靜壓樁浮樁導致承載力下降的問題分析與控制措施

何同繼

(中鐵十六局集團有限公司北京交通軌道建設工程有限公司, 北京 101100)

靜壓樁浮樁導致承載力下降的問題分析與控制措施

何同繼

(中鐵十六局集團有限公司北京交通軌道建設工程有限公司, 北京 101100)

靜壓樁在沉樁過程中產生的擠土效應十分明顯，由擠土效應所引發的土體水平位移及擠壓力會對周圍建(構)筑物及環境產生不利影響。壓樁過程中產生強大的擠壓力使得施工區域內樁體上浮、偏位、折斷時有發生。文章結合昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地，對地鐵靜壓樁浮樁導致的承載力下降問題進行了深入的分析，在此基礎上，提出了預防樁體上浮的施工措施建議。

靜壓樁； 擠土效應； 承載力； 上浮； 控制措施

靜壓樁屬于擠土樁，施工過程中，在靜壓樁機的靜壓力下，將樁尖壓入至土層中，造成土體的剪破壞，地基土層中的孔隙水在管樁樁尖的擠壓作用下從而產生不均勻水頭，隨著超孔隙水壓力逐漸增加，則會破壞原狀土的初始應力狀態。樁周圍的土體在擠壓作用下，一定范圍內便形成塑性區，當管樁周邊土體所受應力超過其承受強度時，土體便會形成塑性流動(黏性土)或擠密位移和下沉(砂性土)，土體發生距離形變進而達到極限時，這種破壞和擾動隨著樁體進入土層深度的不斷增加并向下傳遞，從而很容易使樁身貫入[1]。

靜壓樁分析方法有其特殊性和復雜性，既包括幾何非線性和材料非線性，又包括接觸非線性，因此，在樁擠土應力、擠土位移的解析及數值解方面都進展的較為緩慢。目前，有代表性的理論研究方法有圓孔擴張法(CEM)、應變路徑法(SPM)、有限單元法(FEM)和滑移線理論[2-5]。

靜壓樁施工時，受擠土效應影響，不可避免地會存在相應浮樁現象。因此，如何解決軟土地基中浮樁現象所導致的承載力下降問題，一直是工程界關注的熱點。本文結合昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地靜壓樁工程實踐，對軟土地基中靜壓樁浮樁導致承載力下降問題的原因進行分析，并提出針對性控制措施，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地位于昆明市西山區，為原省屬企業昆明水泥廠的舊廠址。段址東面以成昆鐵路為界；南面以石咀米軌車站為界；西面以春雨路為界；北面以320國道為界，石咀車輛段及綜合基地主要包括運用庫、檢修庫、綜合樓等18棟單體建筑，總建筑面積為79 945.65 m2。同時包括廠區場地平整和新建構(建)筑物、廠前區范圍內的土建工程、線路、路基、廠區管道施工、道路施工、種植綠化、輔助設施的土建施工和設備采購、安裝、調試等技術服務。預應力管樁統計見表1，地基土物理力學性質表2。

表1 石咀車輛段預應力管樁統計

表2 地基土物理力學性質

2 靜壓樁擠土機理

管樁周圍土體在施工過程中，受到徑向擠壓和豎向剪切作用，應力應變狀態產生極大的變化，與此同時，距樁體一定范圍內的土體結構、密度以及含水量發生改變，因此使得土的物理力學性質也發生改變[6]。

土體的位移特征隨著土性的改變而改變，并且樁在壓入不同土層深度時，其位移模式也會有所不同。對于粘性土層，當管樁壓入較淺土層時，由Terzaghi所提出的管樁周邊土體位移模式(圖1)可看出，管樁尖部以下土體的破壞性直接延伸到地層表面，從管樁側面呈楔形破壞并擠出；當管樁壓入較深地層時，由Meyerhof所提出的管樁周邊土體破壞模式(圖2)可以看出，樁尖土體發生體集破壞，地表處的土體隆起幅度要比深層土體隆起幅度大；Zeevarert認為出當管樁尖部伸入到不可壓縮介質地層時，土體可能會按照圖3的模式進行移動，此類模式與球形孔的擴張相似；當樁尖施工至密實黏土中時，Massarch認為近地面土體受粘聚力的作用影響，其運動主要來自垂直面上向下位移，進而從管樁樁體兩側擠出，接近地層表面的土體則會向上隆起，隨著管樁插入深度逐漸增加，其位移模式也隨之產生變化，運動軌跡主要沿徑向發展，與柱狀孔的擴張相似(圖4)。

圖1 Terzaghi位移模式

圖2 Meyerhof位移模式

圖3 Zeevarert位移模式

圖4 Massarch位移模式

3 浮樁導致承載力下降的原因分析

3.1 浮樁導致承載力下降的原因

靜壓樁承載力下降的的原因多種多樣，本文主要從以下兩方面分析浮樁導致承載力下降的原因。

(1)靜壓樁沉樁時產生的擠土效應，會出現浮樁現象，使樁尖與持力層之間產生空隙，從而導致樁體承載力下降。

(2)受地下水位高影響，土層中含水率較高，管樁在施工過程中，土體被擠壓變得更加密實，孔隙中的水不能快速消散消散，管樁的下部產生了一個類似密閉容器狀水土混合體，只有經過一段時間后，孔隙中的積水才能慢慢消散，而此時樁尖仍未深入到持力持力層，因此豎向抗壓靜載荷試驗很有可能無法滿足相關要求。

3.2 孔隙水壓力分析

為了測定孔隙壓力， 施工前于運用庫西側埋設測斜管，并用西沙回填測斜管與預鉆孔之間空隙，在距離地表下3 m、8 m、12 m處分別設置孔隙水壓力計，施工前將每個壓力機數值調整歸0，壓樁過程中對孔壓進行監測，當管樁施工完成后，每隔4 d測量一次，直至孔隙壓力消散為止。監測結果見圖5～圖7。

圖5 孔隙水壓力增量與沉樁距離曲線(埋深6 m時)

圖6 孔隙水壓力增量與沉樁距離曲線(埋深8 m時)

圖7 孔隙水壓力增量與沉樁距離曲線(埋深12 m時)

研究發現，管樁施工到不同深度時，所產生的超孔隙水壓力也是不同的，當管樁施工深度越大時，那么超孔隙水壓力則越大，當管樁樁體施工至未擾動土層時，該層土體受到擠壓而產生變形，進而使得超孔隙水壓力的逐漸增加，由于場地靠近滇池，運用庫地下淤泥質黏土天然含水率高，透水性差，因此在施工過程中會產生較大的超孔隙水壓力，當沉樁達到地下10 m時，管樁則進入圓礫層及粉土層，相對于淤泥質黏土來說，圓礫層及粉土層滲透性較好，有利于孔隙壓力的消散。與此同時，隨著管樁壓入深度的逐漸增加， 當超孔隙水壓力產生的應力超過土體的抗拉強度時，土體隨之很產生開裂，從而產生滲流通道，超孔隙水壓力因此可以迅速消散，土體裂縫會慢慢閉合，孔壓也隨之消散，從而進入一個相對穩定的狀態。

由此可見，管樁承載力下降的主要原因是由于樁身上浮所引起，但是不能排除樁底持力層遇水發生疏松和涌樁等原因。

4 施工控制措施與效果

4.1 施工控制措施

鑒于以上原因分析，昆明地鐵石咀車輛段及綜合基地靜壓樁沉樁過程中采取了以下施工控制措施。

(1)合理選擇施工方法及順序。以本工程運用庫承臺預應力混凝土管樁施工為例，由于庫內群樁施工較密集，且庫內多為三樁、四樁承臺，距離兩側股道管樁樁位較近，為減少樁體上浮影響，施工過程中應從中心承臺開始，按照梅花形進行跳打，相鄰承臺管樁施工時，至少間隔8 d以上，以最大程度地減少相互影響，確保樁體周圍土壤顆粒應力消散。承臺施工時，考慮樁周土體受到徑向擠壓和豎向剪切作用，樁頂標高達到設計值時繼續向下增加2 cm，且適當增加壓樁終壓力。

(2)以本工程運用庫為例，在每股道床基礎之間沿著軌道方向沒間隔15 m設置應力釋放孔，使超孔隙壓力水和土體變形盡快得到充分消散。

(3)管樁施工時，要做相關的測量工作，尤其是對管樁頂標高的測量。施工完成后及時對已完管樁樁頂標高進行復測，發現浮樁現象時，馬上采取相應措施。

4.2 控制效果

4.2.1 樁身完整性檢測結果統計

昆明地鐵3號線工程石咀車輛段與綜合地基主要采用PHC預應力管樁基礎，設計樁徑500 mm，樁長大于15 m。本工程樁身完整性檢測主要采用低應變法，根據設計要求及樁基檢測規范要求，低應變檢測樁共659根, 通過實測資料進行分析，判定樁身完整性(圖8)。其中Ⅰ類樁653根，占99.1%,Ⅱ類樁6根，占檢測樁的0.9%。檢測結果匯總見表3。

表3 低應變反射波法檢測結果

圖8 E424號樁低應變樁身完整性檢測圖

4.2.2 單樁極限承載力的確定

本工程樁單樁豎向抗壓靜載荷試驗結果，30根預應力管樁的單樁承載力特征值均為640 kN，滿足設計要求。管樁在堆載1 280 kN時，Q～s曲線未出現明顯陡降，且累計沉降量均小于40 mm，按規范規定，取最大加載值為單樁豎向抗壓極限承載力，30根預應力管樁單樁豎向抗壓極限承載力的50 %為單樁豎向抗壓承載力特征值，均滿足設計要求單樁承載力要求(圖9)。

圖9 E424號樁單樁靜載試驗綜合圖

低應變法、單豎向抗壓靜載荷試驗結果表明，昆明地鐵3號線工程石咀車輛段與綜合地基運用庫工程樁的施工質量合格。

5 結論

(1)石咀車輛段及綜合基地樁承載力下降的主要原因是由于樁身上浮所引起，但不排除樁底持力層遇水發生疏松和涌樁等原因。

(2)沉樁過程中，應根據工程實際情況設置應力釋放孔，并合理選擇施工方法及施工順序，應盡量從中間向四周擴散進行打樁，對于相鄰間距較小的管樁，建議采取跳打的方式進施工。

[1] 樁基工程手冊編委會. 樁基工程手冊[M]. 北京:中國建筑工業出版社, 1995: 491-495.

[2] 陳文, 施建勇, 龔友平, 等. 飽和粘土中靜壓樁沉樁機理及擠土效應研究綜述[J]. 水利水電科技進展, 1999, 6(3): 38-44.

[3] 沈鳳友，姜鋒. 靜壓樁擠土效應研究綜述[J]. 江蘇建筑, 2006(3): 52-55.

[4] Mayerhof G. The ultimate bearing capacity of wedge shaped foundations. In :Caquo Aed .Proc 5th ICSMFE. Paris:Dunod Press, 1961: 105-109.

[5] Koumoto T, Kaku K. Three dimensional analysis of static cone penetration into clay. In: Verruijt A, etal, eds, Proc 2nd Europe Symp Penetration Test. Amsterdam: Netherland Press, 1982: 635-640

[6] 羅戰友. 靜壓樁擠土效應及施工措施研究[D]. 浙江大學, 2004.

TU753.3

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[定稿日期]2016-12-15