預應力混凝土竹節樁沉樁施工對周邊建筑物的影響分析

盧玉華 朱兵見 陶海冰 單華峰

1. 方遠建設集團股份有限公司 浙江 臺州 318000；2. 臺州學院建筑工程學院 浙江 臺州 318000

在軟土地區建造高速鐵路時的地基處理方法主要有置換法、排水固結法、復合地基法、特殊結構法[1]。置換法適合處理淺層軟弱地基，在深厚軟黏土地區不適用。排水固結法處理深度一般為20～30 m，存在預壓排水處理效果的不確定性和次固結沉降變形的影響。研究發現沿海鐵路海相軟土，次固結變形可占主固結沉降的10%以上[2]。

復合地基由增強體和土共同受力，加固深度受到豎向增強樁體材料影響。近年來，“樁-樁帽-加筋墊層”復合結構、預應力混凝土管樁樁筏整體結構等形式應用廣泛，尤其是在深厚第四系軟黏土高填方路基的地基處理中。這些結構形式均由樁體承擔絕大部分路堤荷載，以充分發揮樁身強度高的優勢和特點[1-3]。預應力混凝土竹節樁（以下簡稱“竹節樁”）表面設置了橫向和縱向肋，不僅可以提高樁基承載力，而且大大提高了施工效率，保證樁基施工質量，近年來在浙江東南沿海得到廣泛應用。

現有研究表明，在飽和軟黏土中進行竹節樁施工，會導致擠土效應，使超孔隙水壓力升高，引起周邊地表或者建筑物沉降、隆起、傾斜、側移等復雜的變形[4-6]。地面以下較深層的土體，因上部覆蓋土層的重力作用而產生明顯的徑向擠壓，不斷往周邊擴散，造成鄰近建筑物結構或墻體開裂的現象時有發生。

沉樁施工對周邊環境的影響因素很復雜，不僅與施工方式有關，還與施工距離、樁長、樁徑、樁間距、地下水、土層物理力學性質、群樁效應疊加等有關系。楊大海等[7]利用Abaqus數值模擬軟件對錘擊法施工PHC管樁的擠土效應進行了模擬，分析了土彈性模量、泊松比、內摩擦角等對沉樁擠土位移和擠土應力的影響。李雙龍等[8]對魯南高鐵曲阜東站并軌段路基工程中大面積靜壓群樁對鄰近場地擠土變形的影響進行了現場試驗研究，指出橫向變形最大影響范圍為88d（d為樁徑）。盧玉華等[9]研究表明，臺州濱海軟弱土區域預應力管樁壓樁施工過程中影響擠土偏位的范圍為樁長的85%，影響孔隙水壓力的范圍為樁長的80%。

寧波與臺州緊密相連，飽和軟黏土特性存在一定的相似性，竹節樁在寧波地區的應用經驗值得借鑒。葉俊能等[10]考慮竹節樁竹節間空隙對豎向超孔隙水壓力的影響，建立了孔壓計算公式，并進行了現場測試，發現竹節樁相比管樁引起的超孔隙水壓力偏大。周佳錦等[11]通過對外徑400 mm的管樁和400-350（80）A的竹節樁進行錘擊沉樁施工，在不同的休止期進行現場靜載試驗。結果表明竹節樁承載性能提高幅度大于管樁，竹節樁施工過程中對樁周土體的擾動程度更大。但文獻[11]中沒有對竹節樁施工過程對樁周土體的影響進行研究。

上述及現有文獻雖然對沉樁施工過程中超孔隙水壓力、擠土效應導致的地表水平位移、豎直位移進行了理論研究和現場測試，但都存在一定的局限性：近樁的較大變形研究和測試較多；往往只進行了單一影響因素研究，沒有進行多因素耦合研究，規律適用但數據不適合；地基土性質存在時空變異性，樁基方案存在差異；等等。對于建筑物來講，其對不均勻沉降比較敏感，尤其是磚混結構的民房建筑。本文通過在竹節樁沉樁施工過程中，對建筑物豎直變形進行監測分析，分析飽和軟黏土中沉樁施工距離對周邊建筑物的影響，所得到的結論可以指導臺州濱海新區類似工程施工，優化施工方案，減少對相鄰建筑物的影響。

1 工程概況

臺州市域鐵路S1線一期工程16工區城南車輛段位于溫嶺市城南鎮，屬于海積平原區，平坦開闊，地形坡度小于2°，地面高程一般為1.5～3.0 m。地層巖性從上到下分別為：①第四系全新統海積褐黃色、褐灰色粉質黏土，軟塑，厚0.5～2.5 m；②淤泥、淤泥質黏土、黏土，成互層狀，深灰色、灰色，軟-流塑，厚20～40 m；③第四系上更新統沖海積灰色、青灰色、黃綠色粉質黏土，軟塑-硬塑，層內夾薄層粉細砂、粉土層，一般厚10～40 m；④第四系上更新統沖洪積黃褐色圓礫土，局部夾黏土，中密-密實，飽和，一般厚10～20 m。

工區里程為CNDK0＋044.46～CNDK1＋140.00，工區全長1 095.54 m。CNDK0＋044.46～CNDK0＋074.02為無碴軌道，工后沉降要求不宜超過15 mm。路基與橋梁、隧道或者橫向結構物交界處的工后差異沉降不應大于5 mm。CNDK0＋074.02以后為有碴軌道，要求工后沉降不超過20 cm，場坪工后沉降不超過30 cm。

為滿足設計要求，CNDK0＋044.46～CNDK0＋089.46段地基處理方法采用竹節樁＋筏板結構加固，CNDK0＋089.46～CNDK0＋200.00段采用竹節樁-樁帽-加筋墊層復合結構加固。其余段及場坪區采用水泥攪拌樁和塑料排水板加固。各段竹節樁型號、樁間距、樁長、根數如表1所示，均采用正方形布置。

表1 竹節樁參數

本工程使用的竹節樁如圖1所示，壓樁機選用步履行走式靜壓樁機。竹節樁施工時間為2019年3月30日—8月21日，工期145 d。本項目施工現場周邊有較多建筑物（圖2），在竹節樁施工期間應對其進行監測。

圖1 預應力混凝土竹節樁

圖2 民房1、民房2

2 建筑物沉降監測

2.1 沉降監測方案設計

施工現場周邊建筑物主要有4棟民房，民房1和民房2各布置4個沉降監測點，民房3和民房4各布置6個沉降監測點。民房3距離施工現場最近，直線距離不足10 m。其中民房1和民房2在竹節樁施工前已經存在不均勻沉降變形，2棟民房頂部幾近接觸，如圖2中紅色線所示。建筑物沉降監測頻率為：竹節樁施工前，每月監測1次；竹節樁施工期間，每2～3 d監測1次；竹節樁施工后，每月監測1次。當出現沉降突變、外部環境發生突變時，增加觀測頻次。建筑物沉降監測點共布置20個，如圖3所示。

圖3 監測點位布設及編號

2.2 沉降監測數據分析

竹節樁施工前，2018年11月起，就開始對4棟民房的沉降進行監測，根據建筑物沉降監測數據繪制沉降量與時間的關系曲線。受疫情影響，2020年2月份的沉降觀測數據缺失。縱坐標負值表示建筑物發生向下的沉降變形，正值表示建筑物發生向上的隆起變形。

民房1的沉降監測點JC1-1—JC1-4的沉降變形隨時間變化曲線如圖4所示。竹節樁施工前，沉降監測數據顯示其一直在發生沉降變形，主要原因是新建建筑物地基中附加應力疊加的影響，軟土地基固結時間長，沉降長時間不能穩定。與民房2相鄰的沉降監測點JC1-2和JC1-3的沉降量明顯大于監測點JC1-1和JC1-4，這與圖2所示的2幢民房的傾斜變形情況一致。竹節樁施工前4個月沉降平均值為7.4 mm。

圖4 監測點JC1-1—JC1-4的沉降變形曲線

2019年3月30日竹節樁開始施工后，各點開始發生向上的隆起變形，但變化不明顯。這與其距離打樁場地最遠及東邊建筑物的遮擋有關系。

民房2的4個沉降監測點JC2-1—JC2-4的沉降變形隨時間變化曲線如圖5所示。竹節樁施工前4個月沉降平均值為7.8 mm，與民房1的沉降量基本一致。與民房1相鄰的沉降監測點JC2-1和JC2-4的沉降量明顯大于監測點JC2-2和JC2-3。

圖5 監測點JC2-1—JC2-4的沉降變形曲線

竹節樁施工對民房2的JC2-2點影響最明顯，對其余3個點影響不明顯。根據施工日志可以看出，4月6日—4月24日期間，大部分的沉樁與JC2-2點連線沒有被民房3遮擋，且直線距離為40～60 m。由此可見，施工距離和有無建筑物遮擋是影響變形的重要因素。

民房3的沉降監測點JC3-1—JC3-6的沉降變形隨時間變化曲線如圖6所示。竹節樁開始施工之前，各監測點都是沉降變形，4個月沉降平均值為4.8 mm。

圖6 監測點JC3-1—JC3-6的沉降變形曲線

由于民房3距離竹節樁施工場地的最近距離不足10 m，為減少沉樁影響，在其東側開挖一條長10 m左右的應力釋放溝。同時，沉樁施工順序采取逐步背離民房3的方式。施工開始后建筑物整體發生了明顯的向上隆起變形。JC3-3、JC3-4點隆起速度最快，而且沉降量很快由負值變成了正值。JC3-2、JC3-5點跟著出現正值。JC3-1、JC3-6點雖然也出現隆起變形，但是始終沒能出現正值。觀察圖3中這6個點的位置，發現對隆起變形最先反應的監測點離沉樁現場最近，依次向外發展。6月20日—6月26日，當47 m長竹節樁施工時，雖然距離遠，但對民房3影響比較明顯。沉降監測點的最大不均勻變形量為13 mm，滿足變形控制要求。

民房4的沉降監測點JC4-1—JC4-6的沉降變形隨時間變化曲線如圖7所示。竹節樁沉樁施工之前各監測點也基本都是沉降變形，但前期沉降變形很小，4個月沉降平均值為1.7 mm，說明民房4沉降變形已經基本穩定。3月30日竹節樁沉樁施工開始后，各監測點沒有向上隆起變形。4月6日之后，各點沉降值開始減小，即建筑物整體也開始發生了隆起變形。JC4-1點隆起速度最快，而且沉降量很快由負值變成了正值。但是總體上變化速度較慢。JC4-6、JC3-2、JC3-5點也陸續出現正值。JC4-3、JC4-4點雖然也出現隆起變形，但是在竹節樁施工期間基本上沒有出現正值。觀察圖3中這6個點的位置發現，對上浮變形最敏感的監測點離打樁點最近，依次向外發展。但是變形量都很小，影響完全可以忽略。同樣發現6月20日—6月26日，當47 m長竹節樁施工時，雖然距離遠，但對民房4的影響也比較明顯。

2.3 沉樁施工影響距離

圖7 監測點JC4-1—JC4-6的沉降變形曲線

圖8 靜壓沉樁施工影響范圍

綜合沉樁各監測點的沉降時間曲線，結合施工每日進度圖，可以得到靜壓沉樁施工影響范圍，如圖8所示。圖8中實線圓弧3-31和4-31表示31 m長竹節樁的沉樁影響范圍。若樁與建筑物距離大于84 m，約為樁長的2.7倍時，沉樁施工對建筑物位移幾乎沒有任何影響。虛線圓弧3-47和4-47表示47 m長竹節樁的沉樁影響范圍。若樁與建筑物距離大于134 m，約為樁長的2.85倍時，沉樁施工對建筑物沉降幾乎沒有任何影響。

由此得到靜壓沉樁施工影響距離與樁長的關系，如圖9所示，得到擬合關系曲線y＝2.819 1x。綜合來看，在考慮一定的安全儲備基礎上，如果沉樁距離超過樁長的3倍，則對建筑物的沉降影響可以完全忽略。

圖9 靜壓沉樁施工影響距離與樁長的關系

以上結論與文獻[12]中A（沉樁距離）≥82 m，垂直位移可以略去的結論基本一致。文獻[12]中新建建筑采用的是鋼管樁，打入深度為52 m，但是鋼管樁施工的土塞效應，以及沿施工區域四周布置的袋裝砂井，可以有效減少打樁對土體及鄰近建筑的影響。雖然本工程也開挖了應力釋放溝，但是其開挖長度、深度都不大，只是為了降低對民房3的影響。

3 結語

1）通過沉降監測數據分析可知，沉樁施工距離是建筑物變形的首要影響因素，離沉樁位置越近的建筑物隆起變形越大，周邊其他建筑物的遮擋作用對建筑物變形也有一定的影響。

2）在濱海軟黏土區域進行竹節樁靜壓沉樁施工，對樁周土體擾動程度較大。沉樁距離超過樁長的3倍時，對建筑物的沉降影響可以完全忽略。如果在3倍以內，通過設計合理的沉樁路線、沉樁速度和沉樁時間，并設置應力釋放溝或應力釋放孔，可以降低沉樁影響，做到安全施工。

3）隨著臺州濱海新區的不斷開發建設，濱海軟黏土中竹節樁沉樁施工對周邊環境的影響會更加復雜，今后的研究將更多地圍繞多因素耦合作用開展，以期建立臺州本地的沉樁施工技術標準。