木樁上浮現(xiàn)象的分析及處理方法探討

穆方方

（1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市 200061；2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海市 200061）

0 引 言

隨著生態(tài)文明整治力度的不斷加大，在水利工程整治中更加注重體現(xiàn)生態(tài)性。上海地區(qū)位于華東濱海平原，水網(wǎng)縱橫，加之城市化程度高，群眾對生態(tài)環(huán)境改善、生態(tài)體驗需求強烈，在水利工程整治中也更加注重生態(tài)護岸的應(yīng)用[1]。特別是近年來開展的生態(tài)清潔小流域綜合整治，使河道整治趨于小型化。

木樁護岸生態(tài)性強、施工便利，已廣泛應(yīng)用于上海地區(qū)中小河道整治中。木樁屬擠壓樁范疇。本文根據(jù)上海地區(qū)某中小河道的木樁護岸結(jié)構(gòu)在施工過程中因擠土效應(yīng)而出現(xiàn)的不同程度上浮、樁端傾斜現(xiàn)象，通過分析木樁上浮效應(yīng)機理，提出了防止木樁上浮的控制方法，以期為類似木樁護岸設(shè)計、施工及采取防治措施提供參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

F 河道位于上海市中西部地區(qū)，為城郊中小河道。為改善區(qū)域水環(huán)境、提升水質(zhì)，對該河道進行整治。根據(jù)設(shè)計方案，河道總長約1.1 km，設(shè)計河口寬度20 m，河底寬度6 m，河底高程0.5 m，河頂高程4.5 m，駁岸采用密排木樁護岸結(jié)構(gòu)。

1.2 地質(zhì)情況

該工程位于湖沼平原Ⅰ1 區(qū)與濱海平原區(qū)交界處，根據(jù)勘探孔地層情況判定場地地貌類型屬濱海平原。岸坡范圍自上而下主要地層為：①層素填土，土質(zhì)松散不均，以黏性土為主，含碎磚、石子等建筑垃圾；②層粉質(zhì)黏土，松散- 稍密，含云母，夾有機質(zhì)、黏性土，韌性及干強度低，搖振反應(yīng)慢，土質(zhì)欠均勻；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑，含云母及有機質(zhì)，韌性及干強度中等，稍有光澤，層頂夾粉性土較多，土質(zhì)欠均勻，分布較厚；⑤層黏土，軟塑，含有機質(zhì)，韌性及干強度高，有光澤，偶夾泥鈣質(zhì)結(jié)核，局部為粉質(zhì)黏土，土質(zhì)尚均勻。

土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

1.3 主要護岸結(jié)構(gòu)及木樁規(guī)格

該工程采用密排圓木樁結(jié)構(gòu)，樁基采用φ160 mm圓木樁密排，樁長6 m，樁后鋪設(shè)250 g/m2土工布一層以確保整個結(jié)構(gòu)的反濾效果。樁頂高程3.0 m 至堤頂高程4.5 m 采用1∶2.0 草皮護坡，其上覆蓋草皮綠化間種灌木叢，岸頂陸域控制范圍為6.0 m，坡肩設(shè)欄桿，布置堤頂綠化。樁前設(shè)寬0.7 m 種植平臺，平臺頂高程2.0 m，2.0 m 高程至河底高程0.50 m 采用邊坡坡度1∶2.0 自然土坡。

護岸斷面型式見圖1。

圖1 護岸斷面結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

根據(jù)地質(zhì)分布，該斷面密排木樁均位于③1-1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土層。

1.4 施工工藝及現(xiàn)場上浮情況

該工程樁基長度較短，稍徑直徑較小，周邊進場道路狹窄，為方便施工，采用小型柴油樁錘順序施打。根據(jù)施工單位現(xiàn)場介紹，木樁施打完畢后部分木樁出現(xiàn)不同程度的上浮情況。距初步統(tǒng)計，施打后6 h部分木樁最大上浮約15 cm，施打后12 h 木樁再次上浮2～5 cm，施打24 h 后木樁上浮基本停止。

施工單位選定5 處監(jiān)測點來監(jiān)測木樁上浮情況。木樁上浮情況統(tǒng)計表見表2。

表2 木樁上浮情況統(tǒng)計表

2 木樁上浮原因分析

本地區(qū)為軟土地基，該工程為木樁擋土的生態(tài)型護岸，木樁僅做側(cè)向擋土，無上部其他荷載作用?？紤]木樁密度小于水的密度，貫入土體后的木樁主要依靠樁身側(cè)向摩阻來抵抗木樁所受向上的浮力。因木樁屬擠壓樁，當(dāng)木樁稍徑較小、有效貫入長度不足時，樁身側(cè)向摩阻力較小，樁頂無阻力荷載，一旦所受上抬壓力大于樁身側(cè)向摩阻力，則發(fā)生樁體上浮現(xiàn)象。

研究沉樁對周邊土體擠土效應(yīng)的常用方法為圓孔擴張理論（CEM）[2]。該理論基于如下假設(shè)：首先，土體為土質(zhì)均勻、各方向土層性質(zhì)相同的理想彈塑性介質(zhì)；其次，基礎(chǔ)土體為不可壓縮飽和狀態(tài)土體；再次，基礎(chǔ)土體應(yīng)滿足Mohr-Coulomb 屈服強度準(zhǔn)則；最后，當(dāng)沉樁深入引起樁孔擴張時，土體有效應(yīng)力各向相同。沉樁深入引起土體內(nèi)壓p 增大，進而造成樁周區(qū)域土體由彈性向塑性轉(zhuǎn)變，范圍隨之?dāng)U張。

對于樁柱形孔擴張的平面應(yīng)變軸對稱問題，在極坐標(biāo)下，其平衡微分方程為：

式中：σr為徑向應(yīng)力；σθ為切向應(yīng)力；r 為計算半徑。

塑性邊界滿足Mohr-Coulomb 屈服強度準(zhǔn)則：

邊界條件為：

式中：Cμ為內(nèi)聚力；Rμ為彈性邊界半徑；pμ為彈性邊界壓強。

根據(jù)土體總體積不變的假定，可由上述微分方程求出σθ、σr。

采用亨克爾孔壓方程，可求出沉樁瞬間造成的超靜孔隙水應(yīng)力Δμ：

式中：β 為有效應(yīng)力系數(shù)；α 為剪應(yīng)力系數(shù)；σ0為有效應(yīng)力；τ0為剪應(yīng)力。

擠土樁在沉樁過程中會使樁四周的土體結(jié)構(gòu)受到擠壓擾動，改變原土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)而產(chǎn)生擠土效應(yīng)，即由于樁身自身的體積“占用”了土體原有的空間，使樁周土向四周擠壓開來。根據(jù)土層深度不同，擠土效應(yīng)發(fā)生在淺層土體時，常常表現(xiàn)為周邊土體豎向隆起；擠土效應(yīng)發(fā)生在深層土體時，常常表現(xiàn)為周邊土體橫向擠壓變形[3]。

此外，木樁周邊及樁端所在土層的含水率對木樁位移影響較大。若樁周邊土層為非飽和土層時，土體受到擠壓從而使周邊土體體積收縮，該體積收縮量能快速有效消散擠壓應(yīng)力；若樁周邊土層為飽和軟土?xí)r，樁基深入造成周邊土體受壓，而周邊土體不收縮或收縮量有限，則該擠壓應(yīng)力主要通過土體位移來實現(xiàn)消減，最明顯的表現(xiàn)為周邊樁身傾斜及相鄰淺樁上浮[4]。

該工程場地樁基所在土層普遍有較厚淤泥，密排木樁為順序施工，木樁入土?xí)r引起淤泥和淤泥質(zhì)土中的孔隙水壓力過大，形成超靜孔隙水壓力。由于淤泥質(zhì)土層透水性弱，該超靜孔隙水壓力消散緩慢，遂對鄰樁造成上抬壓力。

3 改進措施

結(jié)合上述木樁上浮原因分析，考慮河道工程場地受限及有利現(xiàn)場施工等因素，本工程通過優(yōu)化設(shè)計和改進施工工藝，有效改善了該工程其他河段的木樁上浮情況。

3.1 設(shè)計方面

3.1.1 降低超靜孔隙水壓力

在沉樁前一段時間設(shè)置塑料排水板或袋裝砂井；在沉樁結(jié)束后一段時間繼續(xù)保持排水板等排水功能，以達到消除或降低超靜孔隙水壓力，同時加快土體固結(jié)的效果[5]。建議在密排木樁后方1～1.5 m 范圍內(nèi)，間隔2 m 距離插入1 根與木樁等長度的排水板，確有必要時可配合進行井點降水。

3.1.2 采用圍檁綁扎

在木樁臨土側(cè)樁頂以下約0.5 m 范圍設(shè)置圍檁，圍檁長度約5 m；圍檁與密排木樁逐根綁扎，以便增加密排木樁整體性，均衡分擔(dān)豎向力，從而有效降低木樁整體上抬幅度。

3.2 施工方面

3.2.1 跳樁施打

常規(guī)密排木樁擋土護岸，為了保持木樁岸線順直和施工便利，往往采用順序施打工藝。在木樁順序施打過程中，常見臨近木樁發(fā)生前后擠壓移位現(xiàn)象，且該位移隨著施打深入逐漸加大。考慮到擠壓應(yīng)力消散需空間和時間，本工程建議施工單位采用跳樁施打工藝，具體為間隔2 根樁施打1 根，如此往復(fù)直至木樁密排實施完成。

3.2.2 控制沉樁速度

控制沉樁速度是為了防止孔隙水壓力瞬間高漲，因為擠壓應(yīng)力消散需要時間周期。根據(jù)相關(guān)研究[6]，當(dāng)樁徑向距離小于1.5 m 時，沉樁速度大的超靜孔隙水壓力比沉樁速度慢的大。沉樁過程中，施工單位不得為提高施工進度人為加大沉樁錘擊力度。應(yīng)保證木樁平穩(wěn)、適度沉入，現(xiàn)場做好沉樁錘擊記錄，確保單根木樁錘擊數(shù)為合理范圍。常規(guī)河道擋土木樁長度較短，結(jié)合類似工程經(jīng)驗及參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）對預(yù)制樁沉樁的要求，本工程確定木樁沉樁速度不得大于1 m/min。

3.2.3 預(yù)壓堆載

所在河段密排木樁施打完畢后，可及時采用袋裝土在木樁頂端預(yù)壓堆載，與樁側(cè)摩阻力共同抵消樁底向上的豎向力。現(xiàn)無有效簡便公式來簡化計算由擠土效應(yīng)引起的豎向力，需根據(jù)試驗確定。本工程結(jié)合工程經(jīng)驗，由地勘報告中提供的樁端所在土層樁端端阻力來近似替代擠土效應(yīng)下木樁向上的豎向合力。

樁頂預(yù)壓荷載建議不小于木樁樁端阻力的1.0倍。本工程木樁端頭直徑20 cm，稍徑15 cm，每延米范圍內(nèi)約5 根木樁，則稍徑面積合計約0.088 m2。結(jié)合地勘報告中持力層樁端阻力特征值fp為75 kPa，估算出每延米樁頂預(yù)壓荷載約6.6 kN。采用該方法，可在一定程度上改善沉樁緩慢上浮情況。

3.2.4 重復(fù)施打

待木樁頂預(yù)壓堆載不少于24 h 后，根據(jù)現(xiàn)場復(fù)核測量結(jié)果，對部分木樁上浮超過設(shè)計要求的進行重復(fù)施打，直至樁頂高程滿足設(shè)計要求。不得采用人為鋸樁、減短木樁長度的方式來滿足樁頂高程要求。

根據(jù)施工單位反饋及現(xiàn)場查看，在相鄰河道岸段，經(jīng)方案優(yōu)化后，按照上述改進措施施打24 h 后，樁頂最大位移小于15 mm，木樁上浮控制效果較理想。

4 結(jié) 語

上海地區(qū)為河口沖積平原，屬軟土地基，近些年水利工程采用的生態(tài)密排木樁擋土結(jié)構(gòu)，因樁長普遍較短，加之該地區(qū)淤泥土分布較厚，木樁施打存在一定的上浮、傾斜情況。

通過分析因木樁擠土效應(yīng)和超靜孔隙水壓力造成的木樁上浮原因，本文從設(shè)計、施工兩方面提出了改進措施。在設(shè)計方面，提出了采用排水板和圍檁綁扎這2 種措施；在施工方面，提出了跳樁施打、控制沉樁速度、預(yù)壓堆載、重復(fù)施打等措施。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，這些措施在解決木樁上浮問題上效果顯著，可為類似水利工程提供參考。