管樁樁基工程中應力釋放孔的設計及應用

(漢嘉設計集團股份有限公司，浙江杭州 310005)

在預制樁施工中，由于靜壓法具有施工工期短、質量穩定、承載力高、穿透力強、低噪聲、無震動、無污染、運輸吊裝方便、樁身耗材較低、單樁造價低等特點，近年來已廣泛運用。但其對周邊環境的擠土效應一直是施工中要注意甚至需特別處理的問題，所以如何減小擠土效應是一個十分急迫和現實的問題。

1 影響及破壞機理分析

靜壓預制樁屬擠土效應樁，對周邊環境的影響主要是由于在壓樁過程中產生的應力作用下，破壞了土體的相對平衡狀態，使得周圍土體發生水平擠壓位移和豎向剪切位移。影響的范圍及程度原因很多，不但與壓樁的距離，樁密度、樁數量，壓樁速率及施工順序等有關，更與場地土的性質和分布以及水位埋深等有關，當樁周圍土體結構破壞并產生隆起時，對周圍建筑或地下管線設施就可能造成損害。

在不飽和的填土層及軟土層中，擠壓應力的傳遞主要是通過樁周土體傳遞的，當擠壓應力大于樁周土體抗力時，不可避免地將造成土體較大的側向位移并向遠處緩慢減弱;在飽和軟土層中，壓樁除了造成樁周土的擾動、位移及強度變化外，由于樁周土滲透性很差，還會產生較高的孔隙水壓力及側向與垂向位移等，造成周邊建筑物的不均勻沉降、開裂與破壞。當壓入樁后，就能使樁周圍一定范圍內飽和軟粘土中孔隙水壓力U＞G(G為上覆土總重)，在此范圍之外超孔隙水壓力ΔU逐漸減小，這樣一方面使得土的有效應力大大降低，甚至液化;另一方面，由于土是非完全彈性體，超孔隙水壓力一旦消散，被擠壓的土體不能完全恢復原狀，土層又重新固結，這樣就不可避免地造成了上覆土體的抬起和沉陷，從而導致樁基質量事故以及對周圍建(構)筑物形成不利影響，這種影響破壞較為嚴重，隨著建筑物的距離及自重的增大，其影響程度將逐漸減小。

綜上所述，造成沉樁區周邊地基土體豎向及徑向變形的原因，主要是由于土體的擠壓及超靜孔隙水的作用使得樁周土產生較大的側向位移和隆起。而在孔隙水壓力向四周消散，地基土體的低壓縮性及群樁施工中的疊加因素影響下，進一步加強了隆起和位移的程度，并擴大其波及的范圍，當積累到一定程度后，即會使得鄰近建筑物的側向位移超限，造成其不均勻沉降、開裂下破壞。但由于地基土的變位特性是由多種因素造成的，要準確預估沉樁造成地基土的側向位移、沉降和隆起變化及影響范圍，只能通過經驗來估計。

2 擠土效應釋放數量計算理論

1)擠土效應理論計算，很多學者提出了不同的理論計算方法，如基于圓孔擴張理論的CFG樁成樁效應計算分析方法［1］和基于球形擴張理論的源—源鏡像法［2］，具體計算理論方法可參考有關文獻。

2)現場實測數據反演土體位移計算公式［3］，φ600 PHC樁，共420根，樁長57 m，工程地點為上海浦東，土質條件:粉質粘土。本工程局部為流塑粉質粘土，粘質粉土普遍。與本工程基本類似。單位面積樁地表水平位移曲線，豎向位移曲線見圖1，圖2。

水平位移計算公式:

豎向位移計算公式:

圖1 單位面積樁地表水平位移曲線

圖2 單位面積樁地表豎向位移曲線

3 工程實例

3．1 工程概況

該工程項目樁基工程由7幢主樓及其地下車庫組成，本工程±0．000相當于黃海高程6．400 m，自然地面黃海高程約－1．5 m。工程樁采用φ500，φ600預應力鋼筋混凝土管樁，約2 400根。施工工藝采用靜力壓樁。該項目樁基工程北面有馬路主干道及其配套綠化區域;南面有水景公園，東南面為圖書館及其配套設施，東北面為大型廣告牌。其中東南面為圖書館及其配套設施，距離管樁施工場地最短距離只有2．6 m;東北面為大型廣告牌，廣告牌基礎埋深較淺，豎向高度為10 m，往東方向15．5 m為河道。本工程采用靜力壓樁的工藝施工預應力鋼筋混凝土管樁，為擠土樁，擠土效應較大。主樓采用PHC-A600(130)管樁約1 000根，樁長約33 m～37 m，送樁深度約7 m，共計約41 000 m。地下室部分采用PC-A600(100)管樁約300根，樁長約為15 m，送樁深度約7 m，共計約6 600 m;地下室部分采用PC-A500(100)管樁1 100根，樁長為15 m，送樁深度約7 m，共計約24 200 m。施工時總打入數量約為18 210 m3。

3．2 擠土應力釋放計算

根據本工程樁位分布情況結合式(1)，式(2)估算，考慮先后沉樁相互影響，主樓樁位密集區域地表隆起量約為0．6 m，水平位移約0．6 m。根據以往施工經驗，該場區施工時土進入管內的深度約5 m，則進入管內的土計算方量為:

施工后土體上浮按20%計算，則上浮的土量為:

從總平面布置圖上看，本樁基工程臨近圖書館及其配套設施。施工時擠密量按10%計算，擠密消耗的土量為:

需要釋放的擠土量為:

3．3 設計原則

1)隔斷在沉樁施工中應力及超靜孔隙水壓力的傳遞路徑;2)改變超孔隙水及有效應力的消散方向，加快地基土的應力及超孔隙水壓力的釋放。

管樁施工造成擠抬土原理的分析:管樁入土致使樁體周邊土體壓縮，土體壓縮后，土體中的孔隙水壓力升高。土體孔隙水壓力的平衡被破壞后，將導致向孔隙水壓力較低的土體釋放應力以繼續保持土體孔隙水壓力平衡。表現出的現象即為:土體間壓力高的孔隙水向壓力低的四周方向開始滲透;孔隙水流動后，造成周邊孔隙水壓力低的土體整體方向性位移、隆起。如周邊有已建建(構)筑物，則會對已建建(構)筑物造成變形開裂、不均勻上浮等現象。主要表現為地表和墻體開裂;建筑物不均勻上浮、傾斜;地下管線破裂等。

根據現場勘察，本樁基工程北面有馬路主干道及其配套綠化區域;南面有水景公園，東南面為圖書館及其配套設施，東北面為大型廣告牌。管樁為擠土成型樁，施工時會產生擠抬土現象。擠土將對周圍已建建(構)筑物產生影響，影響范圍為樁長的1．5倍;其中樁長1倍半徑范圍內影響較大。本工程管樁入土深度為38 m左右，擠土影響范圍較大的預計在46 m左右。施工期間為臺風多發季節，大型廣告牌基礎埋深較淺，容易產生安全隱患;廣告牌外側道路上的管線分布密集;東面圖書館及其配套設施距離樁位最小距離為2．6 m;以上位置估計都要進行防護。如果需要對已建設施進行保護，特別是東面為圖書館及其配套設施、大型廣告牌，則靠近已建建(構)筑物46 m左右范圍的管樁，都需要采取措施，釋放應力，以緩解管樁施工產生的擠抬土對周邊已建建(構)筑物的影響。

在需要保護的已建建(構)筑物靠近管樁施工一側鉆一排應力釋放孔，切斷孔隙水壓力的釋放，以達到保護已建建(構)筑物的目的。估算需要釋放的擠土量約為6 800 m3。暫定施工應力釋放孔共計284根，有效孔深25 m，取土量為3 568．5 m3。釋放孔孔內安放鋼筋籠，鋼筋籠周身綁扎毛竹片，以防止周邊土體進入釋放孔內，達到長期釋放孔隙水壓力的目的，減少現場取土量。同時采取以下設計和施工措施以減小擠土量:1)距周邊建筑15 m左右范圍內的預制樁均改為鉆孔灌注樁;2)采用在距相鄰建筑物4 m處開挖2．5 m深，1 m寬應力釋放溝，以減少地基淺層土體的側向位移對相鄰淺埋式建筑物(和地下管線)的差異變位的影響;3)合理安排打樁順序，應先行施工鄰近建筑物的最外側30根樁，從鄰近建筑物處逐步向后施工;4)在鄰近建筑物處施工時，控制每天的打樁數量，以使土層中的應力能夠逐步得到釋放;白天打樁引起的土體位移增加值會在夜晚停歇時有約25%的回落，如夜晚繼續打樁，擠土效應引起的土體水平、豎向位移會一直增加不回落。因此，應避免24 h不停歇的打樁安排;5)加強監測，做好對鄰近建筑物的沉降及裂縫的監控工作，如有異常時則需采取調整打樁順序和延后打樁時間等措施，必要時拍好照片。

3．4 應力釋放孔施工機械選擇及施工順序

圖書館圍墻外1 m～2 m，呈一字形鉆一排應力釋放孔。應力釋放孔孔徑800 mm，孔深25 m，間距1 000 mm。大型廣告牌以內2 m，呈一字形鉆一排應力釋放孔。應力釋放孔孔徑800 mm，孔深25 m，間距2 000 mm。應力釋放孔采用鉆孔灌注樁施工，將場地內土體利用鉆頭切成泥漿，形成一個豎向應力釋放孔，應力釋放孔上部挖一條1．5 m寬，1．5 m深的防震溝，應力釋放孔采用跳打方式施工。

針對本工程的特點，施工前具體研究地層的特征和鉆進的特點，在施工中采取跳打及相應的應對措施，對可能發生的問題防患于未然。鉆孔樁施工采取正循環鉆進原漿護壁成孔、清孔的施工工藝。

通過以上的設計和施工措施，至本工程樁基施工完畢后長時間觀測未發現對周圍的建(構)筑物產生大的影響，達到了預期效果。

4 結語

1)由于本工程屬于軟土地基區域，周邊環境異常復雜，通過采用應力釋放孔的專項施工措施，經檢測該方案措施達到了預期中的效果，是有效可行的。2)應力釋放孔是解決軟土地基擠土效應有效的方法，但應注意要充分進行專家論證并形成周密的專項施工方案，在壓樁過程中應嚴格按照該施工方案施工，先施工應力釋放孔后靜壓樁，嚴禁為了抓工程進度而先靜壓管樁。3)檢測作為信息化管理施工的主要手段，在嚴格按照專項施工方案施工的同時，應加強監測并及時將檢測結果反饋給施工單位和建設單位，如若發現異常應立即聯系有關單位采取有效可行的措施，而不是盲目地繼續施工，從而有效的實現信息化管理。

［1］唐彤芝，趙維炳．基于圓孔擴張理論的CFG樁成樁效應計算分析［J］．水運工程，2005(4):17-21．

［2］李月健，陳云敏．粘性土地基中群樁施工產生土體內的位移場［J］．建筑結構學報，2001，22(3):88-91．

［3］王興龍，陳 磊，竇丹若．打樁擠土的現場試驗研究及土體位移的計算公式［J］．巖土力學，2003(S2):92-94．