基于工程的開口管樁擠土效應(yīng)研究

李晨楠，錢玉林，顏 晨，徐 揚(yáng)，許奇新

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引言

近年來建筑行業(yè)對管樁的需求量越來越多，開口管樁的擠土作用得到了更加廣泛的重視，因此開口管樁擠土效應(yīng)的研究對于管樁性能的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。預(yù)制管樁不僅要求的配筋率很小，對鋼材的需求不大而且有著施工簡單、技術(shù)難度低的優(yōu)點(diǎn)。迄今為止，已知的管樁的施工方法有3 種，分別是錘擊法、靜壓法和振動法。在樁頂多次施壓，反復(fù)循環(huán)之后即可把樁壓入土體中的方法是錘擊法。在這個過程中，會有一些土體被壓入管內(nèi)我們稱之為土塞。土塞會對樁周土體產(chǎn)生較大的影響。土塞的存在對樁的側(cè)摩阻力有著不利的影響，不僅如此，它對樁端的承載力也有著不小的影響。如果不加以處理，則會對周邊環(huán)境造成破壞，嚴(yán)重時還可能會引發(fā)工程事故。所以，清楚、透徹地了解開口管樁的土塞效應(yīng)，對于研究開口管樁的擠土效應(yīng)是必不可少的。

1 研究現(xiàn)狀

由于開口管樁的特殊性，當(dāng)其沉樁時，樁端不斷施壓，樁體下沉，土體會進(jìn)入管中形成土塞。土質(zhì)的不同也會導(dǎo)致土塞對樁的影響。根據(jù)眾多研究數(shù)據(jù)表明，擠土效應(yīng)與土塞效應(yīng)之間有緊密聯(lián)系。

Paikowsky & Whitman 用開口管樁做了沉樁實(shí)驗。發(fā)現(xiàn)在一開始，樁內(nèi)土體的長度和沉樁的深度基本上是一致的。然而隨著樁的下沉，管樁中土體的長度逐漸小于沉樁的深度，形成閉塞效應(yīng)，如圖1 所示。

圖1 土塞形成

Lehane & Gavin 進(jìn)行了一系列開口管樁室內(nèi)試驗，研究土塞長度和土塞增量與沉樁深度的關(guān)系，結(jié)果可以看出，直徑相同的情況下，管樁的壁厚越大，土塞長度越小。

Marssach 模擬了開口管樁單樁的沉貫。從結(jié)果中我們可以了解到，伴隨著沉樁的進(jìn)行，雖然樁體周圍的大多數(shù)土體隨樁體一同向下移動，然而也有一小部分從樁身兩側(cè)擠出，土體表面上隆起，較深的土層由于側(cè)土壓力土顆粒基本橫向運(yùn)動，邊土體的變形類似球形孔擴(kuò)張，除了樁尖周邊土體和樁頂土體表面外，其余部分的土體變形基本與圓孔擴(kuò)張類似。

周健等用室內(nèi)模型試驗?zāi)M了在砂土中靜壓樁表現(xiàn)出的擠土作用。將樁周的土體位移與樁沉降程度進(jìn)行了分析比對。

雷國輝等通過對開口管樁沉樁導(dǎo)致的樁周水平位移和土塞高度進(jìn)行試驗，可以看出只有樁頂附近的孔隙水壓力變大，因此孔隙水壓力與打樁數(shù)無關(guān)，沉貫深度和土體相對密實(shí)度對管樁的擠土效應(yīng)有著顯著的影響。

謝世波等根據(jù)圓孔擴(kuò)張理論和彈塑性理論，對相同半徑，長度不相同的開口鋼管樁在沉降的這個過程中，測出了孔隙水壓力的改變程度，并進(jìn)行分析對比。實(shí)驗結(jié)果得出，在飽和黏土中測出的孔隙水壓力最大，由于其滲透性不是很好，打樁容易破壞周圍土體，引起土體強(qiáng)度降低。圓孔擴(kuò)張理論示意圖如圖2 所示。

圖2 圓孔擴(kuò)張平面

2 擠土效應(yīng)表現(xiàn)特征

2.1 垂直方向

在沉樁時，樁周的土體會隨著樁體的沉貫一同向下移動，隨之會向外擴(kuò)散擠壓周邊土體，使周邊土體向上隆起，對樁的穩(wěn)定性會有一定程度的影響。為了防止可能產(chǎn)生的各種危險情況以及盡可能減少工程事故的發(fā)生，我們有必要采取相關(guān)的措施控制樁的位移。

2.2 水平方向

在沉樁時，樁對周圍土體的擠壓不僅僅是體現(xiàn)在垂直方向，在一定的范圍內(nèi)還會對土體有水平作用力。然而較多的土體水平位移會對先前打入的樁以及樁周的建筑物產(chǎn)生較大的影響，從而發(fā)生樁體破壞。

2.3 超孔隙水壓力

在沉樁時會產(chǎn)生超孔隙水壓力，這點(diǎn)在飽和黏土中變現(xiàn)得尤為明顯。一般情況下，超孔隙水壓力的最大值出現(xiàn)在樁周。超靜孔隙水壓力也會隨著樁打入土體不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定程度時，有效應(yīng)力會發(fā)生變化。

3 實(shí)際工程案例

3.1 工程概況

本文的工程案例是某市一個建筑樁基設(shè)計等級為乙級的地下停車場。現(xiàn)地面整平標(biāo)高為+0.70m（對應(yīng)的相對標(biāo)高為+0.65m），樁基礎(chǔ)用采用的管樁型號為PHA-500AB（110）-15。除了部分電梯井的局部標(biāo)高為-10.40m，一般的樁頂標(biāo)高為-9.40m。

3.2 工程場地條件

經(jīng)勘察顯示，各土層特性為如下：

第①層為雜填土：該土層上面地坪部分大約為10cm 厚度，以粉砂為主，大多為灰青色，土質(zhì)密度松散-稍密，均勻性較差，夾有磚塊、碎石等建筑垃圾和植物根莖。

第②層為粉砂夾粉土：該層土的顏色主要為青灰色，Sr=1，土質(zhì)密度為中密，主要包括長石、石英及少量云母片，粒度級配不好，顆粒形狀為亞圓形。

第③1層為粉砂：該層土的顏色為青灰色，Sr=1，土質(zhì)密度中密-密實(shí)，石英、長石及少量云母大量分布在土質(zhì)當(dāng)中。粒度級配不好，黏粒的含量不多。

第③2層為粉砂夾粉土：該層土中粉砂土的顏色表現(xiàn)為青灰色，土質(zhì)密度大多為中密，一小部分部較為密實(shí)，Sr=1，石英、長石及少量云母大量分布在土質(zhì)當(dāng)中。粒度級配不好，黏粒的含量不多；該層土中粉土的顏色表現(xiàn)為灰色，土質(zhì)密度中密-密實(shí)，濕，無光澤放映，干強(qiáng)度低，黏粒含量較低，該層本次勘察未鉆穿。

3.3 施工概況

本工程采用型號為PHA500AB110-15 的管樁，施工下來對樁的需求一共是567 根，總長度約為8505m 長，極限抗壓承載力為4300kN。在施工某一塊區(qū)域的樁時，在有效樁長為4m 時，樁的應(yīng)力值為4300kN。然而在樁的應(yīng)力值達(dá)到了4700kN 時，在管樁的上部發(fā)生了爆樁，此刻的有效樁長為6.8m。隨后次日，在另一塊區(qū)域，管樁在壓力值為4700kN 時便出現(xiàn)了爆樁，此刻的有效樁長約為2m。在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)此類現(xiàn)象，即當(dāng)壓力值超過管樁極限抗壓承載力時發(fā)生爆樁的現(xiàn)象。對此分析得出最主要的原因是地基土質(zhì)過硬，擠土現(xiàn)象明顯，以至于爆樁情況的產(chǎn)生。

3.4 解決方法

面對此類情況，我們即為了保證施工的順利進(jìn)行又為了確保采取的措施對施工場地周圍的建筑物沒有較大的影響，從樁的尺寸排布、施工場地條件等方面出發(fā)，最終采取“引孔”的方法間隔跳打，且不對場地四周構(gòu)成封閉。東、南、西側(cè)全部設(shè)置應(yīng)力孔壓釋放孔，減少施工過程對東側(cè)、西側(cè)以及南側(cè)已建建筑物的不利影響。應(yīng)力孔壓釋放孔應(yīng)在工程樁施工前進(jìn)行施工。工程樁施工順序應(yīng)該是由西側(cè)向東側(cè)進(jìn)行，由南側(cè)向北側(cè)進(jìn)行，工程樁和應(yīng)力孔壓釋放孔均采用間隔跳打的方法進(jìn)行施工。

4 結(jié)語

（1）本文結(jié)合揚(yáng)州某工程實(shí)例，對比分析了直接打樁和先引孔后打樁這兩種情況下擠土效應(yīng)的影響。可以得出體積越小的開口管樁，沉樁消耗的時間也越短，擠土效應(yīng)帶來的影響也會越低。當(dāng)土質(zhì)較硬的時候，對于預(yù)制管樁的施工會出現(xiàn)由于土塞效應(yīng)過大而導(dǎo)致的爆樁現(xiàn)象。一般在這種情況下，我們通常會采取提前引孔的方法來減輕擠土效應(yīng)。

（2）管樁施工時由于其擠土效應(yīng)會對周圍道路和建筑物產(chǎn)生或多或少的影響，可以采取間隔跳打以及應(yīng)力釋放孔的方法。