靜壓法沉樁對(duì)周邊環(huán)境的影響及其控制措施

盛曄

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

靜壓法沉樁對(duì)周邊環(huán)境的影響及其控制措施

盛曄

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

在飽和軟土中采用靜壓法進(jìn)行沉樁施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的擠土效應(yīng)，從而對(duì)沉樁區(qū)域周邊環(huán)境造成不利影響。現(xiàn)分析沉樁擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響及其作用機(jī)理，并結(jié)合工程實(shí)例提出有效降低沉樁擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境影響的控制措施。

靜壓法沉樁；擠土效應(yīng)；環(huán)境影響；控制措施

1　靜壓法沉樁對(duì)周邊環(huán)境的影響及其作用機(jī)理

靜壓樁具有無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)泥漿、施工工效高、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛運(yùn)用于地基與基礎(chǔ)工程中。預(yù)制樁在靜壓力作用下貫入土層時(shí)，占用了土體原有的空間，使得樁周土體受到擠壓而向四周排開(kāi)。當(dāng)樁周土體為飽和軟土?xí)r，土體受到擠壓時(shí)體積不會(huì)收縮或收縮量很小，土體擠壓應(yīng)力主要通過(guò)土體位移來(lái)消減，會(huì)產(chǎn)生明顯的擠土效應(yīng)，如處理不當(dāng)，會(huì)引起沉樁區(qū)域周邊的環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)工程事故。以下從4個(gè)方面介紹沉樁擠土效應(yīng)的影響及其作用機(jī)理。

1.1樁周土體性狀

在靜壓沉樁過(guò)程中，樁周土層被壓密或擠開(kāi)，使土體產(chǎn)生水平位移或豎直隆起。此外，樁周土體因受到徑向擠壓和豎向剪切作用而產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)和重塑，土的原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生很大的變化，土的工程性質(zhì)也隨之改變，樁周土體的抗剪強(qiáng)度明顯降低。

圖1給出了沉樁過(guò)程中土體的主要位移圖示，并根據(jù)土體變化狀況進(jìn)行了分區(qū)：

A區(qū)：強(qiáng)烈重塑區(qū)。此區(qū)域緊靠樁身，在沉樁過(guò)程中土體擾動(dòng)最為劇烈，土體的原始結(jié)構(gòu)被完全破壞，在強(qiáng)大的擠壓作用下瞬間形成急劇上升的超靜孔隙水壓力。

B區(qū)：塑性區(qū)。此區(qū)域土體因受到輻射向壓力作用而產(chǎn)生較大的位移和塑性變形，并在與A區(qū)的交界處形成強(qiáng)度軟弱面。

C區(qū)：彈性區(qū)。此區(qū)域土體受沉樁影響不明顯，土體基本保持彈性變形，可觀測(cè)到的側(cè)壓力和超靜孔隙水壓力數(shù)值較小。

D區(qū)：非擾動(dòng)區(qū)。此區(qū)域不受沉樁的影響。

圖1　樁周土體的位移與分區(qū)示意圖

1.2樁周土體孔隙水壓力

樁體在靜壓力作用下貫入土層時(shí)，樁周土體受到劇烈擠壓，使得土體顆粒發(fā)生復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，土體顆粒間的孔隙水被擠壓而形成較大的超靜孔隙水壓力。當(dāng)土體中的超靜孔隙水壓力超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，土體中某一方向的有效應(yīng)力可能出現(xiàn)負(fù)值，對(duì)樁基承載力產(chǎn)生不利影響。

靜壓沉樁完成后，被擾動(dòng)的地基土體隨著超靜孔隙水壓力從高孔壓區(qū)向低孔壓區(qū)的消散而固結(jié)。一方面，樁周土體的再固結(jié)可能使樁體受到向下的負(fù)摩阻力作用而導(dǎo)致已沉入樁產(chǎn)生回沉；另一方面，地基土體再固結(jié)時(shí)的沉降量往往大于沉樁時(shí)的隆起量，使得沉樁后的地面產(chǎn)生沉降，并擴(kuò)大了地基土體沉降的影響范圍。

1.3既有建（構(gòu)）筑物

由靜壓沉樁引起的土體水平位移和豎向隆起，會(huì)對(duì)沉樁區(qū)域周邊一定范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物和地下管線等造成不同程度的影響，并有可能導(dǎo)致鄰近建筑物基礎(chǔ)上抬、地坪和墻面開(kāi)裂、周邊道路變形、邊坡失穩(wěn)、地下管線斷裂等工程事故。

1.4已沉入的鄰樁

同樣的，靜壓沉樁產(chǎn)生的土體水平位移和豎向隆起也會(huì)對(duì)己沉入的鄰樁造成不利影響。一方面，土體的水平位移會(huì)使己沉入鄰樁受到徑向壓力，造成其樁身移位、撓曲，甚至折斷。另一方面，土體的豎向隆起有可能使己沉入鄰樁發(fā)生上浮，造成樁尖脫空，產(chǎn)生“浮樁”現(xiàn)象，這將極大地降低端承樁的單樁承載力，嚴(yán)重的影響結(jié)構(gòu)安全。

2　工程概況

星火水廠6萬(wàn)m3/d深度處理及排泥水處理工程，工程內(nèi)容包括新建水廠深度處理和污泥處理構(gòu)筑物，改建水廠管道系統(tǒng)和配套的電氣、自控系統(tǒng)及水廠總平面。其中新建提升泵房、臭氧接觸池上疊臭氧發(fā)生器間為PHC400預(yù)應(yīng)力混凝土管樁復(fù)合地基，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20 m，采用靜壓法沉樁。各土層的一般特征見(jiàn)表1所列。

擬建建筑周邊主要為廠區(qū)已有建構(gòu)筑物及廠區(qū)道路管線等，如圖2所示。其中新建提升泵房、臭氧接觸池距離北側(cè)既有綜合車(chē)間約22 m，距離南側(cè)既有加氯間約13 m，距離西側(cè)2根DN 1000既有鑄鐵供水管距離約5 m，處于沉樁擠土效應(yīng)影響范圍內(nèi)。

3　靜壓法沉樁對(duì)周邊環(huán)境影響的控制措施

3.1防擠土槽

設(shè)置防擠土槽，可以減小地基淺層土體的水平位移和豎向隆起，并減小鄰近地下管線的差異變位影響。值得注意的是，防擠土槽雖可明顯減少槽底深度以上的擠土效應(yīng)，但對(duì)槽底以下的擠土位移場(chǎng)影響很小。故設(shè)置防擠土槽對(duì)周邊地下管線進(jìn)行保護(hù)時(shí)，其深度應(yīng)大于被保護(hù)對(duì)象的埋深。為有效地減小槽后地基淺層土體位移，以保護(hù)槽后地下管線，該工程在既有鑄鐵供水管東側(cè)3m處設(shè)置1.5 m寬，2～2.5 m深的防擠土槽。

圖2　擬建建筑與既有建筑構(gòu)筑物的平面位置示意圖

表1　各土層的一般特征一覽表

3.2應(yīng)力釋放孔和排水孔

設(shè)置應(yīng)力釋放孔和排水孔，一方面可以在一定程度上隔斷應(yīng)力和位移的傳遞路徑，形成新的排水通道，加快超靜孔隙水壓力的消散速度，有效地釋放沉樁引起的擠土壓力，明顯減小孔后一側(cè)的擠土位移量。另一方面可以通過(guò)適當(dāng)降低地下水位來(lái)減小沉樁引起的超靜孔隙水壓力并加快其消散，提高鄰近地基土體的抗剪強(qiáng)度，從而減小土體位移及其影響范圍。為減小沉樁擠土效應(yīng)的影響范圍和程度，該工程在既有鑄鐵供水管東側(cè)與既有加氯間北側(cè)分別設(shè)置應(yīng)力釋放孔和排水孔，孔深10 m，間距1.5 m，孔徑500 mm，孔內(nèi)安裝排水泵，在沉樁施工期間不間斷抽水。

3.3合理安排沉樁順序

按照先深后淺、先近后遠(yuǎn)的原則制定合理的沉樁順序。沉樁順序與超靜孔隙水壓力的形成及其水力梯度的大小和方向存在明顯的相關(guān)關(guān)系，且直接影響沉樁區(qū)域及其鄰近區(qū)域土體位移的分布規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)，因沉樁產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力和土體位移均沿沉樁推進(jìn)方向增加。根據(jù)該工程的實(shí)際情況，先施工距離既有建構(gòu)筑物最近的兩排樁即西面和南面的最外側(cè)一排樁，再由距離既有建構(gòu)筑物相對(duì)較近的西面向距離既有建構(gòu)筑物相對(duì)較遠(yuǎn)的東面施打，由此可在沉樁區(qū)域的最外側(cè)形成一道屏障，在一定程度上可以起到遮簾的作用，引導(dǎo)土體位移向遠(yuǎn)離既有建構(gòu)筑物一側(cè)發(fā)展，從而減小因沉樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響。

3.4嚴(yán)格控制沉樁速率

嚴(yán)格控制沉樁速率，即將在某一時(shí)段內(nèi)沉入的樁數(shù)限定在一定范圍內(nèi)。在某一時(shí)段內(nèi)沉入的樁數(shù)越多，超靜孔隙水壓力的積聚越快，土體的擾動(dòng)越嚴(yán)重。尤其是在軟粘土地基中，沉樁速率過(guò)快，會(huì)使超靜孔隙水壓力急劇升高，土的不排水抗剪強(qiáng)度快速下降，造成鄰近土體的剪切破壞，顯著地增加地基土體位移量，并擴(kuò)大超靜孔隙水壓力和土體位移的影響范圍。為減緩超靜孔隙水壓力的積聚速度并為其消散提供時(shí)間以減小和控制上述不利影響，在實(shí)施過(guò)程中將該工程沉樁速率限定在200 m/d之內(nèi)，同時(shí)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，當(dāng)管道累計(jì)位移超過(guò)10 mm時(shí)停止沉樁施工。

3.5施工監(jiān)測(cè)

為了及時(shí)了解鄰近建構(gòu)筑物和周邊地下管線在沉樁施工期間的變形狀況，準(zhǔn)確掌握沉樁擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響程度，從而更加科學(xué)合理地控制沉樁速率和沉樁順序，預(yù)防工程事故發(fā)生，應(yīng)在鄰近建構(gòu)筑物外墻設(shè)置豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在周邊地下管線的節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)角點(diǎn)和變形曲率較大處設(shè)置直接監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在沉樁施工期間對(duì)其進(jìn)行不間斷的施工監(jiān)測(cè)。

4　結(jié)　語(yǔ)

靜壓樁擠土效應(yīng)及其對(duì)周邊環(huán)境的影響越來(lái)越受到重視，該工程的實(shí)踐表明設(shè)置防擠土槽、應(yīng)力釋放孔和排水孔、合理安排沉樁順序、嚴(yán)格控制沉樁速率等措施可以有效地降低沉樁擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，從而保證既有建構(gòu)筑物和地下管線的安全。

TU473.1

B

1009-7716（2016）03-0124-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.036

2015-12-25

盛曄（1981-）,男，湖南益陽(yáng)人，工程師，從事工程項(xiàng)目管理工作。