消減沉樁擠土效應對大口徑出水管影響的數值模擬與現場實測研究

馬兵兵 范雷振 曹 彬

上海南匯水利市政工程有限公司 上海 201399

近年來，靜壓式PHC管樁在沿海城市軟土地基中被廣泛采用，該樁型具有成樁速度快、施工噪聲小、無泥漿產生、對環境友好等特點。但在壓樁過程中，特別是在群樁施工中，擠土效應明顯，對周邊建（構）筑物會產生較大影響。擠土效應及其影響機理十分復雜且對沿海城市工程建設影響巨大，這也引起了國內外學者的關注與研究。

Cummings等和Housel等[1-2]是最早一批研究壓樁作業對黏土性能改變的學者。他們在試驗中對樁體持續施加荷載到樁破壞，根據試驗結果推斷出土體的不排水強度在沉樁的最初階段降幅最大，但隨后卻快速恢復。在對混凝土樁對樁周圍土體強度的影響時長研究中，Orrje等[3]發現土體的不排水強度在壓樁9個月后基本恢復原始數值。Adams等[4]、Hagerty等[5]對壓樁對樁周土體隆起的影響進行一系列調查，以樁周土體的隆起值（單位：mm）與樁在土體內的總長度（單位：m）的比值為度量，比值為0.3～1.0。

從20世紀70年代起，各國學者開始通過數值模擬與理論分析的方式研究軟土中預制樁沉樁問題。通過采用圓孔擴張法模擬預制樁壓樁過程，Randolph等[6]計算出壓樁后樁周圍土體中的孔隙水壓力與有效應力，Sagaseta等[7]推算出了壓樁后地面隆起量的數學表達式。文獻[8]把飽和黏土中壓樁的擠土效應問題虛擬為半無限土體中圓柱形小孔的擴張問題，并結合彈塑性理論推導出壓樁瞬時的變形與應力。Mabsout等[9]將一個頭部形狀為圓弧面的混凝土預制樁（樁頭與樁身連接處設置光滑過渡）作為研究對象，應用有限單元法模擬沉樁過程，考慮了不排水黏土的非線性特性，很好地反映了樁體入土過程中樁土界面的應力和變形實際情形。

龔曉南等[10]在回顧、分析以往學者研究方法和成果之后，提出建立在有限變形理論基礎上的大變形固結理論是求解非線性土體固結、土體骨架壓縮的重要方法，通過采用大變形理論基礎的Biot固結方程是求解擠土效應中土體位移與孔隙水壓力變化的正確途徑。劉裕華等[11]應用圓孔擴張理論對預制管樁沉樁施工引起的樁周土體變形、位移進行了理論計算，并通過現場監測驗證了理論解析解，預測擠土效應的合理性。詹樂等[12]通過模型試驗調查研究了在地基邊坡坡頂施工預制樁對邊坡土體位移、變形的影響規律。楊旭等[13]在樁基土體大變形、接觸非線性的基礎上，建立了能模擬管樁基礎動態、連續壓樁下沉過程的有限元模型，得出了擠土效應對管樁內外側影響、管樁內外側土體位移及應力分布情況，并提出了管樁內外側擠土效應差異的機理。李振亞等[14]建立三維軸對稱模型，把樁周土及樁芯土沿徑向設置為同心圓圈層，建立縱向振動控制方程，在低頻范圍內對預制管樁樁身物理參數、擠土效應對樁頂復阻抗影響進行了調查研究。楊思謀等[15]基于數值法和圓孔擴張理論，建立預制樁沉樁過程模型，對預制樁沉樁擠土效應進行了分析研究，并測算評價沉樁施工對鄰近地鐵結構的力學影響。

目前，國內外學者對擠土效已經有了多方面的研究。但這些研究多集中在以圓孔擴張理論為依據的樁周土體位移變形、孔隙水壓力變化的推導計算或以室內模型試驗、有限元數值方法模擬分析，而針對施工場地既有周圍環境進行實測分析及結合有限差分仿真軟件預測結果的保護方案還不多見，特別是在既有運營水廠改造項目中，預制樁群樁施工對大口徑出水管、清水池等敏感建（構）筑物影響的保護與防治措施研究，國內尚無文獻報道。

本文以上海市浦東新區某自來水廠深度處理改造工程中活性炭濾池預制管樁群樁沉樁施工為例，測試沉樁施工對周邊環境的影響，根據有限差分仿真軟件模擬單一消減措施工況（防振隔離溝、鋼板樁隔斷、應力釋放孔等）下和綜合消減措施工況下場地環境的變化，特別是大口徑出水管位移值是否在安全范圍內，并與現場實測數據做對比，以指導沉樁施工與增加消減擠土效應的保護措施。

1 工程概況

上海市浦東新區某自來水廠深度處理改造工程，是在原凈水工藝的基礎上增加預臭氧和后臭氧工藝，使出廠水水質更加優質、滿足上海市最新的凈化水水質標準。需新建的建（構）筑物有活性炭濾池、中間提升泵房、反沖洗泵房、回收水池等，其中活性炭濾池占地面積約5 300 m2（南北長99.8 m，東西寬53.1 m），基礎采用PHC-400預制混凝土管樁（1 014套、入土深度35 m、樁間距1.5 m）。活性炭濾池東、南、北三個方向皆有需要特別關注的建（構）筑物，其中東側、北側為DN1 800自來水出水管，南側為出水泵房和清水池（圖1）。

圖1 擬施工預制樁樁位與周圍環境、監測點布置示意

樁基礎施工之初，在出水管、出水泵房等構筑物布置監測點，但并未采取消減管樁施工擠土效應的措施。自4月底開始正式施工，采用2臺ZYJ-860型靜壓樁機，每天每臺施工約20套，5 d后DN1 800出水管豎向位移累計變化為26.22 mm，其中每日最大位移值為7.46 mm，超過警戒值，施工暫停。

2 消減措施

參建各方對施工預制管樁產生擠土效應及對周邊環境的影響進行了重新評估：活性炭濾池東側和北側的DN1 800出水管為浦東地區上百萬居民及大量企事業單位主要供水管線，該管管頂覆土深度1.3～1.5 m、距離擬建活性炭濾池6.0～8.8 m；活性炭濾池和中間提升泵房南側、西側的既有出水泵房、綜合管線溝槽、反沖洗泵房、DN1 200鋼管雖暫時未受擠土效應影響，但也是易受沉樁影響的建（構）筑物；為消減預制管樁施工產生的擠土效應，應盡快采取技術可行、經濟合理的保護措施，并務必保證DN1 800出水管運行安全。

2.1 工程及水文地質條件

1）樁基入土深度范圍內工程地質條件根據該工程《巖土工程勘察（詳勘）》可知，預制管樁入土范圍內土質多為粉質黏土、淤泥質黏土、粉土、砂質粉土等。

2）地下水情況：擬建場地土層中的地下水屬于潛水類型，其水位動態變化主要受大氣降水和地面蒸發等影響。地下水主要賦存于第四系全新系統以上及更新系統中的淺層潛水層與微承壓水層中，潛水位一般離地表面0.3～1.5 m，受降雨、潮汛、地表水及地面蒸發的影響而有所變化，年平均水位埋深0.5～0.7 m。承壓水主要分布在第⑥t土層中，第⑥t層為粉質黏土與黏質粉土互層，承壓含水層承壓水位一般在地面以下3～12 m；另外，（微）承壓水水頭隨季節有所變化，在5—9月承壓水水頭高為9～12 m，其余月份水頭高為3～8 m。

2.2 消減措施設計

為確保DN1 800出水管、出水管泵房、綜合管線溝槽等建（構）筑物安全，減少PHC管樁群樁施工產生的擠土效應，采取上部防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應力釋放孔相結合的綜合保護措施（圖2）。

圖2 擠土效應消減綜合措施示意

1）防振隔離溝：在擬建場地北側、東側、南側、西側等設置防振隔離溝，隔離溝一般根據經驗取寬2～5 m、深1～3 m，本案例取上寬2.5 m、下寬1.5 m、深1.5 m。

2）U形鋼板樁：沿防振隔離溝外邊線（距離出水管2 m）施打樁長9 m的U形鋼板樁。

3）應力釋放孔：在防振隔離溝溝底布置2～3排應力釋放孔，應力釋放孔內徑300 mm、中心間距1.0 m，孔內填中粗砂。

擠土效應綜合保護措施預計共需挖除土方902.5 m3、施打鋼板樁309.2 t、應力釋放孔填筑中粗砂977.3 m3。在預制管樁沉樁施工完畢后，還需在綜合保護措施范圍內進行壓密注漿（1∶2水泥漿液）。

3 建模計算

根據本工程巖土工程勘察資料，利用有限差分軟件建立三維實體模型，并根據施工實際情況進行部分簡化，主要針對活性炭濾池預制管樁施工對東側DN1 800出水管進行模擬。模型大小為100 m×60 m×37 m（長×寬×深），模型上表面為自由面，其余面均設有法向約束。DN1 800出水鋼管采用線彈性本構模型，彈性模型210 GPa，壁厚0.02 m，長度120 m，管頂埋深1.5 m；各層土體單元采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，并根據各土層的物理力學參數取值；防振隔離溝設置Null土體單元，應力釋放孔（孔內填中粗砂）采用Pile結構單元，U形鋼板樁采用Liner結構單元。網格劃分盡可能均勻，出水鋼管與①、②土層接觸位置網格保持一致。

1）模擬消除預制管樁施工擠土效應綜合保護措施的計算參數主要有各層土體、DN1 800鋼管、應力釋放孔、U形鋼板樁等，具體參數見表1～表3。

表1 應力釋放孔計算參數

表2 U形鋼板樁計算參數

表3 DN1 800鋼管計算參數

2）為對比驗證施加單一的擠土效應消減措施與施加綜合消減保護措施對DN1 800出水管變形的影響，將模擬工況分成5種（圖4）：工況1，無擠土效應消減措施；工況2，只有防振隔離溝保護措施；工況3，只有U形鋼板樁隔斷保護措施；工況4，只有應力釋放孔保護措施；工況5，防振隔離溝＋U形鋼板樁＋應力釋放孔綜合保護措施。

圖4 各消減措施模型示意

4 數據分析

根據監測方案（見圖1），分別在工況1～工況4中布置DN1 800出水管的監測點（編號為S7、S9、S11、S13、S14），并在模擬軟件中根據沉樁順序施加荷載（每根樁施加荷載為7 600 kN，從靠近出水管一側開始施加），模擬預制管樁沉樁產生的擠土效應，通過Hist記錄各監測點的位移變化。

在無任何消減措施工況下（圖5），預制管樁沉樁對DN1 800出水管的位移影響在靠近樁體位置非常明顯。DN1 800出水管的各監測點位S7、S9、S13、S14在沉樁數量為400套之前的數值（豎向位移）呈直線增長趨勢，在沉樁數量為150套時，監測點出現最大豎向位移＋28 mm（隆起值），與實際施工（無消減措施時）情況相符合。各監測點在沉樁數量為300～400套時出現豎向變形的最大值，S9點出現最大位移，約60 mm。沉樁數量在500套之后，隨著沉樁位置與DN1 800出水管距離的增加，其擠土效應對該管的影響基本消失，甚至各監測點出現了沉降趨勢。

圖5 無消減措施工況下出水管監測點位移

圖6、圖7分別顯示了施加防振隔離溝保護措施工況下和施加鋼板樁隔斷工況下的出水管隨沉樁數量增加的位移情況。

圖6 防振隔離溝工況下出水管各監測點位移

圖7 鋼板樁隔斷工況下出水管各監測點位移

從圖6、圖7中可以發現，出水管各監測點位移數值隨沉樁數量的增加逐漸增大，在沉樁數量為400～500套處出現最大值，最大值為14 mm和18 mm（S9點），最大數值較無措施工況下有較大幅度的下降；在沉樁數量超過600套后，各監測點的數值逐漸變小，各監測點出現負向位移（沉降），這也說明防振隔離溝措施和鋼板樁隔斷措施都能在一定程度上緩解群樁沉樁產生的擠土效應，而防振隔離溝的緩解效果要優于鋼板樁隔斷。

圖8是施加應力釋放孔保護措施工況下出水管隨沉樁數量增加的位移情況。從圖8中可以發現，出水管各監測點位移數值隨沉樁數量的增加逐漸增大，在沉樁數量為500套左右時出現最大值；各監測點位移最大值較圖6、圖7工況下的數值進一步下降，從0增加到最大的線段斜率也小于圖6、圖7中的工況，在各監測位移連線的后半段，下降幅度也較圖6、圖7中的工況數值明顯。

圖8 應力釋放孔工況下出水管各監測點位移

圖9是施加綜合保護措施工況下出水管隨沉樁數量增加的位移情況。從圖9中可以發現，各監測點的位移最大數值較圖6～圖8單一工況下最大數值有明顯降低，各監測點數值隨沉樁數量增加的幅度較單一措施工況也更加平緩，距離施工場地較遠的點（S14）位移變化微弱且在沉樁數量超過600套后出現負向位移（沉降）。

圖10顯示了增加消減擠土效應綜合措施后預制樁沉樁施工過程中的實際監測數據，從圖10中可以發現，增加綜合措施后各監測點位移最大值較預制樁施工之初（出水管等周邊環境無保護措施）有較大程度的減少，也驗證了防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應力釋放孔相結合的綜合保護措施的適用性。對比圖9和圖10，各監測點的位移值變化趨勢模擬值與實測值基本一致，各監測點的最大值在兩圖中也差別不大，但圖10中各監測點隨沉樁數量的增加變化更趨平緩。

圖9 綜合保護措施工況下出水管各監測點位移

圖10 實際監測數據

5 結語

1）采用仿真軟件對各單一消減措施工況進行模擬對比，能在消減措施設計時預先對比選擇出技術可行、經濟合理的技術方案。

2）預制管樁群樁沉樁對周邊環境擠土效應的影響以豎向位移為主，水平向位移幾乎為零（無論數值模擬還是實際監測都無明顯變化），且擠土效應影響范圍約為1倍樁基入土深度，沉樁樁位超過這個距離后擠土效應迅速減弱，受影響建（構）筑物位移逐漸恢復。

3）在單一措施工況下，應力釋放孔工況下的消減效果優于防振隔離溝、鋼板樁隔斷工況，防振隔離溝消減措施優于鋼板樁隔斷。在工程實踐中鋼板樁隔斷的造價遠大于應力釋放孔和防振隔離溝，建議在經濟條件受限時優先選擇應力釋放孔，其次選擇防振隔離溝。

4）當施工場地范圍內存在敏感建（構）筑物時，為保證其安全性，建議采取上部防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應力釋放孔相結合的綜合保護措施，這種綜合性消減保護措施能極大地消減群樁施工產生的擠土效應（監測點最大位移值從無措施時的60 mm下降到5 mm）。

5）在運行水廠內進行預制群樁施工時，應首先對施工場地范圍內易受影響的建（構）筑物進行摸底評估，特別是對保證人們生產生活用水的出水管務必進行周密保護。文中采用的綜合消減措施工況模擬數值與實際監測數值較為吻合，本工程施加的上部防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應力釋放孔相結合的綜合保護措施也達到了預期效果。