静压桩浮桩导致承载力下降的问题分析与控制措施

何同继

(中铁十六局集团有限公司北京交通轨道建设工程有限公司, 北京 101100)

静压桩浮桩导致承载力下降的问题分析与控制措施

何同继

(中铁十六局集团有限公司北京交通轨道建设工程有限公司, 北京 101100)

静压桩在沉桩过程中产生的挤土效应十分明显，由挤土效应所引发的土体水平位移及挤压力会对周围建(构)筑物及环境产生不利影响。压桩过程中产生强大的挤压力使得施工区域内桩体上浮、偏位、折断时有发生。文章结合昆明地铁石咀车辆段及综合基地，对地铁静压桩浮桩导致的承载力下降问题进行了深入的分析，在此基础上，提出了预防桩体上浮的施工措施建议。

静压桩； 挤土效应； 承载力； 上浮； 控制措施

静压桩属于挤土桩，施工过程中，在静压桩机的静压力下，将桩尖压入至土层中，造成土体的剪破坏，地基土层中的孔隙水在管桩桩尖的挤压作用下从而产生不均匀水头，随着超孔隙水压力逐渐增加，则会破坏原状土的初始应力状态。桩周围的土体在挤压作用下，一定范围内便形成塑性区，当管桩周边土体所受应力超过其承受强度时，土体便会形成塑性流动(黏性土)或挤密位移和下沉(砂性土)，土体发生距离形变进而达到极限时，这种破坏和扰动随着桩体进入土层深度的不断增加并向下传递，从而很容易使桩身贯入[1]。

静压桩分析方法有其特殊性和复杂性，既包括几何非线性和材料非线性，又包括接触非线性，因此，在桩挤土应力、挤土位移的解析及数值解方面都进展的较为缓慢。目前，有代表性的理论研究方法有圆孔扩张法(CEM)、应变路径法(SPM)、有限单元法(FEM)和滑移线理论[2-5]。

静压桩施工时，受挤土效应影响，不可避免地会存在相应浮桩现象。因此，如何解决软土地基中浮桩现象所导致的承载力下降问题，一直是工程界关注的热点。本文结合昆明地铁石咀车辆段及综合基地静压桩工程实践，对软土地基中静压桩浮桩导致承载力下降问题的原因进行分析，并提出针对性控制措施，对类似工程具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

昆明地铁石咀车辆段及综合基地位于昆明市西山区，为原省属企业昆明水泥厂的旧厂址。段址东面以成昆铁路为界；南面以石咀米轨车站为界；西面以春雨路为界；北面以320国道为界，石咀车辆段及综合基地主要包括运用库、检修库、综合楼等18栋单体建筑，总建筑面积为79 945.65 m2。同时包括厂区场地平整和新建构(建)筑物、厂前区范围内的土建工程、线路、路基、厂区管道施工、道路施工、种植绿化、辅助设施的土建施工和设备采购、安装、调试等技术服务。预应力管桩统计见表1，地基土物理力学性质表2。

表1 石咀车辆段预应力管桩统计

表2 地基土物理力学性质

2 静压桩挤土机理

管桩周围土体在施工过程中，受到径向挤压和竖向剪切作用，应力应变状态产生极大的变化，与此同时，距桩体一定范围内的土体结构、密度以及含水量发生改变，因此使得土的物理力学性质也发生改变[6]。

土体的位移特征随着土性的改变而改变，并且桩在压入不同土层深度时，其位移模式也会有所不同。对于粘性土层，当管桩压入较浅土层时，由Terzaghi所提出的管桩周边土体位移模式(图1)可看出，管桩尖部以下土体的破坏性直接延伸到地层表面，从管桩侧面呈楔形破坏并挤出；当管桩压入较深地层时，由Meyerhof所提出的管桩周边土体破坏模式(图2)可以看出，桩尖土体发生体集破坏，地表处的土体隆起幅度要比深层土体隆起幅度大；Zeevarert认为出当管桩尖部伸入到不可压缩介质地层时，土体可能会按照图3的模式进行移动，此类模式与球形孔的扩张相似；当桩尖施工至密实黏土中时，Massarch认为近地面土体受粘聚力的作用影响，其运动主要来自垂直面上向下位移，进而从管桩桩体两侧挤出，接近地层表面的土体则会向上隆起，随着管桩插入深度逐渐增加，其位移模式也随之产生变化，运动轨迹主要沿径向发展，与柱状孔的扩张相似(图4)。

图1 Terzaghi位移模式

图2 Meyerhof位移模式

图3 Zeevarert位移模式

图4 Massarch位移模式

3 浮桩导致承载力下降的原因分析

3.1 浮桩导致承载力下降的原因

静压桩承载力下降的的原因多种多样，本文主要从以下两方面分析浮桩导致承载力下降的原因。

(1)静压桩沉桩时产生的挤土效应，会出现浮桩现象，使桩尖与持力层之间产生空隙，从而导致桩体承载力下降。

(2)受地下水位高影响，土层中含水率较高，管桩在施工过程中，土体被挤压变得更加密实，孔隙中的水不能快速消散消散，管桩的下部产生了一个类似密闭容器状水土混合体，只有经过一段时间后，孔隙中的积水才能慢慢消散，而此时桩尖仍未深入到持力持力层，因此竖向抗压静载荷试验很有可能无法满足相关要求。

3.2 孔隙水压力分析

为了测定孔隙压力， 施工前于运用库西侧埋设测斜管，并用西沙回填测斜管与预钻孔之间空隙，在距离地表下3 m、8 m、12 m处分别设置孔隙水压力计，施工前将每个压力机数值调整归0，压桩过程中对孔压进行监测，当管桩施工完成后，每隔4 d测量一次，直至孔隙压力消散为止。监测结果见图5～图7。

图5 孔隙水压力增量与沉桩距离曲线(埋深6 m时)

图6 孔隙水压力增量与沉桩距离曲线(埋深8 m时)

图7 孔隙水压力增量与沉桩距离曲线(埋深12 m时)

研究发现，管桩施工到不同深度时，所产生的超孔隙水压力也是不同的，当管桩施工深度越大时，那么超孔隙水压力则越大，当管桩桩体施工至未扰动土层时，该层土体受到挤压而产生变形，进而使得超孔隙水压力的逐渐增加，由于场地靠近滇池，运用库地下淤泥质黏土天然含水率高，透水性差，因此在施工过程中会产生较大的超孔隙水压力，当沉桩达到地下10 m时，管桩则进入圆砾层及粉土层，相对于淤泥质黏土来说，圆砾层及粉土层渗透性较好，有利于孔隙压力的消散。与此同时，随着管桩压入深度的逐渐增加， 当超孔隙水压力产生的应力超过土体的抗拉强度时，土体随之很产生开裂，从而产生渗流通道，超孔隙水压力因此可以迅速消散，土体裂缝会慢慢闭合，孔压也随之消散，从而进入一个相对稳定的状态。

由此可见，管桩承载力下降的主要原因是由于桩身上浮所引起，但是不能排除桩底持力层遇水发生疏松和涌桩等原因。

4 施工控制措施与效果

4.1 施工控制措施

鉴于以上原因分析，昆明地铁石咀车辆段及综合基地静压桩沉桩过程中采取了以下施工控制措施。

(1)合理选择施工方法及顺序。以本工程运用库承台预应力混凝土管桩施工为例，由于库内群桩施工较密集，且库内多为三桩、四桩承台，距离两侧股道管桩桩位较近，为减少桩体上浮影响，施工过程中应从中心承台开始，按照梅花形进行跳打，相邻承台管桩施工时，至少间隔8 d以上，以最大程度地减少相互影响，确保桩体周围土壤颗粒应力消散。承台施工时，考虑桩周土体受到径向挤压和竖向剪切作用，桩顶标高达到设计值时继续向下增加2 cm，且适当增加压桩终压力。

(2)以本工程运用库为例，在每股道床基础之间沿着轨道方向没间隔15 m设置应力释放孔，使超孔隙压力水和土体变形尽快得到充分消散。

(3)管桩施工时，要做相关的测量工作，尤其是对管桩顶标高的测量。施工完成后及时对已完管桩桩顶标高进行复测，发现浮桩现象时，马上采取相应措施。

4.2 控制效果

4.2.1 桩身完整性检测结果统计

昆明地铁3号线工程石咀车辆段与综合地基主要采用PHC预应力管桩基础，设计桩径500 mm，桩长大于15 m。本工程桩身完整性检测主要采用低应变法，根据设计要求及桩基检测规范要求，低应变检测桩共659根, 通过实测资料进行分析，判定桩身完整性(图8)。其中Ⅰ类桩653根，占99.1%,Ⅱ类桩6根，占检测桩的0.9%。检测结果汇总见表3。

表3 低应变反射波法检测结果

图8 E424号桩低应变桩身完整性检测图

4.2.2 单桩极限承载力的确定

本工程桩单桩竖向抗压静载荷试验结果，30根预应力管桩的单桩承载力特征值均为640 kN，满足设计要求。管桩在堆载1 280 kN时，Q～s曲线未出现明显陡降，且累计沉降量均小于40 mm，按规范规定，取最大加载值为单桩竖向抗压极限承载力，30根预应力管桩单桩竖向抗压极限承载力的50 %为单桩竖向抗压承载力特征值，均满足设计要求单桩承载力要求(图9)。

图9 E424号桩单桩静载试验综合图

低应变法、单竖向抗压静载荷试验结果表明，昆明地铁3号线工程石咀车辆段与综合地基运用库工程桩的施工质量合格。

5 结论

(1)石咀车辆段及综合基地桩承载力下降的主要原因是由于桩身上浮所引起，但不排除桩底持力层遇水发生疏松和涌桩等原因。

(2)沉桩过程中，应根据工程实际情况设置应力释放孔，并合理选择施工方法及施工顺序，应尽量从中间向四周扩散进行打桩，对于相邻间距较小的管桩，建议采取跳打的方式进施工。

[1] 桩基工程手册编委会. 桩基工程手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 1995: 491-495.

[2] 陈文, 施建勇, 龚友平, 等. 饱和粘土中静压桩沉桩机理及挤土效应研究综述[J]. 水利水电科技进展, 1999, 6(3): 38-44.

[3] 沈凤友，姜锋. 静压桩挤土效应研究综述[J]. 江苏建筑, 2006(3): 52-55.

[4] Mayerhof G. The ultimate bearing capacity of wedge shaped foundations. In :Caquo Aed .Proc 5th ICSMFE. Paris:Dunod Press, 1961: 105-109.

[5] Koumoto T, Kaku K. Three dimensional analysis of static cone penetration into clay. In: Verruijt A, etal, eds, Proc 2nd Europe Symp Penetration Test. Amsterdam: Netherland Press, 1982: 635-640

[6] 罗战友. 静压桩挤土效应及施工措施研究[D]. 浙江大学, 2004.

TU753.3

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[定稿日期]2016-12-15