静压桩沉桩挤土效应控制措施研究*

汪耀武,张 扬

(黄冈职业技术学院土木建筑工程系,湖北黄冈438002)

静压桩沉桩挤土效应控制措施研究*

汪耀武,张 扬

(黄冈职业技术学院土木建筑工程系,湖北黄冈438002)

静压桩在沉桩过程中会产生挤土效应,对周围环境造成不利影响。分析了挤土效应的具体表现,并且从设计和施工两个方面提出控制措施。在具体工程中可根据实际情况综合考虑,采取相应的合理控制措施。

地基基础工程;静压桩;挤土效应;控制措施

1 概述

静压桩作为挤土桩,在沉入饱和粘性土、特别是饱和软土地基的过程中,桩身将置换同体积的土,会产生巨大的侧向挤压作用,对周围环境产生多方面的不利影响,这些影响统称为挤土效应。特别是在用地紧张的地区和密集建筑群中建造高层房屋时,沉桩造成临近建筑物和地下公用设施破坏的事例时有发生,由此引起的纠纷、诉讼等常迫使工地停工、工期延误。静压桩沉桩挤土效应受到越来越多的关注。

2 沉桩挤土效应

静压桩在沉桩过程中产生的挤土效应主要表现在以下四个方面:

(1)压桩时桩周土层被压密或挤开,使土体产生水平移动或竖直隆起,可能造成邻近已压入的桩产生上浮、桩位偏移和桩身翘曲折断。并可使邻近建筑物破坏、管线断裂、煤气泄漏、道路不能正常使用等。

图1某工程压桩产生的水平位移

如图1所示,河南某工程在静压桩施工中产生的最大水平位移达到了11.5cm,对周围环境产生了很大的影响。

如图2所示,河南某工程在静压桩施工中周围某建筑物台阶面砖发生隆起和破裂,造成了一定的经济损失。

(2)如果静压桩入土深度较深,或者地下水位较浅,在沉桩过程中会产生很高的超孔隙水压力,造成土体破坏。未破坏的土体也会因超孔隙水压力的不断传播和消散而蠕变,导致土体垂直隆起和产生比较大的水平位移。

(4)压桩后桩周土体中超孔隙水压力缓慢消散,土体会再固结。当桩间土的压缩量大于桩尖的下沉量时,桩侧就会受到向下的负摩阻力作用。随着超孔隙水压力的消散,一些土体还具有触变效应,强度会有所恢复。

另外,有压水从土中渗出需经相当长的路径和时间,超孔隙水压力形成以后不能马上就消散,而是随着压桩的深入越积累越高。当地基中的超孔隙水压力达到上覆土压力时,土粒间的有效应力完全丧失,土粒呈悬浮状而液化,产生喷水、冒砂和地基失效等现象。

3 控制措施

在外荷载作用下,土中孔隙水排出,土体因发生体积变化而被压密的时间过程称为土体固结。静压桩施工的过程实际上也是一个土体挤压—重塑—固结的过程。通常说到的土体固结均是针对饱和的二相土(即孔隙中完全充满水的软土)而言,太沙基提出了著名的有效应力原理及其数学表达式:

式中,σ为总应力,σ′为有效应力,u为孔隙水压力。

式(1)解释了固结过程中土体孔隙水压力和有效应力分担外荷载总应力及彼此相互转换的土体固结机理。固结实际上是土中孔隙水压力u不断消散,有效应力σ′不断增长的过程。静压桩施工过程中随着桩不断被压入地层,由于外荷载的存在土体总应力也在不断地增加,那么怎样才能有效控制和减小静压桩施工产生的环境影响,实际上就是如何消除施工过程中土体产生的挤土效应和超孔隙水压力,这是探讨的关键。在静压桩施工过程中,施工监测是很重要的辅助手段。根据监测所得数据,对施工过程中的环境影响程度加以分析,以便及时调整工艺参数。

压桩对周围环境影响的敏感深度在10～15m,深度20～30m影响较微。为了减少静压桩施工对周围环境的影响,我们主要考虑从设计和施工两个方面来采取相应措施。

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3.1 设计方面控制措施

静压桩只适应于软土地基和覆土层不厚的岩溶地区,不适用于贯穿厚度大于2m的中密以上砂土夹层或进入中密以上的砂土持力层。考虑到压桩过程中的挤土效应,危房、精密仪器房周围、地下水丰富和地下管线多的地区不宜采用静压法施工。

(1)桩基础方案选择

在工程设计时,可以选择沉桩挤土影响小的桩基础方案。因为桩基础的形状会对土体位移分布产生较大影响。比如桩群形状如果不规则不对称,产生的侧向位移会更大;桩基内部如果存在高差,较低区域的隆起位移会增加而较高区域的反而会减少等。

(2)疏桩设计

所谓疏桩设计是指把静压桩的数量进行精减,间距加大,提高单桩的有效承载力,充分发挥桩间土的承载力,即桩基础上部荷载不再由桩全部承担而是由桩与桩间土共同来承担。采用疏桩设计能大大减少入土桩数,避免桩端平面应力重叠部分过大,从而减少排土体积。另外,还可减少土体因剪切变形产生的破坏和浅层土体的隆起位移。所以疏桩设计可以有效降低群桩挤土效应对周围环境产生的影响。

3.2 施工方面控制措施

(1)井点降水

静压桩施工过程中会在瞬间产生很大的超孔隙水压力,对周围环境产生很大影响。如果能在压桩之前就将地下水位降低到一定深度,施工过程中产生的超孔隙水压力就会大大减小。虽然降水是一项很好的控制措施,但在降水过程中也会引起周围地面和建筑物发生沉降,所以这两种效应需要综合考虑,并在降水过程中加强监测工作。

(2)预钻孔法

预钻孔法是指压桩前预先在桩位处或沉桩区域内钻孔取土,减少压桩时的排土体积,从而降低对周围土体的挤压效应。当预钻孔位布置在非桩位处时,为沉桩时桩周土体向四周挤压腾出一定空间,避免土体隆起位移或者水平位移过大,减少对工程周围环境的影响。为了方便压桩的准确定位和保证桩身的承载能力,预钻孔的孔径不应大于静压桩的直径,一般取为桩径的1/3～2/3。另外,桩孔原位取土比较容易造成压桩桩位偏差,在施工中要严格加以控制。

根据相关实测数据,采用预钻孔措施进行控制后,桩周土体水平位移可减小30%,超孔隙水压力可减小40%,可见预钻孔法对控制沉桩挤土效应是一种很有效的措施。

(3)砂井或塑料板排水法

静压桩沉桩时,随着桩体入土深度不断增加,土体中超孔隙水压力也在急骤上升,如果不能及时加以排出,土体结构就会遭到一定程度的破坏。砂井或塑料板排水法是一种较为经济且有效的防治措施,尤其施工场地有浅埋砂性土层时,效果会更为明显。

具体方法是在沉桩区域四周或者群桩内部,挖出具有一定桩径和桩深的桩体空间,内部填塞砂或者埋置塑料板等,也就是设置了一条人工排水通道。在沉桩施工过程中,产生的超孔隙水可流向砂井或经塑料板及时排出,加快超孔隙水压力的消散,从而降低其不利影响。砂井深度及间距应根据具体情况而定,目前常用砂井深度一般为10m左右,间距1.5～2.0m,砂井直径0.4m(宜用小直径)。这种方法主要是使沉桩过程中引起的超孔隙水压力能够及时消散,但对减少土体的排土体积效果并不显著。

(4)设置防挤沟

当桩基附近地下埋有通讯电缆、供水干管或邻近有重要建筑物时,设置防挤沟可以减少地基浅层土体的侧向位移和隆起影响,并减少对邻近建筑物和地下管线的挤压作用。防挤沟的长度比施工建筑物基础长2m,宽度一般采用1.2～2.5 m,深度超过地下管线埋置深度或邻近建筑物埋置深度1m,沟内可依据工程实际情况回填砂或其它松散材料。由于防挤沟无法隔断深层土体中应力波的传递路径,这种方法对于减少地面表层的位移效果较好,所以一般用来保护浅层地下管线或者周围路面。采取这一措施时,注意要防止沉桩引起沟壁坍塌造成损害。

(5)控制沉桩速率

控制沉桩速率主要包括两个方面内容,一是每天沉桩数量,二是连续沉桩的天数。控制沉桩速率的主要目的,是为了避免超孔隙水压力急剧升高,造成对土体的扰动和对周围环境的破坏。如果压桩加载速率大大超过土体中超孔隙水压力的消散速率时,土体含水量会增大。当土体受到的剪切力大于其粘聚力时,就会发生膨胀,导致粘聚力降低而内摩擦角增大。随着压桩的不断深入,各土层侧向部分将被压缩,而竖向部分则被挤胀。当侧向部分已经不能继续被压缩时,地面将发生隆起,从而产生裂缝。连续沉桩过程中,土体中的超孔隙水压力不断聚集,对土体的扰动也会不断增加,尤其是在压桩后期,由于土体本身已经接近于不可压缩,其位移对沉桩速率会特别敏感,所以在后期更应严格控制沉桩速率。

(6)合理安排沉桩顺序

合理安排沉桩顺序对减少挤土效应的影响十分重要。挤土效应理论分析中假定桩周土体是均匀的,但实际沉桩时土体被挤向阻力小的方向。对着被保护建筑物的方向沉桩,要比背着建筑物沉桩挤土影响大得多。如图3所示,桩机两侧布置的测斜孔中,迎向压桩方向的测斜孔B距离桩机要远,但测得的土体水平位移却要大于距离近但背向压桩方向的测斜孔A。这是因为背着既有建筑沉桩时前面已经沉入桩的区域逐渐成为阻力区,起到一定的屏障作用。

图3水平位移与压桩方向关系

安排沉桩顺序主要从两个方面来考虑:①减少压桩区域内挤土效应;②减少群桩对周围环境的影响。两个方面侧重不同则选择的沉桩顺序亦不一样,这就要求在具体施工过程中抓住主要矛盾,根据实际情况来选择适宜的沉桩顺序。在群桩施工中选择合理的沉桩顺序,能最大限度地消除压桩区域内桩位的偏移问题。

4 结束语

静压桩是一种质量容易保证、承载性能稳定的桩型,在生产实践中得到了越来越广泛的应用,成为工业与民用建筑中重要的基础形式,但其在沉桩时引起的挤土效应更不能忽视。本文分析了静压桩沉桩挤土效应的具体表现,并且从设计和施工两个方面对控制措施进行了研究。在具体工程中可根据实际情况综合考虑,采取相应的合理控制措施。

[1]陈明辉.静压预应力管桩施工中常见的问题及预防措施[J].山西建筑,2006,32(14):141-144.

[2]刘熙峰.某预制桩工程孔隙水压力测试与评价[J].电力勘测设计,2003,15(4):7-9.

[3]樊良本,朱国元.桩周土应力状态的圆柱孔扩张理论试验研究[J].浙江大学学报,1998,32 (12):57-60.

[4]蒋建平,高广运.挤土桩施工的环境问题及其防治措施[J].施工技术,2004,33(1):9-11.

Study on Control Measures in squeezing Effects of Jacked Pile

WANGYao-wu,ZHANGYang
(Huanggang Polytechnic University,Huanggang438002Hubei)

The obvious squeezing effects caused by the penetration of jacked pile may have severe influence on surrounding engineering environment.The idiographic representation of squeezing effects is discussed,and some control measures were given from design and construction.Reasonable control measures can be taken in the actual situation.

Soil and foudation engineering;Jacked pile;Squeezing effects;Control measures.

TU411.6

A

1672-1047(2010)04-0016-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2010.04.04

[责任审校:秦春娥]

2010-03-19

汪耀武,男,硕士,助教。E-mail:xiaowanglaile@163.com.