物很少采用淺基礎(chǔ)。僅當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)置在厚的硬殼層上，以及其下的軟土的厚度幾乎是均勻的，且下臥的軟粘土的應(yīng)力增量小，而應(yīng)力分布又均勻，以致壓縮性粘土層的固結(jié)所引起的建筑物的平均沉降和差異沉降能被允許時(shí)，才能選用這類不打樁的基礎(chǔ)。因此，在軟土地區(qū)除了應(yīng)用各類灌注樁外，通常采用打入式的預(yù)制混凝土樁、鋼樁。由于軟土的工程地質(zhì)特性，打樁過程中往往引起種種影響和危害，如：打樁時(shí)的應(yīng)力作用使樁身發(fā)生屈服或斷裂，土的抗剪強(qiáng)度效應(yīng)，使高靈敏度軟粘土沿樁身表面向上溢出，孔隙水壓力的變化使地面產(chǎn)生縱向裂縫，影響樁群四周的穩(wěn)定性，樁周土側(cè)向位移、地面隆起等。本文證擬這一現(xiàn)象進(jìn)行分析，并探討其相應(yīng)對策。

一、軟土地基樁施工技術(shù)

軟土地基，主要是指由淤泥、淤泥質(zhì)土、雜填土或其他高壓縮性土層構(gòu)成的地基，是一種具有強(qiáng)度增長緩慢、加荷載后容易變形且不均勻、變形速率大且穩(wěn)定時(shí)間長、承載力低、沉降量大等不良工程性質(zhì)的軟弱地基。軟土地基比較容易發(fā)生變形導(dǎo)致流土，能夠造成結(jié)構(gòu)整體沉降或局部沉陷，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，大大降低其使用性能及安全性。因此，選用軟土作為地基應(yīng)用，必須提前采取切實(shí)可行的技術(shù)措施，保證建筑的安全性能和使用性能。以下簡要介紹幾種軟土地基處理方法。

1.置換法

置換法是將建筑物基礎(chǔ)底面以下一定范圍內(nèi)的淺層軟弱土或不良土挖去，回填其他無侵蝕性的散體材料，如：砂、灰土、碎石、粉煤灰、水泥土等散粒材料，從而加速軟土層的排水固結(jié)，防止凍脹和消除膨脹土的脹縮。提高地基承載力，減少沉降量的一種方法。按回填的材料可分為砂石墊層、碎石墊層、粉煤灰墊層、灰土墊層等，在施工過程中應(yīng)該層層鋪筑，層層夯實(shí)。墊層的作用是增強(qiáng)持力層的承載力，并可以通過墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，減小墊層下天然土層所承受的壓力，這樣可以減小地基的沉降量。

2.打樁法

當(dāng)淤土層較厚，難以大面積進(jìn)行深處理時(shí)，可采用打樁的辦法進(jìn)行加固處理。樁基礎(chǔ)技術(shù)多種多樣，一般在施工時(shí)是將鋼筋混凝土樁打入或灌注入土中，由樁和樁間土層一起組成復(fù)合地基，從而提高地基的承載力，保證了建筑物的安全使用。常見的樁基有：鉆孔樁、振動(dòng)樁等。

3.排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是解決軟土地基沉降和穩(wěn)定問題的有效措施，通過布置砂墊層、塑料多孔排水板等，使軟土地基表層或內(nèi)部形成水平或垂直排水通道，利用地基本身的透水性由排水體集中排水的結(jié)構(gòu)體系。然后采取加壓、抽水等措施，加速孔隙水的排出而使土固結(jié)和強(qiáng)度增長，提高地基土的穩(wěn)定性和堅(jiān)固性，從而避免基礎(chǔ)沉降，保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

4.加固土樁法

本場地周邊環(huán)境條件允許預(yù)制樁施工，樁型采用經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于預(yù)制鋼筋混凝土方樁的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土加固土樁，不同樁徑的樁的長徑比均控制在80左右。深層拌和的專用機(jī)械將軟土地基的局部范圍用固化材料加以改善、加固，形成加固樁，使加固樁與樁間土形成復(fù)合地基設(shè)計(jì)加固土樁只考慮其置換與應(yīng)力集中效應(yīng)，不考慮其固結(jié)排水與擠密作用，加固土樁的深度、直徑、間距應(yīng)經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算，并應(yīng)滿足工后沉降的要求。

5.深層擠密法

深層擠密法是通過擠密或振動(dòng)施工范圍內(nèi)的軟土，其主要作用是擠密樁周的松軟土層，使土層密實(shí)。并在振動(dòng)或擠密過程中回填砂、碎石等，形成砂樁、碎石樁等，當(dāng)軟土層較厚且換填處理比較困難，地基土屬于非飽和粘性土或砂土?xí)r，采用擠密砂樁或碎石樁加固法，可以使地基土密實(shí)，容重增加，孔隙比減少，防止砂土在地震或受震動(dòng)時(shí)液化，提高地基土的抗剪強(qiáng)度和水平抵抗力，減少固結(jié)沉降，使地基變均勻，起到置換、擠密、排水作用，防止地基產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，提前完成沉降，減少沉降差。

6.粒料樁

在樁的壓入過程中，樁身周圍土受剪切而發(fā)生重塑，土的強(qiáng)度降低為重塑土的殘余強(qiáng)度，當(dāng)壓樁過程出現(xiàn)一定時(shí)間的停頓或休止時(shí)，擾動(dòng)土部分強(qiáng)度恢復(fù)，壓樁力常常大幅度增長，本工程二、三節(jié)接樁采用砂、砂礫、碎石、廢渣等散粒材料，以專用震動(dòng)沉管機(jī)或水震沖器來成樁，使粒料樁與周圍的地基形成復(fù)合地基，粒料樁對地基有置換、擠密和豎向排水作用。粒料樁的深度、直徑、間距，應(yīng)經(jīng)穩(wěn)定及沉降計(jì)算來確定，地質(zhì)條件對施工方法的適應(yīng)性不清楚時(shí)，應(yīng)通過試樁加以核查。

二、軟土地基中的樁基應(yīng)用

常見的軟土地基，是由淤泥、淤泥質(zhì)土、雜填土或其他高壓縮性及抗剪強(qiáng)度低的土構(gòu)成的地基，具有強(qiáng)度變化緩慢、加荷載易變形，不均勻，變形速率大且承載力低，沉降量大等不良工程性質(zhì)的軟弱地基;軟土特點(diǎn)是天然含水量大、孔隙比大、壓縮系數(shù)高、強(qiáng)度低，并具有流變性、觸變性等特殊的土力學(xué)性質(zhì)，工程利用條件較差;軟土地基在附加荷載作用下，逐漸排出孔隙水，使孔隙比變小而產(chǎn)生固結(jié)變形，隨著土體超靜孔隙水壓力的逐漸擴(kuò)散，土的有效應(yīng)力增加，提前完成沉降或提高沉降速度。

天然軟土地基上的淺基礎(chǔ)往往不能滿足整體穩(wěn)定要求，而采用樁基礎(chǔ)可以有效解決這些問題，以它的大承載能力和抵御復(fù)雜荷載性質(zhì)而成為建筑在軟土中的主要基礎(chǔ)形式，其巨大的剛度把荷載較均勻地傳給下部各支撐，樁基礎(chǔ)與其他基礎(chǔ)相比具有施工較快，承載力高，投資較少，效果較好的特點(diǎn);樁基礎(chǔ)的施工根據(jù)荷載的大小與性質(zhì)，上部結(jié)構(gòu)的形式與使用要求及材料供應(yīng)和施工條件等確定;在軟土地基中優(yōu)先使用樁基礎(chǔ)應(yīng)適當(dāng)加大樁徑，相對減少鋼筋籠直徑。

三、軟土地基中的不良影響及防范對策

1 打樁時(shí)產(chǎn)生的樁身拉應(yīng)力影響及對策

打樁系統(tǒng)由墊板（塊）、錘墊、樁帽和專用于混凝土樁或鋼樁的樁墊組成，這個(gè)系統(tǒng)模擬成兩個(gè)非線性彈簧和一個(gè)質(zhì)量塊。當(dāng)樁錘錘擊樁頂時(shí)，在樁頂產(chǎn)生壓應(yīng)力波沿樁身由上向下傳播，它的最大強(qiáng)度主要取決于樁錘的錘擊速度、錘重、樁錘的效率、錘墊的剛度和恢復(fù)系數(shù)等。錘擊最大應(yīng)力與樁錘系統(tǒng)的有效錘擊能量有關(guān)。研究應(yīng)力波的形狀和強(qiáng)度的影響因素。由于應(yīng)力波沿著樁身傳播以及能量在土中的損失而減少了振幅。樁身阻尼一般為0.015～0.020 s/m，軟粘土中阻尼一般約為0.5～1% s/m。0F336D1D-E1C6-4C50-A402-8A782E4ADE78

在軟土打樁過程中，由于樁端為軟土層，初始?jí)簯?yīng)力波在樁端處以反射形成拉應(yīng)力波向上傳播。在采用錘重輕和落距大時(shí)，樁端部分會(huì)產(chǎn)生高的張拉應(yīng)力，反射的張拉應(yīng)力波超過限值時(shí)會(huì)使鋼筋產(chǎn)生屈服和樁身接頭脫落，樁身薄弱部分產(chǎn)生斷裂等。在實(shí)際工程中，會(huì)導(dǎo)致樁身發(fā)生屈服或斷裂，嚴(yán)重影響樁身的完整性及其承載能力。

為了減少打樁過程中拉應(yīng)力波的影響，在工程打樁試驗(yàn)階段，應(yīng)進(jìn)行一定量的打樁監(jiān)控分析，選擇適宜的錘重、落距、錘墊等，監(jiān)測錘擊系統(tǒng)作用下樁身的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力。打樁工程中也有必要進(jìn)行抽樣監(jiān)測樁身的拉應(yīng)力，防止拉應(yīng)力作用下樁身接頭脫節(jié)，樁身屈服或斷裂帶來的嚴(yán)重工程隱患。如圖1樁身接頭處脫開的應(yīng)力監(jiān)測曲線，有較大的拉應(yīng)力存在，圖2為正常的打樁監(jiān)測曲線。

2、打樁時(shí)軟土抗剪強(qiáng)度效應(yīng)影響及對策

打樁時(shí)自樁側(cè)面外1～2倍樁徑的區(qū)域內(nèi)的軟土受到部分重塑，由此引起的高孔隙水壓力可能到達(dá)或甚至局部超過了總覆蓋壓力。測試結(jié)果指出，含水量的減少會(huì)使樁周土密貼樁身，所以拔樁時(shí)樁身通常裹著一層薄的堅(jiān)硬粘土。這層再固結(jié)的粘土層，特別是對高靈敏度的原狀土，對樁傳遞荷載到樁周土，和對樁的沉降可能具有很大的影響。打樁時(shí)所引起的高孔隙水壓力和土的抗剪強(qiáng)度的減少是引起某些滑坡的直接或部分的原因。對含有薄砂層時(shí)的軟粘土特別有影響，抗剪強(qiáng)度已減少到50%。打樁后重塑粘土的抗剪強(qiáng)度增加非?？?。打樁時(shí)的另一跡象是打樁阻力的變化，即使在比較短的停歇時(shí)間。如更換樁帽上的樁墊或接樁就有明顯的變化。這時(shí)為了“激發(fā)”樁，一般要求先連打幾擊?？辜魪?qiáng)度在打樁時(shí)降低，后來隨著時(shí)間提高，在樁身外1～2倍樁徑的區(qū)域內(nèi)抗剪強(qiáng)度降低了，這個(gè)區(qū)域內(nèi)粘土不能恢復(fù)到初始的抗剪強(qiáng)度，群樁中抗剪強(qiáng)度的降低會(huì)在較遠(yuǎn)的距離發(fā)生。

考慮打樁的影響，而在穩(wěn)定性計(jì)算中將抗剪強(qiáng)度減少20%～30%，屬較可靠的方法。在計(jì)算中一般假定打樁后1～3個(gè)月其土的抗剪強(qiáng)度相當(dāng)于土的初始抗剪強(qiáng)度。對于靜壓預(yù)制樁，其抗剪強(qiáng)度的恢復(fù)非?？欤囼?yàn)表明打入樁后3～5天內(nèi)其承載力值達(dá)到或超過設(shè)計(jì)的承載力值。充分認(rèn)識(shí)打樁時(shí)的軟土抗剪強(qiáng)度效應(yīng)影響，能有效分析某些工程滑坡的原因、土坡的穩(wěn)定性，以及打樁后樁的承載力的恢復(fù)狀況。對打樁引起的徑向裂縫及超靈敏度的粘土溢出造成的施工困難，可預(yù)先進(jìn)行詳細(xì)的施工可行性設(shè)計(jì)，考慮超靈敏度的粘土溢出對樁的承載力的影響，防止過多溢出可進(jìn)行一定量的降水處理。

3 打樁引起的孔隙水壓力影響及對策

打樁引起的高孔隙水壓力一般隨著粘土的抗剪強(qiáng)度的增加而增加，隨著樁距的減小而增加，群樁的抗剪強(qiáng)度的增加一般大于單樁。打樁后的孔隙水壓力值是總覆蓋壓力的3～4倍。軟粘土的孔隙水壓力最大增量相當(dāng)于5～7，是粘土的不排水抗剪強(qiáng)度。該值與在理想彈塑性介質(zhì)中無限長圓柱形孔擴(kuò)張理論分析而推導(dǎo)出來的理論值是十分一致的。由于樁身表面處的孔隙水壓力可能很高，以致打樁時(shí)會(huì)發(fā)生水力劈裂和打樁周圍產(chǎn)生一組徑向的裂縫。這些徑向裂縫使超孔隙水壓力迅速消散。當(dāng)樁周孔隙水壓力相當(dāng)于土中的初始側(cè)向有效應(yīng)力時(shí)，徑向裂縫就會(huì)閉合。此后，孔隙水壓力的消散就會(huì)變慢。排水主要是離開樁朝徑向流動(dòng)。打樁引起的高孔隙水壓力會(huì)影響樁群四周范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，特別是在層狀的粘土中。

為了有效控制打樁引起的孔隙水壓力的影響，在樁身表面上附以排水板的方法，在打樁時(shí)可減少孔隙水壓力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明由于排水而減少了初始孔隙水壓力50%。也可通過預(yù)鉆孔的方法進(jìn)行減少打樁時(shí)的孔隙水壓力。

4 打樁引起的地面隆起及對策

打樁可能引起較大的地面隆起，特別在樁距很小和樁長很大時(shí)尤其如此。沿著樁的上部向上的力超過了樁的下部拔出的阻力時(shí)，地面隆起能將鄰樁抬起。由于打樁時(shí)孔隙水壓力的迅速消散和土的固結(jié)，以及部分飽和土內(nèi)的氣體壓縮等，隆起土的總體積常常明顯地少于樁的總體積。在深坑開挖中，當(dāng)樁的間距比較小的時(shí)候（少于4～5倍樁徑），通常坑面隆起大約是0.5m，特別是對底面隆起安全系數(shù)取得比較低時(shí)，深坑開挖的隆起是比較大的。

在軟土中樁的打入會(huì)增加土中的側(cè)向壓力，當(dāng)樁距小時(shí)，則側(cè)向壓力的增加就大。應(yīng)力增加所取決的因素有：粘土的壓縮性和粘土的抗剪強(qiáng)度。在高靈敏度粘土中打樁時(shí)，土經(jīng)重塑后的稠度變成類似重液的稠度。樁表面的側(cè)壓力就相當(dāng)于重液的側(cè)壓力。打樁引起的土體隆起，使周圍樁產(chǎn)生側(cè)向位移及上拔現(xiàn)象，對樁身質(zhì)量及承載能力的影響較大，樁身上拔使樁尖于樁端土產(chǎn)生間隙。

軟土地地基結(jié)構(gòu)特殊，進(jìn)行樁基施工的時(shí)候，應(yīng)充分考慮到地質(zhì)因素，進(jìn)行綜合分析之后，才能選擇適合的樁基類型進(jìn)行施工，這是建筑施工順利進(jìn)行和建筑質(zhì)量合格的保障。

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