深層攪拌樁施工擠土效應分析

李靖++李鴻博

摘 要：深層攪拌樁作為軟土地基處理的一種新方法，正越來越多地被應用到基礎工程中去。實踐證明，深層攪拌樁也存在擠土效應。本文結合工程實例，對相關的墻體側向位移和管道沉降的監測數據進行了分析，總結出了攪拌樁擠土效應的特點及其在不同的施工工藝所表現出來的規律，并分析了產生這些規律的原因。最后用Sagaseta的源-匯理論得到的位移計算公式對這些規律做了一定的理論分析。

關鍵詞：地基處理；攪拌樁；擠土效應；位移

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A

深層攪拌樁作為一種新型的地基處理形式，自1980年在我國獲得成功后，得到了廣泛的應用。對于深層攪拌樁的施工，一直以來基本忽略了它對周圍環境的影響。但隨著無數施工過程的積累，人們逐漸認識到，深層攪拌樁的施工也會產生一定的擠土效應，導致周圍土體的側向位移和地表隆起。在地下管線和地下設施密集的地方進行深層攪拌樁的施工，如果不能很好地控制攪拌樁的施工，擠土效應將造成很大的危害，因此有必要對深層攪拌樁的擠土效應作系統的研究。

1 工程實例分析

1.1 工程概況

該工程為某城市地鐵車站的施工，施工區域周邊環境保護是施工過程中的重要環節。施工的車站緊貼已有的一個地鐵車站，在施工過程中將對已有車站造成影響，在車站基坑施工過程中對其進行保護是監測的主要任務之一。另外施工基坑周圍有大量的地下管線，基坑施工過程中需加強對上述管線的保護。

車站基坑開挖采用攪拌樁維護。在基坑周圍已有車站的地下連續墻上布置了位移測點，在周圍管線上布置了沉降測點。

本工程攪拌樁采用“兩次噴漿，三次攪拌”，即“兩噴三攪”，攪拌樁長約16米，13到16米由于圍護需要，噴漿量增加一倍。

1.2 數據分析

從攪拌樁的施工工藝看，攪拌樁下沉時由于注入了相當體積的漿液，而且在注入漿液的同時，注漿壓力也會對周圍地層產生擠壓作用，因此使得原有的地層產生附加應力和體積擴張，導致了地下連續墻的側向位移和地下管線的沉降。在此過程中，還會產生超孔隙水壓力，由于飽和粘性土的不排水性，孔隙水壓力的積聚加劇了攪拌樁的擠土效應。對攪拌樁擠土效應大小存在內因和外因兩方面的影響，內因如注漿量、水灰比、水泥摻入量等，外因如施工距離、施工流向等。由于在施工過程中水灰比，水泥摻入量都是一定的，下面我們將著重從外因來討論它對攪拌樁的擠土效應的影響，并且還將總結擠土效應表現出來的一些規律。

以下圖中，橫坐標表示日期，縱坐標表示位移，其中Q為地下連續墻墻體位移測點，位移為正表示遠離基坑方向位移，S為管線沉降測點，位移為正表示垂直隆起。

1.3 施工距離對擠土的影響

如圖1，1-7（表示1月7號）到1-10，攪拌樁在離S13較遠的地方施工，S13隆起值基本沒有變化；1-12到1-15，攪拌樁施工地點在S13測點附近，隆起值不斷增大且接近最大值，然后隨著施工地點離測點越來越遠，1-17后隆起值開始回落。

可以發現，施工地點離測點距離相當遠，可以基本忽略它對測點處的影響，而隆起值的變化主要集中在測點附近施工的時段，所以可以認為：某處受攪拌樁的擠土作用，只是在接近該處的一定范圍內（范圍大小受很多因素影響）的攪拌樁施工會對該處產生擠土效應，距離越近，擠土效應越明顯，超過一定的距離，施工對其基本沒有影響。

1.4 施工流向對擠土的影響

在其它因素相同的情況下，不同施工流向會對擠土效應的大小產生影響。我們取了兩組距離很接近的測點，即認為其它影響因素大致相同，考慮不同流向對它們隆起值的影響。

如圖2，S13附近攪拌樁是朝同一個方向施工，而S14附近是由兩邊同時向中間施工，可以看出，S14隆起值出現的最大值明顯比S13大，由此可見，由兩邊同時向中間施工擠土效應更明顯。

同時，如果先施工內排樁，然后再進行外排的攪拌樁施工，由于內排樁會形成一個屏障，擠土效應也會減弱。

1.5 成樁數量對擠土的影響

成樁數量的多少對擠土效應的大小有著直接的影響。圖3為Q3測點處地下連續墻在不同深度處的位移變化曲線。

11-6在Q3附近施工最里層單排樁時，Q3位移很小，變化不大，擠土效應很??；11-7，11-8沒有施工，位移馬上回彈；而11-9到11-12在Q3附近施工余下幾排樁，成樁數量是單排時的2倍多，位移量急劇增加，接近最大值?？梢哉J為，施工的攪拌樁數量越多，擠土效應就越大。一次連續成樁數量的增加，位移值和隆起值也會急劇增加，兩者不是同一量級的增長。在上面的例子中，攪拌樁的一次成樁數量增加了一倍多，但位移卻增加10倍左右，擠土效應的增加非常明顯。

1.6 沿深度的影響規律

圖4統計了 Q9測點處地下連續墻沿深度出現的最大位移：

由圖3和圖4可以看出：

1）沿著深度連續墻水平位移變化規律是基本一致的；

2）除了接近地表和底部范圍出現的水平位移很小外，沿著攪拌樁深度的其它區域都有較明顯的位移，且擠土效應對周圍土體側向位移影響最大的區域出現在樁的中部。

圖5是統計測點Q3，Q4，Q8， Q9， Q10， Q11， Q12現最大位移的位置：

由圖5可以看出，地下連續墻出現最大水平位移的位置大約在13-14米左右。

考慮現場因素，原因可能有以下幾點：

1）施工因素：13～16米攪拌樁施工時由于結構的需要，噴漿量增加一倍，因此該段受到的擾動應該更大；

2）土質條件的因素：該段屬于中高壓縮性土，壓縮模量小，變形容易。

綜合以上因素，如果把地下墻最下端看作固定段，位移最大值應該出現在13～16米，與實測數據吻合。

1.7 滯后現象的分析

在分析過程中，我們發現某些位移出現滯后現象。攪拌樁不在測點附近施工，位移或隆起值沒有立刻停止，而是有一到兩天繼續增長。

如圖4，Q3附近的攪拌樁在11-12全部完成，但Q3的水平位移在11-13仍然有增長，直到11-14才開始回落。擠土效應有一天左右的滯后。

滯后效應在國內相關文章中尚未見論述，但隨著今后施工過程中對周圍環境保護要求的不斷提高，攪拌樁施工擠土效應的滯后現象受重視的程度必將越來越高。從監測數據可以看出，攪拌樁施工時擠土效應的滯后效果不是很明顯，只有在大批連續成樁時才表現出來，當成樁數量很小時，基本可以忽略。

1.8 回彈

攪拌樁遠離該處施工，擠土效應逐漸衰減時，位移會出現回彈。如圖6，1-17以后攪拌樁的擠土效應逐漸消失，隆起值不斷回彈，但幅度很小，并逐漸趨于平緩。

孔隙水壓力的影響是出現回彈現象的主要原因。在施工期間擠土會產生超孔隙水壓力，由于不飽和粘性土的不排水性，孔隙水壓力不斷增大，增加了擠土效應；而當停止施工，孔隙水壓力會慢慢消散，土中應力減小，因此位移會有一定的回彈；但是孔隙水壓力的消散比積聚慢的多，因此回彈很緩慢，并且也不會恢復到原來的數值，而是到一定的數值就基本不在變化。因此回彈量也只會到一定的數值，希望位移能回彈到原來的狀態是不可能的。

2 理論分析

分析打樁對環境的影響以往用較多利用圓孔擴張理論，研究打樁在土體中產生的擠壓力，從而推算土體的位移。經典的圓孔擴張理論有一個缺點，即將一維的圓孔擴張解應用于樁體貫入這樣一個三維問題，導致其解只與徑向坐標有關，而與豎直坐標無關，并忽略了孔壁豎向摩擦力的影響。因此使用圓孔擴張理論來分析攪拌樁的擠土效應，特別是在群樁施工以及綜合考慮其它因素的情況下，顯得非常困難。

本文利用Sagaseta的源-匯理論，考慮攪拌樁施工的擠土效應。詳細推導過程請參見文獻。由此得到的單根攪拌樁施工時引起的土體中某點的位移為：

豎向位移：

根據文獻對該公式的分析結果，越接近樁體，地表隆起值越大；對于樁周土體的水平位移，除了接近地表和樁尖下部區域水平位移較小外，樁身的絕大部分，都會產生一定的水平位移，且在中部達到最大。水平位移會隨著離樁軸線距離的增加而逐漸減小。這與1.2.1節，1.2.4節分析的現象都是相符的。

考慮群樁效應時，可以利用以下的公式計算：

這些系數即綜合考慮了1.2.2節，1.2.3節所述的影響，這也是對擠土效應影響最為明顯的兩個因素。筆者認為應該根據不同的工程情況總結這些系數。

同時對于不同地質條件，孔隙水壓力的變化，以及1.2.5所述的滯后現象等等因素，由于條件太復雜，公式都沒有考慮到，有待于今后繼續研究。

3 結語

本文根據監測數據，總結了攪拌樁擠土效應的一些規律，同時利用由Sagaseta的源-匯理論得到的位移計算公式對這些規律做了一定的理論研究：

（1）在深層攪拌樁的施工因素的影響下，離施工樁的距離越近，一次連續成樁的數量越多，擠土效應越大，造成的墻體水平位移和管線的隆起值就越大。同時不同的施工流程也會對擠土效應的大小造成一定的影響；

（2）周圍土體受攪拌樁擠土效應影響出現最大水平位移的深度，應該出現在攪拌樁中部附近，同時如果某一深度注漿量顯著增加的話，該段擾動也會顯著增大，綜合地層的因素，即壓縮模量的大小，可以估計出現最大位移的深度；

（3）擠土效應會有一定的滯后，并且在附近沒有攪拌樁施工時，位移和隆起值有一定的回彈。

相應于這些因素，施工中可以采取一些措施來減少擠土效應的影響，如減少成樁數量，減緩成樁速率，挖設卸壓槽等等。

由于該研究課題在工程實踐上有重要的意義，因此今后需要搜集更多更全面的資料：如不同的地質條件，不同的水灰比，不同的施工速率等等進行全面的分析；尋求更合適的力學模型，從理論上對攪拌樁施工時土體周圍的情況進行更準確的模擬；對群樁效應作進一步的探討；擬合出實用的公式，對施工進行指導等。

參考文獻：

[1] 羅哲.深層攪拌樁施工對周圍環境影響分析[J].土工基礎，1998（3）.

[2] 姚笑青，胡中雄.飽和軟土中沉樁引起的孔隙水壓力的估算[J].巖土力學，1997（4）.

[3] 胡中雄.土力學與環境土工學[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[4] 施建勇.沉樁擠土效應研究綜述[J].大壩觀測與土工測試，2001（3）.

[5] 黃院雄，許清俠，胡中雄.飽和土中打樁引起樁周圍土體的位移[J].工業建筑，2000（7）.

[6] 蔣鋒平.大面積深層攪拌樁施工對地鐵隧道影響的研究 [D].上海：同濟大學地下建筑與工程系，2004（2）.

[7] 蔣建平，高廣運.樁基工程引起的環境問題及其防治技術[J].建筑技術，2004（3）.

（本文審稿 柳立生）