淤泥質(zhì)土層下的預(yù)應(yīng)力管樁偏位控制方法

肖勇豐

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

舟山市某市政項目位于浙江省舟山市舟山本島東北角，占地約19.5 hm2，為一個新建15 萬t 污水處理廠，構(gòu)筑物單體均為鋼筋混凝土池體結(jié)構(gòu)，建筑物單體均為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用“樁+ 承臺+ 基礎(chǔ)梁”或“樁+ 筏板”的結(jié)構(gòu)形式。樁基設(shè)計采用PHC-500-A-100 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁長28～50 m不等，樁頂標高為-6.55～3.00 m 不等。除圓形二沉池采用環(huán)形布置外，其余單體均采用縱橫布置，單樁間距2.00 m～3.50 m 不等，均為樁端承重，整個項目共計約8 160 根，總樁長約38 萬m。其中最大單體生物反應(yīng)池占地面積約36 000 m2，總根數(shù)4 908 根。該工程PHC 管樁施工采用8 臺錘擊樁機、2 臺靜壓樁機及1 臺履帶式潛孔鉆機引孔進行施工。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級，樁基設(shè)計等級為丙級。

該工程建成后場地絕對標高為3.5 m。場地平整后樁基施工過程中整體標高為2.5～3.3 m。根據(jù)地質(zhì)勘察報告（見表1），勘察范圍內(nèi)巖土層分6 個工程地質(zhì)層，14 個工程地質(zhì)亞夾層。其中素填土雜色，松散，主要由碎塊石、碎石組成。砂礫及黏性土等近期混雜堆填而成，硬質(zhì)碎塊含量較高，粒徑大于100 mm的顆粒含量超過50%，最大直徑約1.5 m 塊石，土質(zhì)極不均勻。

表1 地質(zhì)勘察報告一覽表

該場地勘察深度內(nèi)地基土分布不均勻，且上部為淤泥質(zhì)土。該層為典型的飽和軟黏土，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低的特點，稍受外力作用就會發(fā)生擾動、變形，且強度顯著下降。同時，其還有低滲透性、觸變性和流變性等特點。②層土為淤泥質(zhì)土層,頂標高為3.21～-15.08 m，層厚為7.4～37.0 m。

2 管樁施工及土方施工

2.1 管樁施工

（1）由于該項目總體樁基工程量較大，采用分單體分階段沉樁施工的方案。該項目所在范圍北、南、東三面環(huán)海，原為圍海用地，管樁施工前已經(jīng)完成塘渣回填工作。根據(jù)地勘報告，素填土局部含有碎塊石、碎石，粒徑大于100 mm 的顆粒含量超過50%，最大直徑約1.5 m 塊石，故現(xiàn)階段的場地可滿足樁機行走需求。綜上所述，確定該項目的管樁施工為先沉樁，后基坑開挖的方式，避免了基坑內(nèi)管樁施工振動對邊坡的影響，以及基坑內(nèi)淤泥質(zhì)土層造成管樁無法施工的不利影響。

（2）預(yù)應(yīng)力管樁是擠土型樁，大面積群樁施工會產(chǎn)生“浮樁”和“側(cè)向偏位”現(xiàn)象。在施工時，要選用適當?shù)某蓸斗绞剑侠戆才糯驑俄樞?。打樁時應(yīng)控制沉樁速率并加強觀測。該項目選擇從中間向四周打樁，并采用局部間隔成樁的方案，避免了管樁整體產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，又避開了緊鄰管樁施工相互擠壓造成的位移現(xiàn)象，保證管樁成樁質(zhì)量。淤泥質(zhì)土層采用慢速沉樁，選擇合適的錘重，若速度過快，則產(chǎn)生的擠土效應(yīng)也越大，對周圍鄰樁的影響也越大，容易產(chǎn)生樁體上浮和土體上涌現(xiàn)象。

2.2 土方開挖

針對該項目特點，確定的開挖整體方案為分層分段、由淺到深、對稱平衡開挖的整體方案。水解酸化池及生物反應(yīng)池單體開挖深度較淺，塘渣回填區(qū)域采用挖機一次性開挖到位，及時澆筑墊層的施工方案，詳見圖1、圖2 所示。

圖1 塘渣回填區(qū)域整體開挖效果之實景

圖2 塘渣嵌固樁基效果之實景

而在淤泥質(zhì)土層區(qū)域，采用長臂挖機進行分層開挖、樁基周圍對稱開挖的施工方案，并嚴格控制基坑邊堆載，但仍存在開挖完成后，約2 h 后，出現(xiàn)管樁偏位現(xiàn)象，詳見圖3、圖4 所示。

圖3 淤泥質(zhì)土區(qū)域開挖樁基偏位之實景一

圖4 淤泥質(zhì)土區(qū)域開挖樁基偏位之實景二

3 管樁偏位原因分析

3.1 直接原因

從該項目施工的過程來看，管樁在制作、運輸、堆放過程中均未發(fā)現(xiàn)管樁開裂和損傷情況。在沉樁施工過程中也未發(fā)生傾斜、遇到地下障礙等情況。場區(qū)內(nèi)塘渣回填區(qū)域樁基施工過程中也采取局部翻渣剔除大石塊或采用ZJL-90 型履帶式潛孔鉆機進行引孔作業(yè)，單樁引孔深度約10 m，然后再施工預(yù)制樁，也較好地保證了預(yù)制樁的施工質(zhì)量。

樁基沉樁結(jié)束后經(jīng)過約兩個月的靜止期后，才進行淤泥質(zhì)土區(qū)域內(nèi)土方開挖。樁基施工和土方開挖間隔較長，土中孔隙水壓力得到了較好的釋放。

但淤泥質(zhì)土層區(qū)域一經(jīng)開挖，尤其是局部落深區(qū)域（落深僅1 m），管樁在極短時間內(nèi)向基坑內(nèi)一側(cè)有規(guī)律地持續(xù)性傾斜，淤泥質(zhì)土向基坑內(nèi)出現(xiàn)較大幅度流動，邊坡出現(xiàn)明顯的土質(zhì)斷層現(xiàn)象。詳見圖5、圖6 所示。由此可見，造成管樁傾斜的直接原因是開挖后淤泥質(zhì)土的位移帶動管樁偏位。

圖5 淤泥質(zhì)土整體成流塑狀之實景

3.2 內(nèi)在原因

預(yù)應(yīng)力管樁由于自身特點，其抗彎能力較差，且由于管樁為C80 高強混凝土，易發(fā)生脆性開裂。該項目場地局部土層為淤泥質(zhì)土屬于典型的飽和軟黏土，具有高壓縮性，高含水率、抗剪強度低、承載力低等特點，稍有外力作用就會發(fā)生擾動、變形且強度顯著降低。同時，還具有低滲透性、觸變性和流變性等特點。其含水率達到45%，粘聚力僅6.8 kPa，內(nèi)摩擦角僅4.6°。

基坑剛開挖到坑底時，樁位基本正確，未發(fā)生明顯偏位，而隨著局部落深區(qū)域（落深約1 m）的施工，樁位偏位明顯增加，說明淤泥質(zhì)土層十分軟弱，流動性很大，高差較小的土坡擠壓力都可以使預(yù)應(yīng)力管樁受到明顯的影響。

淤泥質(zhì)土的特性，以及預(yù)應(yīng)力管樁的抗彎性能較差的雙重誘因共同導(dǎo)致了淤泥質(zhì)土層中預(yù)應(yīng)力管樁的偏位問題出現(xiàn)。

4 預(yù)防管樁偏位控制方法

針對該項目前期局部土方開挖過程中在淤泥質(zhì)土層中出現(xiàn)的部分管樁偏位事項，及時暫停該部分區(qū)域土方的開挖，避免大面積的管樁偏位，帶來不可避免的工程質(zhì)量事故。由于該項目為設(shè)計、采購、施工工程總承包項目，需要在保證工程質(zhì)量、進度、安全的前提下以較低的成本確保管樁工程質(zhì)量。針對不同的區(qū)域及開挖深度并結(jié)合土層分布情況可采取以下幾種控制方法[1-6]。

4.1 工字鋼拉結(jié)管樁二次開挖方法

針對該項目水解酸化池及生物反應(yīng)池區(qū)域整體開挖深度約1 m 的情況，局部區(qū)域落深1 m 的情況采取以下開挖方式：

（1）先整體開挖至淺坑基底標高，將所涉及區(qū)域的樁頂露出。

（2）局部落深1 m 范圍內(nèi)兩側(cè)工程樁，采用16 a工字鋼縱橫向水平加固，將管樁端板與工字鋼焊接固定，形成一個整體。

（3）采用長臂挖機分兩層依次開挖，遇到工程樁部位對稱平衡開挖。

（4）開挖完畢后及時澆筑混凝土墊層，墊層厚度加厚為300 cm 厚，對兩側(cè)邊坡形成有效的支撐。

通過上述方式，水解酸化池及生物池局部落深1 m區(qū)域的兩側(cè)管樁均未發(fā)生偏位現(xiàn)象，僅兩側(cè)淤泥質(zhì)土與管樁之間出現(xiàn)較大空隙。通過將管樁成功束縛住，保證了管樁的垂直度。而且該工字鋼可以重復(fù)利用，成本投入較少。具體詳見圖7～圖9 所示。

圖8 及時澆筑墊層做封底支撐之實景

圖9 局部落深與相鄰區(qū)域樁位布置示意圖

4.2 高壓旋噴樁土體加固后再開挖

針對二沉池D 池區(qū)域中心筒區(qū)域開挖面積約120 m2，開挖深度較深（深度約5 m），該部分的主要開挖目的是池體下部工藝管道敷設(shè)，為結(jié)構(gòu)池體服務(wù)的工程樁在工藝管道上部，比開挖基底高約1.6 m。根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示該區(qū)域開挖主要土層為淤泥質(zhì)土層的情況，結(jié)合拉森鋼板樁在淤泥質(zhì)土層中極易偏位情況，整體考慮將該基坑拉森鋼板樁范圍內(nèi)坑底進行高壓旋噴樁土體加固。加固土體深度為4 m，水灰比宜為0.9～1.1，水泥摻量不少于25%，加固體28 d 齡期無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa。通過此種加固，可分散和減少對工程樁的側(cè)向壓力,提高了拉森鋼板樁的嵌固力，保證了施工安全和工程樁質(zhì)量。具體詳見圖10 和圖11 加固前后對比圖，以及圖12加固區(qū)域剖面示意圖。

圖10 淤泥質(zhì)土未加固之前土方效果及工程樁偏位之實景

圖11 加固后土方開挖效果之實景

圖12 加固區(qū)域剖面示意圖（單位：mm）

4.3 先換填再沉樁后開挖

由于該項目位于舟山本島東南角，場地為后期人工填海而成，填海過程并沒有對原有土體進行相應(yīng)的處理，只是利用周邊臨近山體開采材料塘渣進行回填至場地標高，場地平整后整體標高2.5～3.3 m，建成后場地標高為3.5 m。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地內(nèi)存在厚度不一的淤泥質(zhì)土層，是典型的海相淤泥質(zhì)軟土地基。結(jié)合項目整體開挖情況，局部塘渣回填區(qū)域較厚，開挖基底標高均為塘渣回填區(qū)域，工程樁的偏位情況基本未出現(xiàn)，具體詳見前文2.2 土方開挖章節(jié)中的圖1、圖2。

故后期在海相淤泥質(zhì)軟土地基范圍內(nèi)的其他項目進場施工中，可針對項目具體分析，局部淤泥質(zhì)土層埋深較淺區(qū)域，可采用先開挖換填再進行沉樁施工的方式，換填厚度以工程樁頂標高下臥1.5 m 為宜。回填材料可采用塘渣（碎石較多，粒徑不超300 mm）或建筑渣土等，具體材質(zhì)可依據(jù)項目現(xiàn)場而定。通過局部換填，可保證樁機機械行走和材料運輸，也可有效減小工程樁的送樁深度。具體的換填厚度依據(jù)工程樁的數(shù)量、樁機機械的荷載、場地大小等因素整體考慮。

通過換填，施工樁身垂直度就有更有力的保證，但是因涉及到費用原因，可整體分析考慮，若后期工程樁的Ⅲ類、Ⅳ類樁較多，需要二次補樁或加大灌芯深度等措施來彌補。否則，特對項目的工程質(zhì)量、進度等帶來不利影響?？傊Ｏ嘤倌噘|(zhì)軟土地基施工前應(yīng)充分查閱勘察文件及了解現(xiàn)場實際情況，分析地層對施工的影響，并做出提前處理，防止發(fā)生不必要的質(zhì)量事故。針對后期樁基施工完畢再進行土體加固等后期彌補方式而言，先換填再沉樁后開挖的方式是相對較經(jīng)濟實效的。

5 結(jié) 語

預(yù)應(yīng)力管樁目前應(yīng)用較廣，但是若對管樁的應(yīng)用條件認識不足，對其處理措施不當，很可能會發(fā)生工程質(zhì)量問題。特別是在土體條件較差的軟土地區(qū)，管樁的設(shè)計及施工不當均會對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的偏位產(chǎn)生巨大的影響。因此在軟土層采用混凝土預(yù)應(yīng)力管樁需要慎重考慮，若必須采用預(yù)應(yīng)力管樁，應(yīng)當優(yōu)先對軟土地基進行處理，再選用合適的施工措施來進行樁基施工，以減少軟弱土層對施工產(chǎn)生的負效果。總之，要通過設(shè)計、施工共同融合來保證預(yù)應(yīng)力管樁的整體工程質(zhì)量。