從工程案例談管樁擠土問題的危害及防治措施

從工程案例談管樁擠土問題的危害及防治措施建筑工程廣泛使用的預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，通常都是采用錘擊法或者是靜壓法進行沉樁的，按照成樁方法對土層的影響進行分類，它屬于擠土樁型，由于其在成樁過程對樁周圍土體有擠開或壓密的作用，土體受到嚴(yán)重擾動后其原始結(jié)構(gòu)會遭到破壞，這個破壞過程必然使施工場地的周圍壞境和樁體的受力性狀產(chǎn)生變化，當(dāng)這種變化超出一定限值的時候，就會產(chǎn)生危害，這就是我們通常所說的“擠土問題”的危害，那么擠土問題有什么危害呢？預(yù)應(yīng)力管樁在工程實踐中又如何消除這些危害呢？筆者通過大量的工程實踐，從幾個典型的工程案例中試圖分析其擠土問題的危害，并介紹防治危害的一些處理措施，供同行同鑒。一、 擠土效應(yīng)中土體的變化形式錘擊或壓入式預(yù)應(yīng)力管樁在成樁過程中，由于擠土作用，樁周土?xí)l(fā)生擾動重塑，側(cè)向壓應(yīng)力增大，其中徑向的壓力是最大的。1、 對于非飽和土、砂土，土受側(cè)向擠壓主要表現(xiàn)為土的孔隙減少而增密，土越松散、粘性越低，其增密的幅度就越大，土的密度增大，對樁體也會產(chǎn)生擠壓作用，對于群樁，樁周土的擠密效應(yīng)就更為顯著。另外，隨著土密度的增大，樁側(cè)土阻力也隨之增加。2、 對于飽和粘性土，由于瞬間的排水固結(jié)效應(yīng)不顯著，壓縮變形小，引起的超孔隙水壓力，使得土體受側(cè)向壓力下并不是增密，而主要是以橫向位移變形和豎向隆起為主。橫向位移隨離開樁距離的增大而減少，在地面下一定深度處最大，影響范圍達到（4?5）D；豎向隆起在距樁軸線（1?2）D處最大，影響范圍可達（3?5）D。二、 擠土效應(yīng)危害的表現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管樁施工過程或樁施工完成后，由于擠土效應(yīng)，土體對周邊建筑物或設(shè)施（如房屋、道路、管線）、邊坡等進行擠壓而造成變形、損壞和失穩(wěn)，這是擠土效應(yīng)最常見的一種現(xiàn)象。管樁對周圍環(huán)境及設(shè)施的影響主要是由土體的水平及垂直的位移造成的，其影響范圍、影響程度，除了與場地土層的性質(zhì)、樁的分布、樁間距離、樁的密度、沉樁的速率及施工程序等因素有關(guān)外，還與周邊建筑和設(shè)施的結(jié)構(gòu)、使用年限、使用材料等因素密切相關(guān)。由于擠土效應(yīng)，后施工的樁對先施工的樁造成影響，或至使樁偏位、上浮等現(xiàn)象，這也是擠土效應(yīng)常見的一種現(xiàn)象，它也是由土體的水平及垂直的位移造成的。除了上述兩種比較常見的危害現(xiàn)象外，筆者認(rèn)為還有一種不為人們所熟悉危害現(xiàn)象，就是后施工的樁和先施工的樁相互作用、相互擠壓，造成樁身的損傷，這種損傷輕則在樁體薄弱部位（如法蘭下）造成變形、開裂、崩塊現(xiàn)象，重則造成斷樁現(xiàn)象，這種現(xiàn)象見于非飽和土或砂性土地層的密集型樁群，它是由于土受側(cè)向擠壓增密作用而造成的。三、 工程案例（一）順德北滘某工程1、工程概況：占地面積約3600m?，樓高20層，設(shè)2層地下室，框剪結(jié)構(gòu)，采用錘擊?600mm壁厚130mmAB型管樁，裙樓位置多采用3?5樁多樁承臺，主樓位置荷載較大，采用樁筏基礎(chǔ)（見圖1），單樁豎向承載力特征值2500KN。2、工程地質(zhì)條件：根據(jù)勘察報告，場地自上而下土層分布情況如下:砂性素填土，為中砂，松散，層厚1.3?2.5米；沖積土，分為3個亞層；-1層，細(xì)砂、砂質(zhì)純，含粘粒少，稍密，上部局部松散，下部局部中密，層厚11.0?19.5米；②-2層，淤泥質(zhì)土，流塑，層厚1.3?6.3米；-3層，粉質(zhì)粘土，可塑，局部軟塑，層厚0.8?5.7米；殘積土，粉質(zhì)粘土，可塑，局部軟塑或硬塑，層厚2.5?6.5米；風(fēng)化巖層，為泥質(zhì)粉砂巖，頂板埋深26.3?31.1米，自上而下可分為全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化三個亞層，其中強風(fēng)化為本工程樁基持力層。具體可見工程地質(zhì)剖面圖(見圖2)3、 施工：本工程最后選定62錘，在挖土至-5米深度的基坑內(nèi)進行樁基施工，施工過程嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，包括垂直度、焊口飽滿情況、焊口冷卻時間、打樁順序從中心開始、最后收錘貫入度2?3公分等等均按照規(guī)范要求嚴(yán)格制定好施工方案實施施工，并監(jiān)控到位。4、 結(jié)果：本工程總樁數(shù)563根，樁基施工完成后，按規(guī)范選取29根樁進行大應(yīng)變檢測，結(jié)果29根樁中I類樁僅得16根；口類樁3根，均為樁身有輕微缺陷；皿類樁5根，樁身存在明顯缺陷，其中4根不能提供承載力；IV類樁5根，樁身有嚴(yán)重缺陷。經(jīng)統(tǒng)計，不合格樁為10根，不合格比例達34.5%，樁身存在缺陷的達44.9%。5、 分析：經(jīng)過比對資料發(fā)現(xiàn)，問題樁均存在如下規(guī)律：經(jīng)過樁身孔內(nèi)視頻檢查，全部是樁身受到損傷，輕微的可見裂紋，嚴(yán)重的見樁身局部破碎崩塊露筋、法蘭盤變形彎曲脫焊，部分有地下水滴入甚至涌砂。損傷的深度位置，基本上在12?15米，個別在5?6米的深度，基本都在接樁法蘭盤位置或上下1米的范圍，損傷的位置都在②-1細(xì)砂層內(nèi)，并且以中下部位置為主。在空間分布位置上，問題樁基本上都分布在密集的樁筏大承臺中，個別見于多樁承臺的也是靠近密集的樁筏大承臺邊緣的位置。問題樁基本都分布于細(xì)砂層厚度較大的西南角，而細(xì)砂層厚度小的東北角幾乎沒有。根據(jù)以上的分析，筆者有理由認(rèn)為樁的損傷與稍密?中密的高純度②-1細(xì)砂層的分布有極大的關(guān)系，它的損傷應(yīng)該主要是由樁錘擊施工過程細(xì)砂的擠密擠壓加上錘擊的震動作用疊加造成的，在這個作用過程，樁身必然會在最薄弱的部位產(chǎn)生破壞，而樁身無論是生產(chǎn)工藝上還是在施工上，接口附近是最薄弱的，當(dāng)然，本工程樁徑選擇過大、樁距選擇偏小(僅3.5d)、錘重選用太輕也有關(guān)系，但是，這些選擇的不當(dāng)恰好更造成了擠土擠密效應(yīng)的疊加。6、 經(jīng)驗教訓(xùn)及應(yīng)對措施設(shè)計時，認(rèn)真分析地質(zhì)勘察報告，碰到這種地層，在單樁承載力差別不是太明顯，樁數(shù)能夠擺放得下的情況下，盡量選擇排土量少的樁型。對于本工程，應(yīng)該首選?500mm厚壁AB樁，如果選擇①500mm樁，其單樁承載力特征值可取2000KN，那么，跟?600mm樁相比，其承載力僅僅是減少了20%，但其排土體積卻是減少了30.5%。設(shè)計時，在空間位置許可的情況下，可適當(dāng)加大樁間距，減少擠土影響半徑的重疊區(qū)域。（3） 施工時，可在承臺內(nèi)樁間適當(dāng)布置預(yù)鉆一些小鉆孔（孔徑?89?110mm），使擠密作用時土層內(nèi)的應(yīng)力得以釋放。（4） 必要時還可以在樁位密集部位采用植樁法施工。（5） 施工時，選擇合適的錘重施工，宜用重錘低擊法施工，對貫入度要求也應(yīng)適當(dāng)放寬，以免過度錘擊把樁打傷。（二）順德龍江某工程1、 工程概況：該工程為一商住小區(qū)，場地呈三角形（見圖3），占地面積約16000m?，建17幢9?13層住宅，沿場地邊緣閉合式分布，建設(shè)場地東、南、北面均為較寬的道路，西面長度約為200米，預(yù)留6米通道后即為2?4層舊民房，工程采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑?500mm900多根、?400mm500多根，單樁承載力特征值分別為1500KN和1000KN，都為多樁承臺，并以4?6樁臺居多，電梯井處為12樁臺，總樁數(shù)較多，分布較密。圖3順德某項目場地建筑及應(yīng)力釋放井分布圖2、 工程地質(zhì)條件：根據(jù)勘察報告，場地自上而下土層分布如下：素填土層，為粘性土，松散，層厚1?4.5米；沖積土層，分為4個亞層②-1淤泥質(zhì)土層，流塑，飽和，層厚4.1?11.3米，僅局部分布；②-2細(xì)砂層，松散，飽和，層厚1.8?14.4米，僅局部分布；②-3淤泥質(zhì)土層，流塑，飽和，層厚15?40.6米，全場地分布；-4礫砂層，中密，層厚0.8?5.5米，為底礫層，僅局部分布；殘積土層，本場地缺失；風(fēng)化巖層，為泥質(zhì)粉砂巖，頂板埋深33.6?43米，本層為本工程樁基的樁端持力層，可劃分為強風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖兩個亞層。3、 施工：從上面的土層分布可以看出，場地素填土層下，除了局部有細(xì)砂層分布外直到三十多米深的巖面以上，分布的基本上就是飽和流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)土層，而場地主要的建筑物都靠近西面的民居分布，且樁數(shù)較多，樁的分布較密，施工時必須要考慮擠土效應(yīng)對民房的影響。因此，針對場地條件可能會有擠土效應(yīng)的問題，施工前我們就制定出一套比較全面和周密的施工方案，方案的內(nèi)容包括：打樁的走向、速率、挖防擠溝、做應(yīng)力釋放的排水井等措施，不過，由于時間、費用等各方面的原因，業(yè)主和總包方只接受了我們部分的意見，把最主要的一些措施放棄實施。4、 結(jié)果：正式壓樁幾天后，我們就收到緊挨著場地的民房居民的投訴，說他們的房子出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，對此，發(fā)展商馬上組織總包、勘察、監(jiān)理等有關(guān)單位人員進行現(xiàn)場查看并商討措施，決定在靠近民房一側(cè)挖一條深1米的防擠溝后再施工（還是沒有同意我們施工方案提出的做應(yīng)力釋放的排水井的措施）；防擠溝挖好后繼續(xù)施工，幾天后，我們又收到了二排民房居民房子開裂的投訴，這一次，發(fā)展商重視了，馬上又組織再次查看商討，同意了我們原來提出的全部措施，并要求馬上實施，結(jié)果，這些措施實施后，再也沒收到民房居民的投訴，順利地全部完成了壓樁工程，并檢驗合格。5、 分析：這是一個典型的擠土樁擠土效應(yīng)對周邊環(huán)境影響的案例，這是因為場地有一層厚達幾十米而滲透系數(shù)很小的飽和軟黏土分布，大量的擠土樁在短期內(nèi)壓入土層中，由于超孔隙水壓力的作用，使得土層并不能擠密，而只能是產(chǎn)生側(cè)向位移作用，當(dāng)這些位移疊加起來就會對周圍民房產(chǎn)生影響，而這些民房都是八九十年代的舊房，大部分采用天然地基基礎(chǔ)，最多也就是短樁(8?13米)基礎(chǔ)，因此，土體的位移必然使這些民房產(chǎn)生變形甚至開裂，至于挖一條深1米的防擠溝后一排民房不開裂而是二排民房開裂的問題，說明擠土作用對周圍地面的影響不是淺表三五米的，而且跟樁長有很大的關(guān)系。圖4應(yīng)力釋放井(降水井)大樣圖6、 應(yīng)對措施：場地地表必須做好硬化處理，以能夠滿足壓樁機行走而不陷機為最低要求。制定合理的壓樁行走路線，就本工程而言，應(yīng)該先壓靠近民房一排的樁，然后背對民房往場地內(nèi)行走。挖置防擠溝，深1米左右，不影響壓樁的情況下盡可能深一些更好，溝內(nèi)回填松散細(xì)砂。溝外靠近民房一側(cè)，布設(shè)一排孔徑①400mm深15?20米的應(yīng)力釋放井，釋放井的間距取5米左右，井壁回填透水的級配砂石，具體做法見圖4示，。釋放井的作用主要是通過擠出淤泥質(zhì)土中的水來幫助超孔隙水壓力的消散，釋放擠土的應(yīng)力，減少土體的變形和位移?？拷穹康??3條軸線減慢打樁速度，每天不超過10根樁，并且實行跳打，從而減少超孔隙水壓力的積累水平。中山某工程1、 工程概況：該工程為一商住小區(qū)，占地面積約60000m?，由幾十棟多層商住樓組成，設(shè)計采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑①400mm為主，部分為①300mm。在整個小區(qū)樁基施工過程中，出現(xiàn)了兩處工程質(zhì)量事故：事故一：在靠近場地邊緣的其中一棟樓樁基施工后檢查，發(fā)現(xiàn)有幾條軸線的樁位整體位移，最邊一排樁位移最大，個別達400mm；事故二：在另外一棟樓位置承臺開挖后，發(fā)現(xiàn)靠近臨時施工道路旁的一條軸線上的樁樁頂位移較大，有整體背向臨時道路一側(cè)傾斜的傾向。那么，以上的質(zhì)量事故是怎么造成的呢？2、 工程地質(zhì)條件：典型的地質(zhì)剖面見圖5從剖面圖我們可以看出，場地表1.8米厚素填土，回填時間較短，松散，素填土下即為淤泥，淤泥的厚度厚達18米，淤泥下有一層粉砂或中砂，厚度2?3米，稍?中密，往下即為風(fēng)化巖層，風(fēng)化巖層為本工程樁的樁端持力層。3、 事故一分析：場地原為農(nóng)田，表面的素填土層回填的時間不長，欠壓密、欠固結(jié)，而素填土層下即為極軟的淤泥層，淤泥的含水率極高，達60?84.5%，具流塑甚至流動狀態(tài)。在壓樁過程，由于安排的壓樁行走路線是由內(nèi)向外方向一條一條軸線行走，由于淤泥層的透水性很弱，在超孔隙水的作用下，土層并不能擠密，而只能是產(chǎn)生側(cè)向位移作用，同時，由于填土層也欠固結(jié)欠壓密，在樁機向外行走過程，土體也會產(chǎn)生向外的側(cè)向位移，這樣就使放好的樁位也一并外移，因此，在土體位移疊加的情況下，越外圍的樁位位移量就越大。這種情況下，只要我們合理地安排好壓樁的行走路線，并且要在壓每一排樁前復(fù)核修正準(zhǔn)確樁的具體位置，就可消除擠土樁位位移的影響，當(dāng)然，在壓樁過程還要注意樁機行走對已壓好樁的影響。4、事故二分析：從地質(zhì)剖面圖可以看出，無論是靜壓還是錘擊沉樁，樁端持力層都為風(fēng)化巖層，而且樁進入持力層的深度都不大，也就是說，樁身大部分是處在極軟的淤泥層內(nèi)，由于淤泥層對樁身的裹握力很小，而樁端進入裹握力大的土層深度也不大，樁頂附近只要受到很小的橫向推力，就會使樁身傾斜、樁頂產(chǎn)生位移。經(jīng)過調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)：樁頂產(chǎn)生位移的這排樁，位置靠近施工臨時道路旁，在這排樁壓完后，還有大量的重型運輸車輛行走（主要為運樁車輛），因此，我們認(rèn)為，重型車輛行走在素填土層和巨厚的極軟淤泥層時，淤泥受擠壓過程產(chǎn)生了側(cè)向的擠壓力，對已經(jīng)施工完的樁在樁頂產(chǎn)生了一個橫向的推力，把樁擠傾斜了。為了驗證這個推論，我們用反壓的方法在樁傾斜的一側(cè)堆土，在另一側(cè)慢慢挖土，把樁頂傾斜的樁慢慢矯正過來了。這個質(zhì)量事故告訴我們，在深厚的軟土地層條件下施工時，除了注意施工時的擠土問題外，還要注意施工后甚至樁承臺開挖過程的擠土問題，一不留神，就有可能造成不可挽回的損失。圖5中山某項目工程地質(zhì)剖面圖（四）順德某工程1、 工程概況：工程為一商住小區(qū)，占地約50000m?，由多棟塔樓和裙樓組成，塔樓高25層，采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，塔樓用①500mm厚壁AB樁，裙樓用①400mm樁，場地一側(cè)靠近民居，最小距離約30米。2、 工程地質(zhì)條件：典型地質(zhì)剖面見圖，從剖面圖可以看出，場地表面為素填土，素填土下為淤泥質(zhì)土，地面下13米開始即為稍?中密的中砂層，37米以下達到中密?密實，44米以下為風(fēng)化巖，中砂層厚度有近30米，①500mm樁樁端持力層取中密?密實的中砂層，單樁承載力特征值取2000KN。圖6順德某項目工程地質(zhì)剖面圖3、 施工：采用十字型規(guī)范樁尖，樁尖直徑468mm，壓樁時進入中砂層后壓樁力達3000?3500KN，壓力維持較高，并且出現(xiàn)像沖擊鉆一樣的高頻率震動，在靠近民房一側(cè)施工時這種震動引起了了周邊民房居民的注意，紛紛走出來阻止施工，工程被迫中斷。4、 分析：工程中斷后，監(jiān)理組織設(shè)計、施工等單位進行研究，大家一致認(rèn)為這種震動是由于中砂層的密度較大造成的，壓樁過程中，砂土層不像粘性土那樣在樁身周圍能夠形成短暫的"水膜”滑移面并降低沉樁阻力，它既要克服樁端阻力，又要克服砂層對樁身裹握的摩擦力，那這樣沉樁的阻力必然會較大，只