淤泥質土層下的預應力管樁偏位控制方法

肖勇豐

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

舟山市某市政項目位于浙江省舟山市舟山本島東北角，占地約19.5 hm2，為一個新建15 萬t 污水處理廠，構筑物單體均為鋼筋混凝土池體結構，建筑物單體均為框架結構，基礎采用“樁+ 承臺+ 基礎梁”或“樁+ 筏板”的結構形式。樁基設計采用PHC-500-A-100 預應力混凝土管樁，樁長28～50 m不等，樁頂標高為-6.55～3.00 m 不等。除圓形二沉池采用環形布置外，其余單體均采用縱橫布置，單樁間距2.00 m～3.50 m 不等，均為樁端承重，整個項目共計約8 160 根，總樁長約38 萬m。其中最大單體生物反應池占地面積約36 000 m2，總根數4 908 根。該工程PHC 管樁施工采用8 臺錘擊樁機、2 臺靜壓樁機及1 臺履帶式潛孔鉆機引孔進行施工。地基基礎設計等級為丙級，樁基設計等級為丙級。

該工程建成后場地絕對標高為3.5 m。場地平整后樁基施工過程中整體標高為2.5～3.3 m。根據地質勘察報告（見表1），勘察范圍內巖土層分6 個工程地質層，14 個工程地質亞夾層。其中素填土雜色，松散，主要由碎塊石、碎石組成。砂礫及黏性土等近期混雜堆填而成，硬質碎塊含量較高，粒徑大于100 mm的顆粒含量超過50%，最大直徑約1.5 m 塊石，土質極不均勻。

表1 地質勘察報告一覽表

該場地勘察深度內地基土分布不均勻，且上部為淤泥質土。該層為典型的飽和軟黏土，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低的特點，稍受外力作用就會發生擾動、變形，且強度顯著下降。同時，其還有低滲透性、觸變性和流變性等特點。②層土為淤泥質土層,頂標高為3.21～-15.08 m，層厚為7.4～37.0 m。

2 管樁施工及土方施工

2.1 管樁施工

（1）由于該項目總體樁基工程量較大，采用分單體分階段沉樁施工的方案。該項目所在范圍北、南、東三面環海，原為圍海用地，管樁施工前已經完成塘渣回填工作。根據地勘報告，素填土局部含有碎塊石、碎石，粒徑大于100 mm 的顆粒含量超過50%，最大直徑約1.5 m 塊石，故現階段的場地可滿足樁機行走需求。綜上所述，確定該項目的管樁施工為先沉樁，后基坑開挖的方式，避免了基坑內管樁施工振動對邊坡的影響，以及基坑內淤泥質土層造成管樁無法施工的不利影響。

（2）預應力管樁是擠土型樁，大面積群樁施工會產生“浮樁”和“側向偏位”現象。在施工時，要選用適當的成樁方式，合理安排打樁順序。打樁時應控制沉樁速率并加強觀測。該項目選擇從中間向四周打樁，并采用局部間隔成樁的方案，避免了管樁整體產生的擠土效應，又避開了緊鄰管樁施工相互擠壓造成的位移現象，保證管樁成樁質量。淤泥質土層采用慢速沉樁，選擇合適的錘重，若速度過快，則產生的擠土效應也越大，對周圍鄰樁的影響也越大，容易產生樁體上浮和土體上涌現象。

2.2 土方開挖

針對該項目特點，確定的開挖整體方案為分層分段、由淺到深、對稱平衡開挖的整體方案。水解酸化池及生物反應池單體開挖深度較淺，塘渣回填區域采用挖機一次性開挖到位，及時澆筑墊層的施工方案，詳見圖1、圖2 所示。

圖1 塘渣回填區域整體開挖效果之實景

圖2 塘渣嵌固樁基效果之實景

而在淤泥質土層區域，采用長臂挖機進行分層開挖、樁基周圍對稱開挖的施工方案，并嚴格控制基坑邊堆載，但仍存在開挖完成后，約2 h 后，出現管樁偏位現象，詳見圖3、圖4 所示。

圖3 淤泥質土區域開挖樁基偏位之實景一

圖4 淤泥質土區域開挖樁基偏位之實景二

3 管樁偏位原因分析

3.1 直接原因

從該項目施工的過程來看，管樁在制作、運輸、堆放過程中均未發現管樁開裂和損傷情況。在沉樁施工過程中也未發生傾斜、遇到地下障礙等情況。場區內塘渣回填區域樁基施工過程中也采取局部翻渣剔除大石塊或采用ZJL-90 型履帶式潛孔鉆機進行引孔作業，單樁引孔深度約10 m，然后再施工預制樁，也較好地保證了預制樁的施工質量。

樁基沉樁結束后經過約兩個月的靜止期后，才進行淤泥質土區域內土方開挖。樁基施工和土方開挖間隔較長，土中孔隙水壓力得到了較好的釋放。

但淤泥質土層區域一經開挖，尤其是局部落深區域（落深僅1 m），管樁在極短時間內向基坑內一側有規律地持續性傾斜，淤泥質土向基坑內出現較大幅度流動，邊坡出現明顯的土質斷層現象。詳見圖5、圖6 所示。由此可見，造成管樁傾斜的直接原因是開挖后淤泥質土的位移帶動管樁偏位。

圖5 淤泥質土整體成流塑狀之實景

3.2 內在原因

預應力管樁由于自身特點，其抗彎能力較差，且由于管樁為C80 高強混凝土，易發生脆性開裂。該項目場地局部土層為淤泥質土屬于典型的飽和軟黏土，具有高壓縮性，高含水率、抗剪強度低、承載力低等特點，稍有外力作用就會發生擾動、變形且強度顯著降低。同時，還具有低滲透性、觸變性和流變性等特點。其含水率達到45%，粘聚力僅6.8 kPa，內摩擦角僅4.6°。

基坑剛開挖到坑底時，樁位基本正確，未發生明顯偏位，而隨著局部落深區域（落深約1 m）的施工，樁位偏位明顯增加，說明淤泥質土層十分軟弱，流動性很大，高差較小的土坡擠壓力都可以使預應力管樁受到明顯的影響。

淤泥質土的特性，以及預應力管樁的抗彎性能較差的雙重誘因共同導致了淤泥質土層中預應力管樁的偏位問題出現。

4 預防管樁偏位控制方法

針對該項目前期局部土方開挖過程中在淤泥質土層中出現的部分管樁偏位事項，及時暫停該部分區域土方的開挖，避免大面積的管樁偏位，帶來不可避免的工程質量事故。由于該項目為設計、采購、施工工程總承包項目，需要在保證工程質量、進度、安全的前提下以較低的成本確保管樁工程質量。針對不同的區域及開挖深度并結合土層分布情況可采取以下幾種控制方法[1-6]。

4.1 工字鋼拉結管樁二次開挖方法

針對該項目水解酸化池及生物反應池區域整體開挖深度約1 m 的情況，局部區域落深1 m 的情況采取以下開挖方式：

（1）先整體開挖至淺坑基底標高，將所涉及區域的樁頂露出。

（2）局部落深1 m 范圍內兩側工程樁，采用16 a工字鋼縱橫向水平加固，將管樁端板與工字鋼焊接固定，形成一個整體。

（3）采用長臂挖機分兩層依次開挖，遇到工程樁部位對稱平衡開挖。

（4）開挖完畢后及時澆筑混凝土墊層，墊層厚度加厚為300 cm 厚，對兩側邊坡形成有效的支撐。

通過上述方式，水解酸化池及生物池局部落深1 m區域的兩側管樁均未發生偏位現象，僅兩側淤泥質土與管樁之間出現較大空隙。通過將管樁成功束縛住，保證了管樁的垂直度。而且該工字鋼可以重復利用，成本投入較少。具體詳見圖7～圖9 所示。

圖8 及時澆筑墊層做封底支撐之實景

圖9 局部落深與相鄰區域樁位布置示意圖

4.2 高壓旋噴樁土體加固后再開挖

針對二沉池D 池區域中心筒區域開挖面積約120 m2，開挖深度較深（深度約5 m），該部分的主要開挖目的是池體下部工藝管道敷設，為結構池體服務的工程樁在工藝管道上部，比開挖基底高約1.6 m。根據地質勘察報告顯示該區域開挖主要土層為淤泥質土層的情況，結合拉森鋼板樁在淤泥質土層中極易偏位情況，整體考慮將該基坑拉森鋼板樁范圍內坑底進行高壓旋噴樁土體加固。加固土體深度為4 m，水灰比宜為0.9～1.1，水泥摻量不少于25%，加固體28 d 齡期無側限抗壓強度不小于1.0 MPa。通過此種加固，可分散和減少對工程樁的側向壓力,提高了拉森鋼板樁的嵌固力，保證了施工安全和工程樁質量。具體詳見圖10 和圖11 加固前后對比圖，以及圖12加固區域剖面示意圖。

圖10 淤泥質土未加固之前土方效果及工程樁偏位之實景

圖11 加固后土方開挖效果之實景

圖12 加固區域剖面示意圖（單位：mm）

4.3 先換填再沉樁后開挖

由于該項目位于舟山本島東南角，場地為后期人工填海而成，填海過程并沒有對原有土體進行相應的處理，只是利用周邊臨近山體開采材料塘渣進行回填至場地標高，場地平整后整體標高2.5～3.3 m，建成后場地標高為3.5 m。根據地質勘察報告，場地內存在厚度不一的淤泥質土層，是典型的海相淤泥質軟土地基。結合項目整體開挖情況，局部塘渣回填區域較厚，開挖基底標高均為塘渣回填區域，工程樁的偏位情況基本未出現，具體詳見前文2.2 土方開挖章節中的圖1、圖2。

故后期在海相淤泥質軟土地基范圍內的其他項目進場施工中，可針對項目具體分析，局部淤泥質土層埋深較淺區域，可采用先開挖換填再進行沉樁施工的方式，換填厚度以工程樁頂標高下臥1.5 m 為宜。回填材料可采用塘渣（碎石較多，粒徑不超300 mm）或建筑渣土等，具體材質可依據項目現場而定。通過局部換填，可保證樁機機械行走和材料運輸，也可有效減小工程樁的送樁深度。具體的換填厚度依據工程樁的數量、樁機機械的荷載、場地大小等因素整體考慮。

通過換填，施工樁身垂直度就有更有力的保證，但是因涉及到費用原因，可整體分析考慮，若后期工程樁的Ⅲ類、Ⅳ類樁較多，需要二次補樁或加大灌芯深度等措施來彌補。否則，特對項目的工程質量、進度等帶來不利影響。總之，海相淤泥質軟土地基施工前應充分查閱勘察文件及了解現場實際情況，分析地層對施工的影響，并做出提前處理，防止發生不必要的質量事故。針對后期樁基施工完畢再進行土體加固等后期彌補方式而言，先換填再沉樁后開挖的方式是相對較經濟實效的。

5 結 語

預應力管樁目前應用較廣，但是若對管樁的應用條件認識不足，對其處理措施不當，很可能會發生工程質量問題。特別是在土體條件較差的軟土地區，管樁的設計及施工不當均會對預應力混凝土管樁的偏位產生巨大的影響。因此在軟土層采用混凝土預應力管樁需要慎重考慮，若必須采用預應力管樁，應當優先對軟土地基進行處理，再選用合適的施工措施來進行樁基施工，以減少軟弱土層對施工產生的負效果。總之，要通過設計、施工共同融合來保證預應力管樁的整體工程質量。