應力釋放孔在靜壓管樁樁基工程中的應用

郭智鵬（中國安能集團華東投資開發有限公司，上海 200040）

常見的剛性樁基礎包括鉆孔灌注樁、預應力管樁等，預應力管樁是軟土地區常見的樁基形式，常用于天然地基淺基礎沉降量較大且要求地基穩定性較高的項目中。尤其在城市的建筑工程項目施工過程中，靜壓法預應力管樁能較好地滿足控制環境污染、降低噪音等文明施工的要求。但城市中新建項目周邊有很多現有建筑且距離較近，在施工過程中對周邊環境的保護非常重要。在預應力管樁沉樁施工的過程中會對周圍土體造成擠壓，并引起樁周土體應力狀態的改變，應力釋放后重新達到新的應力平衡狀態。為此，必須對預應力管樁施工過程中對樁周土體的破壞機理進行深入分析，并采取積極有效的應力釋放措施使樁周土體短時間內達到平衡狀態，避免其應力變化對周圍地形地貌地物造成破壞和不利影響。

1 工程背景

上海中泰城市建設發展有限公司開發建設的“中泰廣場”項目建筑面積64686.93㎡，本工程基礎形式為樁筏基礎，樁基設計等級為甲級，抗浮設計等級甲級，地基土層物理力學指標見表1。樁基采用預應力混凝土(PHC)管樁，樁基單樁豎向抗壓承載力設計值為1700kN～2400kN，抗壓最大承載力加載值為3600kN～4800kN。單樁豎向抗拔承載力設計值為500kN～585kN，抗拔最大承載力加載值為1170kN，采用1臺GZY-800靜壓樁機和1臺ZYC-1200B-B1靜壓樁機施工。

表1 地基土層物理力學指標

靜壓預制樁施工具有質量穩定、進度快、無泥漿污染、施工噪音低等技術優勢，且樁身耗材和單樁造價均不高，但是靜壓預制管樁樁基施工會對周邊建筑物、地下管網、道路等既有結構造成破壞，壓樁過程中所產生的擠土效應對周圍環境造成的影響始終是工程施工過程中應特別關注的問題，必須采取有效措施減小擠土效應。在類似工程實踐中，也逐漸探索出避免靜壓預制樁擠土效應對周邊環境破壞的預防措施，即通過增設應力釋放孔將壓樁施工過程所產生的孔隙水壓力通過應力釋放孔得到消散，緩解其對土體的擠壓[1]。

2 擠土效應釋放相關分析

2.1 破壞機理分析

靜壓預制樁在壓樁施工過程中所產生的應力會破壞周圍土體平衡，導致土體發生橫向擠壓和豎向剪切破壞，至于靜壓預制樁擠土效應的影響范圍主要受到壓樁施工距離和速率、樁密度、樁間距、施工順序、土質、水位埋深等因素的影響。對于不飽和填土層和軟土地層，擠壓應力主要通過樁周土傳遞，當擠壓應力超出樁周土抗力，便會引發樁周土體出現大范圍側向位移；對于飽和軟土地層，壓樁施工既會對樁周土產生擾動并引起側向位移變化，還會因樁周土具有較差的滲透性而在孔隙水壓力影響下發生豎向和側向位移，引發建筑物沉降、開裂，甚至破壞，但這種破壞會隨建筑物結構自重及與靜壓預制樁距離的增大而呈減弱趨勢。

由分析可知，土體擠壓和超靜孔隙水的綜合作用導致樁周土發生橫側向位移和隆起，這是引發靜壓預制樁沉樁區樁周土豎向和徑向變形的主要原因?？紫端畨毫Σ粩嘞蛑車鷶U散，在群樁疊加及地基土低壓縮性等的綜合作用下隆起和位移程度及影響范圍會進一步加深。地基土的位移是多種因素綜合作用的結果，包括本工程在內的樁基工程也只能通過經驗對沉樁導致地基土側向位移、沉降、隆起及影響范圍等進行估計。

2.2 擠土量計算

本項目工程樁共計883根，其中PHC-600AB(100)型管樁245根，平均樁長26m，送樁深度9m，共計約8575m。PHC-500AB(100)型管樁638根，平均樁長24m，送樁深度9m，共計約21054m。初步估算擠土量（V）為6555m3。

根據布樁方案及周邊類似土質工程經驗，沉樁施工時土體進入管內的深度約為6m，因此進入管樁內的土體體積（V1）為455m3。

沉樁施工后，土體上浮按25%計算，則上浮的土方量為：V2=6555×25%=1639m3。

本項目樁基工程臨近現有商業綜合體建筑及市政道路，樁基施工時土體擠密量按15%計算，則擠密消耗的土方量為：V3=6555×15%=983m3。

綜上，本項目樁基工程釋放的擠土量為：

2.3 應力釋放孔設計

本項目因建筑場地限制，所以施工過程中必然會對周圍既有建筑產生擾動和影響，甚至破壞，為有效控制這種不利的影響，應在樁基施工開始前在待保護建筑物一側增設應力釋放孔，以轉變應力消散方向，減少靜壓管樁所產生的擠壓應力和孔隙水壓力，并加速地基土應力和超孔隙水壓力的提前釋放。

在靜壓預制管樁周圍設置應力釋放孔主要目的在于通過徹底阻斷沉樁施工中應力和超靜孔隙水壓力的傳遞途徑，以調整和轉變應力消散走向，并加速應力釋放。靜壓預制管樁插打入土后會造成樁周土壓縮以及土體內孔隙水壓力升高，并由此打破周圍土體內壓力的平衡狀態，孔隙水壓力會通過擴散并向四周土體釋放的方式以尋求新的壓力平衡狀態。這種孔隙水壓力的擴散會造成樁周圍壓力較低土體的位移、隆起和變形以及周圍既有建筑物的上浮、沉降、開裂、傾斜等。結合本工程施工組織設計，本工程靜壓預制管樁施工對樁周土的影響范圍為設計樁長的1.3～1.7倍，在樁長1倍范圍內影響最為嚴重[2]。為保證樁周土影響范圍內既有結構物的安全與穩定，應采取應力釋放孔的做法釋放應力，有效緩解靜壓管樁施工對樁周所施加的擠土效應。由于上部土層主要為壓縮性大且滲透系數小黏土層，孔隙水壓力消散過程緩慢，擠土效應持續時間較長，為避免靜壓管樁插打施工所產生的擠土效應加速應力釋放孔壓縮閉合過程，從而阻隔孔隙水順利排出，必須在應力釋放孔施工完畢后立即將中粗砂回填入孔內，以維持孔形，便于因沉樁產生的樁周土孔隙水壓力通過應力釋放空中的粗砂消散。

在項目四周距離紅線4m處，按照1.2m間距布置2排孔徑500mm、孔深15m的應力釋放孔，并使其呈梅花形布置，共計608孔，共計取土量（V5）為1790m3。根據類似土質施工經驗可知，當應力釋放孔取土量達到樁基釋放土量的50%時，采取的應力釋放措施得當且能滿足應力釋放的要求[3]。通過以上估算，樁基施工釋放的擠土量（V4）為3478m3，應力釋放孔取土量（V5）為1790m3，V5/V4=51%，故可初步判斷本項目采取的應力釋放方案得當。

同時，在兩排應力釋放孔的上方開挖寬2m、深2.5m的應力釋放溝，以避免因淺層土體發生側向位移而導致周圍淺埋式建筑差異變位。在設置應力釋放孔措施之外，還應采用控制工程樁沉樁數量的輔助性措施使周圍土體內應力逐步釋放。根據相關統計，施工過程中所導致土體位移的增加量會在夜間停工過程中釋放25%[4]左右，因此要避免全天不停沉樁施工。

3 應力釋放孔施工

3.1 沉樁及設置應力釋放孔

因本項目東側距離現有商業綜合體建筑地下室較近，故靜壓樁施工順序由東北方向向西南方向推進，并采取調打施工，嚴格控制沉樁速度，平均每天沉樁18根，并確保每天樁基施工間歇8h。

應力釋放孔通過直線拉距方式定位后，測量員進行其中軸線測放，再由施工人員嚴格按照施工圖孔位間距定出孔位。本工程采用長螺旋鉆頭回轉成孔施工工藝，由螺旋式刀片旋切土體，并順刀片將土體螺旋擠出，待開挖成孔至設計深度后提鉆出剩余土，將四周綁扎好毛竹片的鋼筋籠安放在應力釋放孔孔內，以避免土體進入影響孔隙水壓力釋放。通過人工方式在鉆孔內回填黃砂至地面高度，并將鉆機移動至下一孔位繼續開孔。在鉆孔過程中應加強定位放線、成孔、填砂等環節的質量控制。在鉆孔前應量取鉆具長度和鉆頭直徑，符合設計要求后將樁機就位，并緩慢勻速下沉鉆頭開挖。

為保證所設置的應力釋放孔效果的充分發揮，應當改進和優化打樁次序。先壓入樁的周圍土體發生固結后會增加土體和樁周土之間的摩阻力，從而起到抑制后壓入樁土體隆起的作用。也就是說，土體的隆起通常發生于壓樁推進方向，所以，打樁時應向背離既有建筑物的方向施打，先壓長樁，后壓短樁，并降低壓樁施工速度，以便壓樁過程所產生的擠壓應力和超靜孔隙水壓力能得到充分消散。

3.2 變形監測

在沉樁施工過程中還應在應力影響范圍內設置監測點，進行各測點水平位移增量及豎向位移增量等的定期監測，并根據所取得的數據繪制監測時間、位移變動量等曲線，結合監測及分析結果進行應力釋放孔的增加及施工方案的調整，以保證靜壓灌裝樁基施工過程中應力釋放孔作用的有效發揮。

本工程靜壓樁施工過程中監測單位進行周圍建筑物裂縫、變形、沉降等的跟蹤監測，根據監測結果，本工程預制沉樁施工期間四周建筑物垂直變形累計最大值僅為9.2mm，比設計及監測方案所規定的±20mm的預警值小，且在建筑物外墻等處均未發現墻皮脫落、既有裂縫增大、沉陷、變形等狀況。充分表明，本工程靜壓預制管樁應力釋放孔設置科學合理，并對靜壓預制管樁施工所造成的擠土效應釋放效果良好。

4 結語

本工程設計及施工結果表明，靜壓法預制高強度預應力混凝土管樁沉降施工無泥漿污染，且施工噪音較小，滿足環境保護和文明施工等方面的要求，且混凝土管樁均工廠化預制，管樁質量有保證，管樁單位承載力造價在各種樁型中也較低，經濟效益優于其余樁型；沉樁施工后也無混凝土養護方面的要求，可立即進行上部結構施工，并能直觀地實現對壓樁系數和壓樁力等參數的控制及對單樁豎向承載力的判斷，施工質量有保障。但是在靜壓法預制混凝土管樁沉樁施工過程中會對樁周土產生擠壓效應，并對周圍建筑物和既有管線造成不利影響。實踐證明，應力釋放孔是解決軟土地基靜壓法預制管樁樁基沉樁施工所產生擠土效應破壞程度的有效措施，為保證施工方案的切實可行及施工效果，必須在施工前經過周密的方案設計、論證及可行性分析，并在壓樁及應力釋放孔鉆孔過程中嚴格按照設計方案執行。實踐證明，應力釋放孔緩解靜壓樁擠土效應的效果主要受設計孔深、孔距、孔徑等因素的影響，通過加強對上述參數取值的合理控制，以保證取得最佳的施工效果。