大面積靜壓群樁對鄰近場地擠土變形影響試驗研究

李雙龍，魏麗敏,2，杜 猛，廖鵬慶，何 群,2

（1.中南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410075；2.中南大學 高速鐵路建造技術國家工程實驗室,湖南 長沙 410075）

盡管預制樁在基礎工程中已經得到廣泛應用,但預制樁成樁過程會引發鄰近土體產生擠土變形及超孔隙水壓［1-3］,進而導致已成樁的樁體上浮、偏移［4］,嚴重時引發鄰近建筑物產生裂縫［5］及鄰近管道變形［6］等工程問題,仍需進一步研究。

室內及現場試驗是揭示成樁過程對鄰近土體擠土擾動影響的直觀研究手段。Housel 等［7］首次報道了對直徑0.356 m、樁長24 m的預制混凝土單樁成樁過程的監測成果,發現樁周較近位置土體發生明顯變形,而距樁軸線2d（d為樁徑）位置的測點只受輕微影響；Hwang［4］等對3 根預制混凝土樁（d=0.8 m）的打樁過程進行研究,在距樁軸線3d的測點徑向位移最大值為29 mm,而在距離為9d的測點變形很小；Pestana［8］監測了單根鋼管樁（外徑0.61 m,樁長36.6 m）打樁過程中不同深度土體橫向水平位移,各測點的橫向位移分布與Vesic 圓孔擴張理論解［9］擬合較好。國內學者李富榮［10］、徐建平［11］等通過室內試驗研究了單樁與排樁成樁過程對鄰近土體的擠土變形,獲得了擠土變形發展的定性規律；邢皓楓等［12］監測了13根預制管樁（d=0.6 m,樁長40 m）錘擊施工引發的擠土位移,發現在距群樁邊界距離16d測點的徑向水平位移最大值達到15 mm；雷華陽等［13］進行了單根PHC樁沉樁現場試驗,監測數據表明在0.2～0.4倍樁長處土體水平位移較大。以上研究大多集中在單樁或樁數較少的群樁成樁過程,而引發鄰近建（構）筑出現不利狀況往往是由大面積群樁施工條件下擠土位移累計所致［14］。目前針對大面積群樁施工造成的擠土變形發展規律和擠土影響范圍等方面的研究都少有報道,有待進一步深入研究。

隨著高速鐵路建設的快速發展,鐵路線網不斷加密使新建線與既有線交叉、并行及引入接軌等情況將會越來越多。由于高速鐵路無砟軌道路基對變形控制極為嚴格,在鄰近既有高速鐵路的新建線路基地基區域進行大面積群樁施工,其成樁過程引發的擠土擾動必然影響既有路基的工作性狀［15］。本文依托魯南高鐵曲阜東站并軌段路基工程,開展大面積預應力管樁群樁成樁現場試驗,建立高精度全自動化監測及數據采集系統,對成樁過程鄰近場地的地基土深層水平位移、地表水平和豎向位移及孔隙水壓力變化進行實時監測,研究大面積群樁成樁對鄰近場地土體變形擾動影響,為新建線地基群樁加固的方案設計與施工組織提供指導。

1 工程背景

魯南高鐵是中國首例在既有線正常行車情況下進行聯絡線路基施工的線路。新建魯南高鐵曲阜東站采用高鐵上、下聯絡線與京滬高鐵進行接軌,如圖1所示,因此需要將京滬路基拓寬以滿足接軌要求,相應地要在路基拓寬區域采用樁基對新建聯絡線地基進行加固,如圖2所示。然而在新建線地基大面積群樁施工可能引發鄰近路基的擠土擾動,進而給京滬高鐵的運營帶來不利影響。因此,開展群樁成樁試驗對了解大面積群樁成樁對鄰近路基的擠土擾動影響至關重要。

試驗區位于新建魯南高鐵正線東側的擬建綜合維修車間整體式道床復合地基加固范圍內,其場地位置參見圖1。試驗場地所在區域屬沖洪積平原地貌,地勢平坦。表1給出了試驗區地層分布及土層基本力學參數。地下水位埋深11.2～13.5 m,受大氣降水補給,水位變化幅度1～2 m。

圖1 曲阜東站線路平面布置

圖2 并軌段路基典型橫剖面

表1 試驗區地層分布

選取預應力管樁（以下簡稱管樁）進行試驗,為了弱化管樁對鄰近場地的擠土擾動影響,設計以微型注漿鋼管樁（以下簡稱微型樁）為隔離樁的試驗方案,2種樁型截面形狀尺寸如圖3所示。

圖3 2種樁型截面尺寸

2 試驗設計

2.1 試驗區規劃

試驗總體規劃4 個區,如圖4所示。試驗I 區及III區在管樁壓樁以前分別先進行5排和8排微型樁施工以考察微型樁對管樁擠土擾動的隔離效果。試驗II 區管樁及試驗IV 區前5 排管樁分別采用引孔15 m、引孔20 m 成樁工藝進行靜壓以考察引孔工藝對擠土變形的弱化效應,引孔直徑0.3 m。各區每排管樁14 根,每排微型樁56 根。采用山河智能ZYJ680 液壓壓樁機對管樁進行靜壓施工,管樁樁長30 m,分3 段壓入土中；采用XY-2 型微型鉆孔機進行微型樁鉆孔施工。各區成樁順序見圖4（c）中的箭頭方向。

圖4 試驗區成樁施工布置

2.2 監測布置

建立圖5所示高精度全自動化監測及數據采集系統,對成樁過程鄰近土體的地表位移、深層水平位移及孔隙水壓力變化進行實時監測。采用Leica Nova TS-60 對地表位移進行監測,每15 min 自動觀測1次,精度1.5 mm；采用DCM 自動全向傳感水平位移計監測深層土體水平位移,每15 min 自動觀測1 次,精度1.5 mm；采用JMZX-5506HAT弦式滲壓計監測孔隙水壓力變化,每1 h 自動觀測1 次,精度1 kPa。利用數據無線收發模塊,通過通訊網絡實現終端數據自動采集與分析。

在4 個試驗區的中線位置布設A,B,C 和D共4 個監測斷面,如圖6所示。每個監測斷面設置8個地表位移測點,各測點距離試驗區邊界距離依次為1.0,5.0,8.0,11.3,16.3,20.0,35.5和60.0 m,對應編號為s-1—s-8。在距試驗區邊界1.0 m 及5.0 m 處,設置2 個深層水平位移測孔,孔深30 m,對應編號為d-1和d-2。圖6中x,y分別表示橫向和縱向水平位移方向。每個斷面設置10個孔隙水壓力測點,布置于地表位移監測點的正下方。然而現場成樁過程中,因地下水位處于粗砂層,加上引孔工藝等因素導致超孔壓消散過快,孔壓計并未測到明顯的超孔隙水壓力,因此不對孔壓計的分布詳細描述,后文研究重點是對成樁過程各測點的擠土擾動變形展開分析。

圖5 高精度全自動化監測系統

圖6 測點平面布置

3 試驗結果及分析

3.1 土體橫向水平位移

圖7給出了成樁過程各試驗區d-1 測孔的橫向水平位移與土體埋深的關系曲線。d-2 測孔橫向水平位移曲線規律與d-1 測孔基本一致,只是數值有所相差,故不再給出。為了消除壓樁過程土體位移在時間上的滯后效應,圖中所提取的每條位移曲線為該排管樁施工完成后靜置2 h后的試驗數據。

圖7 深層土體橫向水平位移

從圖7可以看出：大面積成樁過程中,隨著成樁排數的增多,不同深度土體的橫向水平位移逐漸增大,其發展經歷快速、慢速及逐步穩定3 個階段。以試驗IV 區為例：在前7 排壓樁過程中,由于樁位與測點水平距離相對較近,擠土位移發展相對較快,增幅明顯；而在第8—第11 排壓樁過程中,樁位離測點距離逐漸增大,并且先壓入的樁體使前排土體整體剛度增大,對后壓入的樁體的擠土效應具有隔離作用,位移發展相對較慢,增幅較小；在第11排以后,受水平距離及隔離作用影響,測點已逐漸超出壓樁引起擠土變形的最大范圍,位移增量很小。

隨著埋深的增大,橫向水平位移總體上呈減小趨勢,最大位移發生在地表測點。值得注意的是,在深度約為12～19 m 土層之間,橫向水平位移出現增大趨勢,結合表1現場土層勘測資料,該深度分布有厚度5.3 m 的中密粗砂層,壓樁過程中樁端將粗砂層土體向樁側排擠,導致該層側向位移較其他層相對更大。

對比試驗IV區與試驗II區d-1測孔位移曲線可以進一步發現,試驗IV 區最大橫向水平位移為17.2 mm,比II區最大位移量11.7 mm 要大。相比IV 區,II區全部采用引孔15 m 壓樁,盡管IV 區前5 排采用引孔20 m 壓樁,但后9 排的無引孔成樁使土體擠土變形加快并超過II區,說明引孔工藝對擠土變形起到了較好的防控效果；相應地,從III 區和I 區位移曲線可知,試驗I 區最大橫向水平位移（13.2 mm）比III 區的（12.5 mm）要大,一方面是由于III區無引孔壓樁只有12排,而I區有13排,另一方面是由于III 區的8 排微型樁對管樁擠土變形的隔離效應要強于I區的5排微型樁。

有學者［16］根據C SAGASETA 匯—源理論［17］對單樁成樁引起的土體位移進行理論求解,假設土體為均質、各向同性,且將樁體的打入過程等價為球體注入土體過程,只考慮xz平面（x為距樁軸線距離,z為埋深）,則單樁成樁引起的土體徑向水平位移Sxs為

式中：d0為樁徑；L0為樁長。

并且認為群樁成樁引起的某點土體水平位移為每根單樁引起該點位移的線性疊加。盡管此求解公式無法考慮引孔對位移場的影響,但作為規律性探討,本文將實測位移曲線與理論值進行對比。計算時,先計算單根壓樁引起d-1 測孔的擠土位移量（每根樁位與d-1 測孔的水平距離不同）,然后對全部管樁壓樁引起的擠土位移量進行疊加。

圖8給出了試驗IV 區與II 區d-1 測孔的實測位移與理論值對比。

圖8 橫向水平位移實測值與理論值對比

由圖8可知,隨著埋深的增大,計算與實測橫向水平位移均呈減小趨勢,但二者在數值上偏差較大,理論最大值約為IV 區實測最大值的2 倍。其主要原因為：①引孔措施有效降低了IV 和II 區壓樁過程中的擠土變形量；②理論計算沒有考慮先壓入樁體對后壓入樁體的隔離作用以及樁周土體的壓縮性與擠密過程,導致計算位移量偏大。

從圖8還可看出,近樁端（埋深24～30 m）土體的橫向水平位移量減小幅度明顯增大。一方面,由于水平位移計工作原理及埋設長度的限制,樁端處實測位移量趨于0；另一方面,理論計算是根據球體體積與球體貫入土體時所排開土體體積相等的原則進行換算,沒有考慮樁端土體擠密過程與壓縮性,導致計算結果偏大,樁端計算位移量約為最大位移量的一半。

3.2 地表隆起

圖9分別給出了各區成樁過程地表豎向位移隨距離變化的歸一化（將地表豎向位移量Sz與水平距離r分別除以樁徑d）關系曲線。盡管s-8 測點（距樁軸線水平距離150d）基本不受壓樁擠土影響,但由于晝夜溫差的作用,該測點豎向位移仍在較小幅值內周期性波動。因此,為了消除溫差對其他測點的影響,以s-8 測點為基準點對其他測點位移進行溫度修正,即：將其他測點位移減去對應時刻s-8 測點位移,并將s-8 測點位移曲線設為Sz/d=0 mm。

從圖9可以看出：4 個試驗區在壓樁過程中,地表測點都出現了明顯隆起,并且隨著壓樁排數的增多,地表隆起逐漸增大,與橫向水平位移發展規律類似,經歷快速、慢速及逐步穩定3個階段。隨著測點與樁軸線水平距離的增大,地表隆起呈指數型衰減,這與文獻［18］中數值模擬結果曲線分布規律較為一致。4 個試驗區壓樁引起s-1 測點的最大隆起量為IV區0.005 2d,II 區0.006 2d,比III 區和I 區要大,主要原因在于III 區與I 區壓入管樁的數量要少于IV 區和II 區,并且III 區與I 區先施工的微型樁對后壓入的管樁有隔離作用。

從圖9中位移曲線分布特征,可確定本壓樁試驗地表豎向位移的橫向影響范圍約為30d。目前針對成樁引起的地表隆起變形試驗成果相對較少,且基本集中在較少樁數的研究,表2給出了本文成果與文獻成果的對比。由表2可知,相比少量樁數的成樁試驗,本文大面積群樁試驗地表隆起變形影響范圍要大得多,但由于預鉆引孔作用,地表隆起量相對較小,從圖9（c）位移曲線走勢來看,最大隆起量在0.006d～0.008d。由此可見,盡管壓樁數量較多,但引孔措施對控制地表隆起變形有顯著效果。

圖9 地表豎向位移

3.3 引孔對擠土變形的防控效果

預鉆引孔可以大幅度減少管樁壓入所要置換的土體體積,從而減少地表隆起及樁周土體徑向變形。有學者［19-20］采用理論分析及數值模擬方法對預鉆引孔措施防控擠土變形進行研究,但大面積群樁采用引孔措施防控擠土變形的試驗研究成果鮮有報道。本文采用了2 種深度引孔工藝進行試驗,可以定量地對比在該地質條件下2 種引孔深度的防擠效果。

試驗IV區前5排為引孔深度20 m壓樁,后9排為無引孔壓樁,試驗II 區14 排為引孔深度15 m 壓樁。圖10分別對比了試驗IV、II區成樁過程d-1和d-2測孔土體橫向水平位移發展情況。

由圖10可知：前5 排壓樁完成時,IV 區在d-1測孔位置水平位移整體上與II 區持平,而d-2 測孔測試結果對比發現,II區橫向水平位移量顯著大于IV 區,其最大值約為IV 區的1.4 倍,說明引孔深度20 m的防擠效果比引孔深度15 m更強。

至壓樁全部完成,試驗IV區后9排的無引孔壓樁使得在d-1 及d-2 測孔的水平位移超過II區（后9排采用引孔深度15 m壓樁）。提取2個區由后9排壓樁引起的地表水平位移量ΔSi（i=I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ）,在d-1 測孔中：試驗IV 區ΔSIV=10.0 mm,試驗II 區ΔSII=3.8 mm；而在d-2 測孔中,試驗IV 區ΔSIV=9.6 mm,試驗II 區ΔSII=3.5 mm,可知試驗IV 區后9排無引孔壓樁引發的地表橫向水平位移量約為II區后9排引孔15 m壓樁引發位移量的3倍。

綜上,在本試驗土層條件下,引孔15 m 及引孔20 m 措施對橫向水平擠土變形的防控效果顯著,且引孔20 m的防擠效果強于引孔15 m。

3.4 橫向水平擾動影響范圍

壓樁過程引發鄰近土體變形的影響范圍是學者們重點關注問題［12-13,21］,影響范圍的確定對于指導鄰近建（構）筑物采取合理防控措施具有重要作用。本文3.2 節中已對壓樁引起的地表隆起影響范圍進行確定,以下結合實際工程要求,以地表橫向水平位移量1.5 mm 作為控制值,探討各試樁區成樁過程中橫向水平擾動影響范圍。

圖11給出了各區地表橫向水平擾動影響范圍隨成樁進程的變化情況。由圖11可知,隨著成樁排數的增多,最大影響范圍呈階梯式增大（主要是因為本文測點數量有限,僅通過測點距離判斷最大影響范圍）,試驗IV 區和II區相比III 區和I區率先達到最大影響范圍,成樁完成時,4 個區成樁引起鄰近土體的橫向水平擾動影響范圍都在35.5 m 左右,約為樁徑的88 倍。針對該試驗依托工程,若高鐵上、下聯絡線地基采用與試驗等寬度范圍的靜壓群樁施工方案,既有京滬高鐵路基地基都在擠土影響范圍內,考慮到京滬高鐵地基已采用CFG 樁加固,擠土變形量將會比試驗值有所減小,但減小程度有待進一步研究。

表2 地表隆起位移對比

圖10 試驗IV區及II區壓樁過程橫向水平位移對比

3.5 位移發展與成樁進度的相關性

圖11 各區最大影響范圍對比

下面以IV 區及II 區地表測點的橫向水平位移為依據,定量剖析群樁成樁引起的地表位移與成樁進度的相關性。圖12給出了2 個試驗區在地表8個測點的累計橫向水平位移百分比與成樁進度的關系曲線。累計橫向水平位移百分比定義為：該排樁完成時所引起的累計位移量占該區壓樁完成時總位移量的百分比,表征該排壓樁引起的累計位移量對最大位移量的貢獻值,圖中部分測點超過100%是由于達到最大位移后隨著壓樁繼續位移出現回彈所致。由圖12可知,各測點的累計位移百分比隨著壓樁排數的增多逐漸增大,并趨于100%。II 區在前5 排壓樁過程中,位移百分比增幅較大；第5 排以后增幅逐漸放緩；至第10 排完成時,累計位移百分比接近100%,表明壓樁擠土變形接近最大值,后續壓樁對測點變形影響很小。與II 區不同,IV區在第5排壓樁完成后累計位移百分比增幅逐漸放緩,但在第6～7 排壓樁過程中增幅重新增大,主要原因在于IV 區第6 排開始采用無引孔壓樁,擠土效應更加明顯。至第11 排壓樁完成時,擠土變形位移基本已發展完成。

圖12 地表8個測點累計位移百分比與成樁進度關系

圖13給出了2 個試驗區在地表8個測點的單排壓樁新增位移量與成樁進度的關系曲線。可以看出,隨著壓樁排數的增多,單排壓樁新增位移量呈先增大后減小趨勢,試驗II 區前5 排的新增位移量明顯大于其后各排壓樁的新增位移量,說明前5排壓樁對擠土變形的發展影響更大；而在IV 區中,單排壓樁新增最大位移量發生在第6～7 排,間接說明第6～7 排的無引孔壓樁對擠土變形的影響更為顯著。

圖13 單排壓樁新增位移量與成樁進度關系

4 結 論

（1）大面積靜壓群樁成樁過程中,隨著成樁排數的增多,不同深度土體的橫向水平累計位移逐漸增大,位移發展經歷快速、慢速及逐步穩定3個階段；橫向水平位移沿深度總體上呈減小趨勢,其分布與土層性質有關。現場實測位移曲線沿深度分布與C SAGASETA 匯—源理論解較為一致,但由于理論解不能考慮預引孔以及先壓入樁對后壓樁擠土效應的隔離作用,結果偏大。

（2）大面積靜壓群樁將引起明顯的地表隆起,隨著壓樁排數的增多,隆起值逐漸增大并趨于穩定,隨著測點與樁軸線水平距離的增大,地表隆起呈指數型衰減。相比樁數較少的成樁過程,本次壓樁試驗地表豎向位移的橫向影響范圍要大得多,最大影響范圍約為30d；但受引孔措施的影響,最大隆起量更小,僅為0.006d～0.008d。

（3）在本試驗條件下,先成樁的微型樁對后壓入的管樁具有隔離作用,微型樁加固范圍越寬,其隔離作用越強；引孔15 m 及引孔20 m 措施對擠土變形的防控效果顯著,引孔20 m 的防擠效果強于引孔15 m。

（4）隨著成樁排數的增多,擠土擾動影響范圍逐漸增大,并趨近于定值；橫向擠土影響范圍大于豎向隆起影響范圍。本試驗條件下,橫向變形最大影響范圍約88d。

（5）擠土位移發展與成樁進度存在非線性相關性。隨著壓樁排數的增多,單排壓樁新增位移量呈先增大后減小趨勢；當壓樁排數到達一定數量時,擠土變形趨于定值,后續再壓樁引起的擠土變形可忽略不計。