深厚淤泥地層中預應力管樁偏斜機制分析及預防處理技術

趙永強，王之宇，張 磊，陳保國

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

0 前言

預應力混凝土管樁具有抗壓強度高、污染少、施工方便等優點，被廣泛地應用于各類構造物、建筑物基礎中[1-2]，但預應力管樁抗側彎能力較弱，稍有不慎便發生傾斜，甚至出現裂縫斷裂[3-4]，導致管樁承載力效果大幅降低.

有專家針對管樁偏斜所帶來的工程問題及解決方案進行了深入研究與探討.方延強等[5]針對施工中預應力管樁偏斜受損程度的不同，分別提出了相關糾偏止損方案.朱李敏等[6]針對深厚軟土地區偏斜管樁承載力進行試驗分析，考慮預應力管樁的偏斜角度、淤泥質土深度及厚度、管樁直徑等對豎向承載力的影響.徐江等[7]進行了大口徑鋼管偏斜樁豎向承載特性現場試驗研究.傅建舟[8]結合實際管樁工程案例，研究了預應力管樁的糾偏以及補強的原理，提出了預應力管樁的施工質量控制辦法.

本文以深圳市固戍水質凈化廠二期工程為背景，通過數值分析方法研究了開挖方式、堆土荷載、機械荷載三方面因素對管樁偏斜的影響機制，并在此基礎上提出了四種控制措施，通過數值模擬分析對前兩種控制措施的有效性進行了驗證，力爭為類似工程提供一定經驗參考.

1 工程問題分析

固戍水質凈化廠二期工程位于寶安區西鄉街道現狀固戍水質凈化廠一期項目用地以西，位于填海造陸區域，上覆第四系土層主要為人工填土層，全新統沖洪積層，下伏基巖主要為加里東期混合花崗巖.從上至下各土層劃分如表1所示，各土層厚度由上至下依次為2.5 m、5 m、4 m、4 m、3 m、10 m.

由于施工場地位于填海區軟弱土，不滿足地基承載力要求，設計采用靜壓管樁進行加固.管樁采用PHC樁，外徑400 mm，壁厚95 mm，樁長16 m.

在靜壓樁施工完畢，基坑開挖初期，進行試驗開挖，發現部分管樁出現了偏斜，一度超過了規范值.后經勘察論證，判定管樁偏斜原因可能與基坑開挖方式、堆土方式、機械位置等有關.由于場地土強度較低，存在著較為深厚淤泥土層，各種不當的挖土方式、施工荷載均可能造成土體側向位移，進而影響土體中管樁發生偏斜.本文通過模擬驗證上述因素對管樁偏斜影響機制與程度，提出石灰樁加固、分層開挖、禁止施工荷載擾動等技術措施控制管樁偏斜，對比分析處理措施效果.

表1 物理力學參數

2 數值建模

采用數值分析軟件Midas GTS建立二維數值分析模型，模型長65 m，高28.5 m，基坑開挖深度5.7 m，土體采用摩爾庫倫本構模型、平面應變單元模擬，基坑圍護樁及坑內管樁采用彈性模型、梁單元模擬，圍護樁與管樁均為PHC樁，樁間距2.3 m，直徑400 mm，壁厚95 mm，長度16 m，樁頂標高位于地下1m處.模型底面約束水平和豎向位移，側面約束水平位移，模型上表面為自由邊界(如圖1、圖3、圖5).主要物理、力學參數見表1.

3 管樁偏斜機制

主要分析開挖方式、堆土荷載、機械荷載單一因素對管樁偏斜的影響程度及大小.模擬工況如表2所示.第一次開挖2.5 m至填土層底面，第二次在淤泥層一次性局部不均勻開挖深度3 m，同時考慮開挖臨空面附近堆土與機械荷載等影響因素.

表2 數值計算工況

3.1 開挖方式

由于該施工場地位于填海區軟弱土地帶，表層為素填土，其下為較深厚的淤泥土層.淤泥土體松散、欠固結、含水量高、靈敏度高，基坑開挖前靜壓樁及圍護樁的施工使淤泥土受到擾動，其強度會明顯下降.初期施工時使用大型機械一次性開挖較大深度，未能嚴格按照分層均勻開挖.管樁兩側承受不對等荷載.不均勻開挖深度越深時，開挖臨空面高差越大，兩邊荷載差越大，受卸載作用，淤泥層會加速向臨空面位移，擠壓管樁產生位移.

圖1 不均勻開挖模型

模擬淤泥層一次性開挖3 m深度，如圖1所示.管樁最大水平位移沿樁身變化如圖2所示.可知，當一次性開挖深度過大(3 m)，且臨空面坡度較陡時，管樁樁頂最大水平位移達到87.9 mm，不均勻開挖引起的管樁偏斜主要發生在樁頂以下12 m深度范圍內，且管樁水平位移隨著深度的增大逐漸減小，到樁身下部偏移量已接近0.

圖2 管樁最大位移曲線

3.2 堆土荷載

初期試驗開挖時，基坑開挖出的土體直接堆在坑壁附近一段時間，未及時轉運走.堆土會在坑壁附近產生直接豎向荷載，加劇開挖臨空面邊坡不穩定性.淤泥土處于流塑狀，直接致使淤泥土向臨空面方向擠出，造成管樁偏斜.

保持開挖深度3 m，在坑壁附近設置5 m寬、2 m高堆土.由圖4可知，管樁水平位移同樣隨著深度的增大逐漸減小，管樁發生偏斜的范圍主要集中在樁頂以下13 m深度范圍內.堆土荷載下管樁最大水平位移為103 mm，相較于無堆土條件下樁頂最大位移增加15.1 mm，增大了17.2%.

圖3 堆土荷載影響模型

圖4 管樁最大位移曲線

3.3 機械荷載

大型開挖機械其自重較大，同時開挖土體時還會產生一個反作用力.當開挖設備距離開挖臨空面距離非常近時，其勢必會對坑壁附近土體形成一個極大的豎向荷載，類似于堆土荷載，但遠比其大得多，對坑內臨時邊坡的穩定性造成重大不利影響，導致土體側向位移，管樁偏斜甚至機械設備沉陷.

圖5 機械荷載影響模型

保持開挖深度3 m，模擬坑壁附近施加機械荷載50 KPa，作用寬度3.6 m.由圖6可知，管樁水平位移隨著深度的增大逐漸減小，管樁發生偏斜的影響范圍主要集中在樁頂以下深度9 m內.管樁最大水平位移位于頂部，為218.6 mm，相較于未施加機械荷載時最大位移增加130.7 mm，增大了148.7%，增長幅值較大.

圖6 管樁最大位移曲線

4 控制處理措施

在試驗開挖初期發現坑內局部管樁偏斜過大后，結合現場地質條件、周邊環境，提出了石灰樁加固、分層分區均勻開挖、開挖面附近禁止施工荷載、補樁等多重措施解決管樁偏斜的難題.以簡單高效的方式迅速從根本上解決問題，有效控制開挖臨空面邊坡穩定性以及管樁偏斜，避免了工期延誤.

4.1 石灰樁加固

石灰樁加固主要指對流塑性較強的淤泥層采用石灰樁進行預處理，通過生石灰與水發生化學反應，達到快速降低淤泥層含水率，提高土體強度和側向剛度的目的.軟土地層中基坑開挖引起管樁偏斜的原因主要是由于土體側向位移較大，通過石灰樁固化土體的方式提高土體的強度，增大承載能力，在管樁上部形成一個硬殼層，限制其水平變形，從根本上較大程度地控制了管樁偏斜.

模擬對開挖深度內3 m淤泥層范圍進行石灰樁加固.加固后等效土體參數為E=20 MPa，μ=0.3，γ=19.5 kN/m3，c=32 kPa，內摩擦角36°.

如圖7所示，保持開挖深度3 m與堆土荷載條件相同，未做加固時樁頂最大水平位移103 mm，加固后最大位移28 mm，減小了75 mm，同比降低72.8%.樁頂以下8 m深度內加固前后位移差異較大，8 m深度以下基本無差異.

圖7 管樁最大位移曲線

保持開挖深度3 m與機械荷載條件相同，進行未加固與加固成效對比.如圖8所示，加固后的管樁最大水平位移變化規律與無加固措施變化規律一致，但采用加固后的位移值小于無加固措施，樁頂最大位移值減小了約86.9%.結果表明，對管樁樁頂下淤泥層進行石灰樁加固的方案可抑制管樁發生水平位移，是較為有效的加固方案.

圖8 管樁最大位移曲線

4.2 分層放坡開挖

上文提到，軟土地層中一次性開挖較大深度且坡面較陡時會加劇土體側向位移致使管樁偏斜.于是通過改進土體開挖方式同樣可以控制管樁偏斜.遵循“分層、分區、放坡、留土”施工原則，分層是根據不同土層性質確定不同分層開挖厚度，填土層分層開挖深度不超過2m，淤泥層分層深度不超過1m；分區是根據不同建筑物基面高程不同分成不同開挖區；放坡同樣隨土層性質不同而調整，填土層開挖坡度可定為1∶2，淤泥層坡度需大幅放緩，接近1∶10；留土即由基坑中間向四周開挖，基坑圍護結構附近預留一定距離反壓土，減小基坑側壁位移對坑內管樁影響.

圖9 分層均勻開挖模型

圖10 管樁偏斜位移曲線

模擬在淤泥地層中單層開挖1 m，如圖9所示.由圖10對比可知，未分層下管樁最大水平位移87.9 mm，分層放坡條件下該值為23.8 mm，減小了72.9%.結果表明，分區分層放坡開挖的挖土方案可抑制管樁水平位移，是可行的控制措施.

4.3 禁止施工荷載

對于開挖掌子面附近存在堆土與機械設備荷載造成管樁偏斜較大的問題，采取更新挖土設備與土體運輸車位置解決 ，即通過調用長達29 m長臂反鏟挖機進行淤泥層挖土作業，保持開挖設備距離開挖臨空面距離不少于20 m，同時裝土運輸車輛停在開挖面30 m距離以外，盡最大可能減小施工荷載對管樁偏斜的影響程度.

4.4 補樁

對于樁身已發生嚴重偏斜甚至斷裂的管樁，優先考慮進行補樁.

4.5 其他措施

基坑開挖區域內布置網格化排水系統，施工過程中通過網格排水和晾曬的方法提高淺層地基承載力，通過提高土體強度以間接限制管樁水平位移.

5 小結

1)基坑開挖方式、堆土荷載、機械荷載均會造成管樁偏斜增加，其中機械荷載影響因素權重最大，相較于未施加機械荷載時管樁最大位移增大了148.7%.

2)采用石灰樁加固可有效抑制管樁偏斜，在堆土和機械荷載單一條件影響下樁頂最大位移分別減小72.8%、86.9%；采用分層均勻放坡開挖比局部一次性開挖3 m可減小樁頂最大位移64.1 mm，約72.9%.

3)使用長臂反鏟機以實現開挖掌子面附近無施工荷載擾動，設置網格化排水和晾曬提高土體強度，通過簡單高效的技術手段實現對管樁偏斜的控制.