何同繼

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司北京交通軌道建設(shè)工程有限公司, 北京 101100)

靜壓樁浮樁導(dǎo)致承載力下降的問題分析與控制措施

何同繼

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司北京交通軌道建設(shè)工程有限公司, 北京 101100)

靜壓樁在沉樁過程中產(chǎn)生的擠土效應(yīng)十分明顯，由擠土效應(yīng)所引發(fā)的土體水平位移及擠壓力會(huì)對(duì)周圍建(構(gòu))筑物及環(huán)境產(chǎn)生不利影響。壓樁過程中產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力使得施工區(qū)域內(nèi)樁體上浮、偏位、折斷時(shí)有發(fā)生。文章結(jié)合昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地，對(duì)地鐵靜壓樁浮樁導(dǎo)致的承載力下降問題進(jìn)行了深入的分析，在此基礎(chǔ)上，提出了預(yù)防樁體上浮的施工措施建議。

靜壓樁； 擠土效應(yīng)； 承載力； 上??； 控制措施

靜壓樁屬于擠土樁，施工過程中，在靜壓樁機(jī)的靜壓力下，將樁尖壓入至土層中，造成土體的剪破壞，地基土層中的孔隙水在管樁樁尖的擠壓作用下從而產(chǎn)生不均勻水頭，隨著超孔隙水壓力逐漸增加，則會(huì)破壞原狀土的初始應(yīng)力狀態(tài)。樁周圍的土體在擠壓作用下，一定范圍內(nèi)便形成塑性區(qū)，當(dāng)管樁周邊土體所受應(yīng)力超過其承受強(qiáng)度時(shí)，土體便會(huì)形成塑性流動(dòng)(黏性土)或擠密位移和下沉(砂性土)，土體發(fā)生距離形變進(jìn)而達(dá)到極限時(shí)，這種破壞和擾動(dòng)隨著樁體進(jìn)入土層深度的不斷增加并向下傳遞，從而很容易使樁身貫入[1]。

靜壓樁分析方法有其特殊性和復(fù)雜性，既包括幾何非線性和材料非線性，又包括接觸非線性，因此，在樁擠土應(yīng)力、擠土位移的解析及數(shù)值解方面都進(jìn)展的較為緩慢。目前，有代表性的理論研究方法有圓孔擴(kuò)張法(CEM)、應(yīng)變路徑法(SPM)、有限單元法(FEM)和滑移線理論[2-5]。

靜壓樁施工時(shí)，受擠土效應(yīng)影響，不可避免地會(huì)存在相應(yīng)浮樁現(xiàn)象。因此，如何解決軟土地基中浮樁現(xiàn)象所導(dǎo)致的承載力下降問題，一直是工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文結(jié)合昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地靜壓樁工程實(shí)踐，對(duì)軟土地基中靜壓樁浮樁導(dǎo)致承載力下降問題的原因進(jìn)行分析，并提出針對(duì)性控制措施，對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地位于昆明市西山區(qū)，為原省屬企業(yè)昆明水泥廠的舊廠址。段址東面以成昆鐵路為界；南面以石咀米軌車站為界；西面以春雨路為界；北面以320國(guó)道為界，石咀車輛段及綜合基地主要包括運(yùn)用庫(kù)、檢修庫(kù)、綜合樓等18棟單體建筑，總建筑面積為79 945.65 m2。同時(shí)包括廠區(qū)場(chǎng)地平整和新建構(gòu)(建)筑物、廠前區(qū)范圍內(nèi)的土建工程、線路、路基、廠區(qū)管道施工、道路施工、種植綠化、輔助設(shè)施的土建施工和設(shè)備采購(gòu)、安裝、調(diào)試等技術(shù)服務(wù)。預(yù)應(yīng)力管樁統(tǒng)計(jì)見表1，地基土物理力學(xué)性質(zhì)表2。

表1 石咀車輛段預(yù)應(yīng)力管樁統(tǒng)計(jì)

表2 地基土物理力學(xué)性質(zhì)

2 靜壓樁擠土機(jī)理

管樁周圍土體在施工過程中，受到徑向擠壓和豎向剪切作用，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)產(chǎn)生極大的變化，與此同時(shí)，距樁體一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)、密度以及含水量發(fā)生改變，因此使得土的物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生改變[6]。

土體的位移特征隨著土性的改變而改變，并且樁在壓入不同土層深度時(shí)，其位移模式也會(huì)有所不同。對(duì)于粘性土層，當(dāng)管樁壓入較淺土層時(shí)，由Terzaghi所提出的管樁周邊土體位移模式(圖1)可看出，管樁尖部以下土體的破壞性直接延伸到地層表面，從管樁側(cè)面呈楔形破壞并擠出；當(dāng)管樁壓入較深地層時(shí)，由Meyerhof所提出的管樁周邊土體破壞模式(圖2)可以看出，樁尖土體發(fā)生體集破壞，地表處的土體隆起幅度要比深層土體隆起幅度大；Zeevarert認(rèn)為出當(dāng)管樁尖部伸入到不可壓縮介質(zhì)地層時(shí)，土體可能會(huì)按照?qǐng)D3的模式進(jìn)行移動(dòng)，此類模式與球形孔的擴(kuò)張相似；當(dāng)樁尖施工至密實(shí)黏土中時(shí)，Massarch認(rèn)為近地面土體受粘聚力的作用影響，其運(yùn)動(dòng)主要來自垂直面上向下位移，進(jìn)而從管樁樁體兩側(cè)擠出，接近地層表面的土體則會(huì)向上隆起，隨著管樁插入深度逐漸增加，其位移模式也隨之產(chǎn)生變化，運(yùn)動(dòng)軌跡主要沿徑向發(fā)展，與柱狀孔的擴(kuò)張相似(圖4)。

圖1 Terzaghi位移模式

圖2 Meyerhof位移模式

圖3 Zeevarert位移模式

圖4 Massarch位移模式

3 浮樁導(dǎo)致承載力下降的原因分析

3.1 浮樁導(dǎo)致承載力下降的原因

靜壓樁承載力下降的的原因多種多樣，本文主要從以下兩方面分析浮樁導(dǎo)致承載力下降的原因。

(1)靜壓樁沉樁時(shí)產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)浮樁現(xiàn)象，使樁尖與持力層之間產(chǎn)生空隙，從而導(dǎo)致樁體承載力下降。

(2)受地下水位高影響，土層中含水率較高，管樁在施工過程中，土體被擠壓變得更加密實(shí)，孔隙中的水不能快速消散消散，管樁的下部產(chǎn)生了一個(gè)類似密閉容器狀水土混合體，只有經(jīng)過一段時(shí)間后，孔隙中的積水才能慢慢消散，而此時(shí)樁尖仍未深入到持力持力層，因此豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)很有可能無法滿足相關(guān)要求。

3.2 孔隙水壓力分析

為了測(cè)定孔隙壓力， 施工前于運(yùn)用庫(kù)西側(cè)埋設(shè)測(cè)斜管，并用西沙回填測(cè)斜管與預(yù)鉆孔之間空隙，在距離地表下3 m、8 m、12 m處分別設(shè)置孔隙水壓力計(jì)，施工前將每個(gè)壓力機(jī)數(shù)值調(diào)整歸0，壓樁過程中對(duì)孔壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)管樁施工完成后，每隔4 d測(cè)量一次，直至孔隙壓力消散為止。監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 孔隙水壓力增量與沉樁距離曲線(埋深6 m時(shí))

圖6 孔隙水壓力增量與沉樁距離曲線(埋深8 m時(shí))

圖7 孔隙水壓力增量與沉樁距離曲線(埋深12 m時(shí))

研究發(fā)現(xiàn)，管樁施工到不同深度時(shí)，所產(chǎn)生的超孔隙水壓力也是不同的，當(dāng)管樁施工深度越大時(shí)，那么超孔隙水壓力則越大，當(dāng)管樁樁體施工至未擾動(dòng)土層時(shí)，該層土體受到擠壓而產(chǎn)生變形，進(jìn)而使得超孔隙水壓力的逐漸增加，由于場(chǎng)地靠近滇池，運(yùn)用庫(kù)地下淤泥質(zhì)黏土天然含水率高，透水性差，因此在施工過程中會(huì)產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，當(dāng)沉樁達(dá)到地下10 m時(shí)，管樁則進(jìn)入圓礫層及粉土層，相對(duì)于淤泥質(zhì)黏土來說，圓礫層及粉土層滲透性較好，有利于孔隙壓力的消散。與此同時(shí)，隨著管樁壓入深度的逐漸增加， 當(dāng)超孔隙水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力超過土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，土體隨之很產(chǎn)生開裂，從而產(chǎn)生滲流通道，超孔隙水壓力因此可以迅速消散，土體裂縫會(huì)慢慢閉合，孔壓也隨之消散，從而進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

由此可見，管樁承載力下降的主要原因是由于樁身上浮所引起，但是不能排除樁底持力層遇水發(fā)生疏松和涌樁等原因。

4 施工控制措施與效果

4.1 施工控制措施

鑒于以上原因分析，昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地靜壓樁沉樁過程中采取了以下施工控制措施。

(1)合理選擇施工方法及順序。以本工程運(yùn)用庫(kù)承臺(tái)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工為例，由于庫(kù)內(nèi)群樁施工較密集，且?guī)靸?nèi)多為三樁、四樁承臺(tái)，距離兩側(cè)股道管樁樁位較近，為減少樁體上浮影響，施工過程中應(yīng)從中心承臺(tái)開始，按照梅花形進(jìn)行跳打，相鄰承臺(tái)管樁施工時(shí)，至少間隔8 d以上，以最大程度地減少相互影響，確保樁體周圍土壤顆粒應(yīng)力消散。承臺(tái)施工時(shí)，考慮樁周土體受到徑向擠壓和豎向剪切作用，樁頂標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)繼續(xù)向下增加2 cm，且適當(dāng)增加壓樁終壓力。

(2)以本工程運(yùn)用庫(kù)為例，在每股道床基礎(chǔ)之間沿著軌道方向沒間隔15 m設(shè)置應(yīng)力釋放孔，使超孔隙壓力水和土體變形盡快得到充分消散。

(3)管樁施工時(shí)，要做相關(guān)的測(cè)量工作，尤其是對(duì)管樁頂標(biāo)高的測(cè)量。施工完成后及時(shí)對(duì)已完管樁樁頂標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)浮樁現(xiàn)象時(shí)，馬上采取相應(yīng)措施。

4.2 控制效果

4.2.1 樁身完整性檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

昆明地鐵3號(hào)線工程石咀車輛段與綜合地基主要采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁徑500 mm，樁長(zhǎng)大于15 m。本工程樁身完整性檢測(cè)主要采用低應(yīng)變法，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及樁基檢測(cè)規(guī)范要求，低應(yīng)變檢測(cè)樁共659根, 通過實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，判定樁身完整性(圖8)。其中Ⅰ類樁653根，占99.1%,Ⅱ類樁6根，占檢測(cè)樁的0.9%。檢測(cè)結(jié)果匯總見表3。

表3 低應(yīng)變反射波法檢測(cè)結(jié)果

圖8 E424號(hào)樁低應(yīng)變樁身完整性檢測(cè)圖

4.2.2 單樁極限承載力的確定

本工程樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，30根預(yù)應(yīng)力管樁的單樁承載力特征值均為640 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。管樁在堆載1 280 kN時(shí)，Q～s曲線未出現(xiàn)明顯陡降，且累計(jì)沉降量均小于40 mm，按規(guī)范規(guī)定，取最大加載值為單樁豎向抗壓極限承載力，30根預(yù)應(yīng)力管樁單樁豎向抗壓極限承載力的50 %為單樁豎向抗壓承載力特征值，均滿足設(shè)計(jì)要求單樁承載力要求(圖9)。

圖9 E424號(hào)樁單樁靜載試驗(yàn)綜合圖

低應(yīng)變法、單豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，昆明地鐵3號(hào)線工程石咀車輛段與綜合地基運(yùn)用庫(kù)工程樁的施工質(zhì)量合格。

5 結(jié)論

(1)石咀車輛段及綜合基地樁承載力下降的主要原因是由于樁身上浮所引起，但不排除樁底持力層遇水發(fā)生疏松和涌樁等原因。

(2)沉樁過程中，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況設(shè)置應(yīng)力釋放孔，并合理選擇施工方法及施工順序，應(yīng)盡量從中間向四周擴(kuò)散進(jìn)行打樁，對(duì)于相鄰間距較小的管樁，建議采取跳打的方式進(jìn)施工。

[1] 樁基工程手冊(cè)編委會(huì). 樁基工程手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1995: 491-495.

[2] 陳文, 施建勇, 龔友平, 等. 飽和粘土中靜壓樁沉樁機(jī)理及擠土效應(yīng)研究綜述[J]. 水利水電科技進(jìn)展, 1999, 6(3): 38-44.

[3] 沈鳳友，姜鋒. 靜壓樁擠土效應(yīng)研究綜述[J]. 江蘇建筑, 2006(3): 52-55.

[4] Mayerhof G. The ultimate bearing capacity of wedge shaped foundations. In :Caquo Aed .Proc 5th ICSMFE. Paris:Dunod Press, 1961: 105-109.

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[6] 羅戰(zhàn)友. 靜壓樁擠土效應(yīng)及施工措施研究[D]. 浙江大學(xué), 2004.

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[定稿日期]2016-12-15