膨脹土地層城區鋼板樁施工試驗研究

蔡 敏, 孫昌興, 單燦燦

(安徽省城建設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

0 引 言

鋼板樁屬板式支護結構的一種，是一種帶鎖扣或鉗口的熱軋(或冷彎)型鋼，靠鎖扣或鉗口相互咬合，形成連續的鋼板樁墻，U形鋼板工程應用較廣，但因其剛度較小，應用的基坑深度受限。H形及圓管形鋼板樁可以大大提高鋼板樁支護結構剛度，具有較好的應用前景。

膨脹土主要由基性火成巖、中酸性火山巖以及不同時代的粘土巖、泥巖、頁巖風化形成的具有脹縮性裂隙性和超固結性的高塑性特殊土，具有特殊的工程特性，對膨脹土地層城區鋼板樁施工及周邊環境影響控制技術的研究具有重要意義。

H形及圓管形鋼板樁目前在膨脹土層中應用較少，主要原因為施工難度大，常規需要預鉆孔植入型鋼，且孔內充填材料密實度較難保證，支護結構變形較大，本文擬通過實驗研究H形及圓管形鋼板樁在膨脹土地層施工可行性。

1 地質概況

本次試驗場地自上而下的土層分布情況如下：

雜填土 (Qml),層厚0.30～7.60 m,大部分為松散或軟可塑狀態黏性土、耕土。

粉質黏土(Qml+pl),局部分布,層厚0.50～6.90 m,可塑狀態。稍濕，有光澤，無搖振反應，干強度中等，韌性中等，層狀構造； 含氧化鐵、鐵錳結核等。

黏土(粉質黏土)(Qml+pl)，局部分布。層厚0.40～9.00 m，硬可塑狀態。

黏土(粉質黏土)(Qml+pl)，全部分布。層厚0.20～11.10 m,硬塑～堅硬狀態。

粉質黏土夾粉土(Qml+pl)，全部分布。層厚1.20～24.80 m，硬可塑或中密狀態。

風化泥質砂巖，其巖體基本質量等級為Ⅴ類，屬極軟巖。

中風化泥質砂巖，該層最大揭露厚度為23 m，其巖體基本質量等級為Ⅴ類。

2 試驗方案

2.1 試驗點位及沉樁工藝、設備

該試驗總共6根樁，分為2組試驗，每組3根，試驗樁位置如圖1所示。第一組試驗樁為700×300×13×21熱軋H型鋼，長12 m；第二組試驗樁為φ630×14圓管，長12 m。型鋼和圓管鋼材強度均為Q345B級。沉樁工藝及設備見表1，表中水沖法為在型鋼材料全長范圍內焊接鋼管，施工時采用水槍輔助下沉，灌水法為在樁頂孔口灌水。

圖1 試驗樁位平面布置圖

表1 試驗沉樁設備及工藝

2.2 監測項目及點位布置

為充分分析鋼板樁施工對周邊環境的影響，沉樁過程中進行實時監測，主要監測項目為三項：樁側土體深層水平位移監測、樁側土體分層土壓力監測及樁周邊地表振動監測；監測點位布置如圖2和圖3所示，其中樁1～樁3為H型鋼樁，樁4～樁6為圓管樁。C代表深層水平位移監測點、T代表土壓力、Z代表周邊地表振動，括號內的數字與括號內樁位相對應。

圖2 深層水平位移、土壓力監測點平面圖

圖3 地表振動監測點平面布置圖

3 試驗結果

從各試驗樁沉樁時間來看，難度最大的區段集中在8～10 m深度，即膨脹土的底部以及以下的粉質黏土層，穿越該兩層之后進入粉土層，沉樁速度又出現顯著加快。根據各樁沉樁時間統計，相同的鋼板樁沉樁設備相同時，水沖法沉樁效率較高，不采用水沖、灌水輔助措施時，沉樁難度較大，本次試驗中未采取輔助措施的H型鋼沉入7.0 m后無法繼續下沉。對試驗樁4和樁5及樁6沉樁時間統計可知：水沖法與孔口灌水法相比成樁效率高3.5倍。分析可見，采用水沖法輔助措施可解決堅硬黏性土層的沉樁問題，且沉樁工效較好。采用孔口灌水法也能達到輔助沉樁的效果，但沉樁工效很低，且用水量較大，不利于環境保護和文明施工。

經統計分析，單個測點的深層水平位移及土壓力隨時間變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 單個測點的深層水平位移隨時間變化曲線

圖5 單個測點的土壓力隨時間變化曲線

通過對各測點深層水平位移及土壓力監測數據統計分析，采用水沖法輔助沉樁時測點深層水平位移最大值為17 mm，土壓力最大值為11N；采用灌水法或無輔助措施時深層水平位移最大值為52 mm；土壓力最大值為43N。可見取水沖法輔助措施后，可顯著降低沉樁對周邊土體的擠土效應，有利于控制沉樁對周邊環境的影響。

選取2號樁和5號樁打入8.0 m的地表振動數據進行分析，監測數據如圖6和圖7所示。

圖6 2號樁振動速度隨距離變化曲線圖

圖7 5號樁振動速度隨距離變化曲線圖

由圖6、圖7可以看出，振動影響由近及遠程迅速衰減，距試驗樁10 m處振動速度均小于2 mm/s。5 m范圍內衰減速度較大，5～10 m衰減速度顯著降低，10 m以外衰減速度微弱。H型鋼截面試驗樁沉樁產生的振動略小于圓管樁，更加有利于環境保護。

建筑施工振動對建筑結構影響評價的頻率范圍應為1～100 Hz；建筑結構基礎和頂層樓面的振動速度時域信號測試應取豎向和水平向兩個主軸方向，評價指標應取三者峰值的最大值及其對應的振動頻率，本次試驗振幅頻率統計見表2。根據相關規范，城區環境居住建筑對于振幅要求為不大于5 mm/s。結合本次試驗結果，采用水沖法輔助措施時鋼板樁沉樁距離居住建筑不宜小于8.0 m。

表2 振幅頻率統計表

4 結 論

通過本次膨脹土地層鋼板樁施工及環境影響試驗，得出以下結果：

(1) 采用水沖法輔助措施可基本解決膨脹土或類似堅硬黏性土層的鋼板樁沉樁問題，且沉樁工效較高。

(2) 采取水沖法輔助措施，可顯著降低沉樁過程對周邊土體的擠土效應，樁側1 m處的擠土產生的地面以下5 m范圍(淺基礎建筑物常見基礎埋置深度范圍)最大土體水平位移約為17 mm，最大側壓力約11 N，對周邊環境的影響較小。

(3) 采用免共振錘沉樁工藝、水沖法輔助措施鋼板樁施工對周邊地表振動影響由近及遠程迅速衰減，5 m范圍內衰減速度較大，5 m以外衰減速度顯著降低，10 m以外衰減速度微弱。本次試驗場地振動頻率對應的作用于建筑物允許振動值約為5 mm/s。采用上述施工工藝情況下距離樁位約8.0 m區域的建筑物的振動值在允許范圍內。