上海軟土地區旋轉靜壓鋼管樁試驗施工及對地表沉降的影響分析

付 偉

上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200065

1 基坑圍護施工工藝簡介

上海傳統的基坑圍護施工工藝主要有：鉆孔灌注樁＋高壓旋噴樁止水帷幕、沉井施工工藝、地下連續墻施工＋旋噴樁止水、SMW工法樁等。對于周邊建筑物及環境影響敏感的地區，上述工藝無法滿足基坑工程的要求。

為解決上述難題，引進了旋轉靜壓鋼管樁工法，該工藝是通過靜壓植入樁的壓樁機構以已完成的管樁與土體的摩擦力和反力架提供的反作用力而將樁壓入土中的沉樁工藝[1]。由于這種方法具有無噪聲、無振動、無沖擊力、無污染、施工設備小、圍護止水性能好、施工工期短等優點，可適用于各種不同的地質和環境工況條件，尤其是在河堤上、近距離保護樁、復雜地層及低凈空等情況下具有非常大的推廣價值和應用前景。

2 旋轉靜壓鋼管樁工藝介紹

靜壓植樁機采用的是通過夾住數根已經壓入地面的樁（完成樁），將其拔出阻力作為反力，利用靜載荷將下一根樁壓入地面的壓入機理（圖1）。日本技研制作所研發的靜壓植樁機在全球首次成功地將該原理付諸實用。利用與地球成為一體化的反力，實現了小型化機器同樣可以發揮強大能力的目的。

靜壓植樁機是一種自走液壓式壓拔樁機，無振動、無噪聲，機體輕小，易于在狹窄地段或超低空間地段施工，廣泛適用于各類復雜環境的預制樁施工。在水刀或螺旋鉆的輔助下，更能適用于多種地質條件。

圖1 靜壓植樁機的壓入機理

靜壓植樁機在第1、2、3根施工時，因沒有完成樁，需通過反作用基座提供反力，將鋼管樁施工完成。反作用基座主要通過鋼板樁或者使用配重提供反力。

3 試驗施工概況

3.1 試驗鋼管樁工程簡述

靜壓樁植入樁施工包括旋轉壓入和靜壓植入2種，減阻系統主要包括水刀、水潤滑系統，本次使用水潤滑旋轉壓入施工，共計試驗施工4根鋼管樁，鋼管樁外徑1 m，壁厚14 mm，樁間距1 200 mm，第1根樁長6 m，第2根樁長10 m，第3根樁長10 m，第4根樁長36 m。

3.2 試驗鋼管樁樁長設計

國外工程中，鋼管樁初期壓入時，通常利用已實施的鋼板樁提供反力，本次試驗優化了該工藝，通過漸進式的鋼管樁長設計，逐步提供最大反作用力。

根據JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》，當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標準值時，可按式（1）計算：

式中：Quk——單樁豎向極限承載力特征值；

Qsk——單樁總極限側阻力特征值；Qpk——單樁總極限端阻力特征值；qsik——樁側第i層土極限側阻力標準值；

qsk——樁極限端阻力標準值；

u——樁身周長；

λp——樁端土塞效應系數；

Ap——樁端面積；

li——樁穿越第i層土的厚度；

hb——樁端進入持力層深度。

當hb/d（d為鋼管樁外徑）＜5時，λp=0.16hb/d；

當hb/d≥5時，λp=0.8。

反作用基座配重：

式中：W1——反作用力基座配重，取2.0的安全系數；

Q′uk——施工樁樁側摩阻力；

W2——設備自重；

Q′uki——已成型樁樁側摩阻力。

通過上述公式可計算出不適用潤滑系統下，需要反作用力基座提供配重及確定試驗施工樁長。

根據地質勘察報告，通過計算確定試驗樁各樁長，不考慮水潤滑系統減阻效果。第1根試驗樁長6 m，反作用力基座需要配重27.8 t；第2根樁長10 m，反作用基座需要配重20 t。第3根施工樁長10 m，反作用基座需要提供20 t；前3根已完成的鋼管樁提供的總反力已遠遠大于設備自身的最大靜壓力（200 t），第4根最大施工長度設定為36 m。

4 施工流程

場地平整、硬化→定位放線→溝槽開挖→鋼管樁運至現場→鋼管樁起吊初定→設置反力配重（或者鋼板樁施工）→鋼管樁設備安裝→實施規定數量的壓入作業→撤除反力配重→完成初期壓入→植樁機自走前移→夾持已植入樁→鋼管樁起吊初定→沉樁至指定標高

5 鋼管樁分段焊接

5.1 焊接工藝方法

鋼管樁接樁采用環向直焊縫全焊透連接，焊接坡口45°。焊接材料與母材等強。焊接時兩人對稱施焊，并采取措施減小焊接變形，接樁焊接前應先確認樁頂是否損壞或變形，如變形應進行修復。坡口上的浮銹及污物應清除干凈，接樁時上下節樁段保持對直。

正確掌握焊接電流和施焊速度，焊接厚度應均勻，根部間斷焊縫，手工焊為6～8 mm，半自動焊為4～5 mm。本次鋼管樁焊接分3層進行，焊接時間控制不短于20 min。焊縫冷卻控制采用紅外線探測儀，焊接接頭自然冷卻后才可繼續沉樁。

5.2 焊接質量控制要求

1）本工程所采用的鋼管樁應滿足SY/T 5040—2012《樁用焊接鋼管》相關技術要求的直縫管或螺旋焊管。當焊管接長時，對接縫兩側的縱向接縫應錯開150 cm以上。

2）管節對接時，采用帶內襯環的V形坡口單面焊。上節樁的坡口角度采用45°，下節樁不開坡口。封底焊時宜用小直徑的焊條或焊絲施焊。每層焊縫焊完后應清除熔渣并進行外觀檢查，如有缺陷應及時鏟除。

3）鋼管樁接樁焊接采用帶內襯環的V形坡口單面焊，采用多層焊，焊接質量等級不低于二級。為減少變形和內應力，管節對口焊接時宜對稱施焊。

4）焊接完成后，所有拼裝輔助裝置、殘留的焊瘤和熔渣需清理干凈。

5）所有焊縫均需進行外觀檢查。焊縫金屬緊密、焊道均勻，焊縫金屬與母材過渡平順，不得有裂縫、未融合、未焊透、焊瘤和燒穿等缺陷。

第1根鋼管樁施工完成后，以同樣的方法施工第2根鋼管樁。

6 鋼管樁壓入施工對周邊土體擾動監測

在本次施工時，在36 m樁兩側布置沉降監測點5個，距離分別為：距離樁中心2.5、4.5 m兩側各2個，共4個；8 m單側1個（圖2）。

圖2 施工現場沉降觀測點布置

5個深層垂直位移監測點布設時穿透現有路面結構硬殼層，沉降標桿采用φ25 mm螺紋鋼標桿，螺紋鋼標桿深入原狀土60 cm以上，沉降標桿外側采用內徑大于13 cm的金屬套管保護。保護套管內的螺紋鋼標桿間隙用黃砂回填。金屬套管頂部設置管蓋，管蓋安裝須穩固，與原地面齊平；為確保測量精度，螺紋鋼標桿頂部應在管蓋下20 cm。完成沉降及水平位移測點的埋設后，在測點附近的硬質地坪上用紅色油漆進行標識，如標識位置距測點有一定距離，應在標識處同時標識出距測點的方向和距離。對于地面下埋設的測點，應采用具有一定強度和剛度的保護蓋進行保護，為防止蓋子孔隙長期在施工場地裸露堵塞，應定期清理垃圾，確保其有一定的自由度。

由監測數據（圖3）可得出，在F401靜壓植入鋼管樁施工期間，周邊土體最大變化為下沉5 mm且無明顯沉降或隆起趨勢，考慮到測量誤差，得出鋼管樁施工對周邊土體擾動小的結論，可在沉降要求高的市區內或建筑物密集等區域內施工。

7 地層適應性

鋼管樁通過靜壓旋轉切削的方式成樁，在鋼管樁底部配置刀頭，鋼管樁內壁配置水刀，可很好地適應各類地層。上海土質強度低，所以成樁速度較快（1 m/min），且不會有擠土效應，對周邊環境變形控制較好。

圖3 地面沉降變化曲線

8 結語

靜壓植樁機是依靠已經完成的鋼管樁作為反力來施工后續鋼管樁，設備較小，與目前上海地區常用的圍護施工工藝（鉆孔樁、攪拌樁、地下連續墻等）有較大區別，它能實現無擾動的成樁，且現場無噪聲、無振動、無污染、施工工期短。該設備可拔除鋼管樁，實現資源綜合利用，為后續F401靜壓植入鋼管樁在國內的推廣起到推動作用。