静压桩挤土效应对临近芯片测试封装厂房影响分析和控制措施

沈建斌 张金凤

（信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司苏州分公司，江苏 苏州 215163）

关键字：挤土效应；防微震要求；静压管桩

1 静压管桩基施工挤土效应

静压桩在沉桩过程中，由于预制桩自身的体积占用了土体已有的空间体积，致使桩四周的土体向四周排开。当桩周土为非饱和土时，土体受到挤压时体积会有收缩，在一定的程度上能抵消挤土效应产生的应力。当桩周土为饱和土时，土体受挤压时体积不会收缩或收缩量极小，从而引起土体产生水平位移，并会在一定的范围内造成地面的垂直隆起和抬高，挤土效应十分显著。过量的土体水平位移和垂直隆起作用在先前打入的桩上，会造成桩位的偏移、翘曲或者上抬，严重时会造成桩体断裂；对临近的建筑、市政管道和道路造成不同程度的破坏。

另外，对于饱和软土，沉桩时桩周土体会产生较高的超静孔隙水压力，一般情况下，桩周附近土体的超静孔压最大，随着离桩表面距离的增加，超静孔压急剧降低且消散也比较迅速，在15 倍桩径以外，超静孔隙水压力很小，可以忽略不计。

2 项目实例

2.1 项目概况

苏州某公司拟扩建生产厂房，该扩建生产厂房南侧约14 米为已建的芯片测试封装厂房，且周边地下还有一期的污水、雨水管道和电缆等市政设施。

拟扩建生产厂房为6 层的砼框架结构，建筑物长104米、宽95 米，柱距10mx10m，地坪和二层楼面活荷载为10.0Kn/m2，三层~六层楼面活荷载为7.5 Kn/m2，屋面荷载2.0Kn/m2，局部5.0Kn/m2，经计算，中间柱底反力标准值约11,000 Kn，边柱柱底反力标准值约6，000 Kn。

相邻的已建芯片测试封装厂房，存在有微振区，微振要求为：设备A 区域：振幅：15μm/s；设备B 区域：振幅：25μm/s 。

2.2 场地地质状况

拟建场地地势平坦，在地表下50 米深度范围内，除素填土外，其余均为第四纪滨海、河湖相沉积物，按其工程特性自上而下可分为10 个主要层次1） 素填土：杂色，松散；2） 粘土：灰黄色，可塑；3） 淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，土层层厚7.0~10.5m，层顶标高-3.23~2.39m；4） 粉质粘土：灰黄色，可塑~软塑；5） 粉土：灰色，稍密；6） 粉质粘土：灰色，可塑~软朔；7） 粉质粘土夹粉土：灰色，可塑~软朔；8） 粉砂：灰色，中密~密实，很湿，全场地分布；9） 粉质粘土：灰黄色~灰绿色，可塑，干强度及韧性中等，全场地分布；10） 粉质粘土：未揭穿。

上述土层，从第2 层至第10 层，饱和度Sr 值的范围在94%~100%之间，基本接近看作为饱和土的性能,尤其是第3层淤泥质粉质粘土。

苏州市孔隙潜水历史最高水位2.63m（黄海高程），近3~5 年最高水位2.50 米，最低潜水位-0.21 米（本项目的场地自然地坪标高2.93~3.60 米）。

2.3 挤土效应预防和控制措施

整体桩基设计及施工方案是为保证对已建芯片厂房影响很小、满足已建厂房产品的优良品率不下降的前提下，尽量缩短施工周期，控制建厂的成本，产生最大的综合效益。

1） 设计桩型的选择，静压管桩施工简单，单桩承载力较高，质量易保证，经济型较好，但挤土效应比较明显；钻孔灌注桩施工周期长，造价较高，现场会产生大量的泥浆，对现场环境影响比较大，但无挤土效应，为非挤土桩。

结合上述静压桩和钻孔灌注桩的优缺点，根据本项目的情况，采用的桩基方案如下：

新建厂房最南侧（临近已建芯片测试封装厂房厂房） 一排砼框架柱基础采用直径700 的钻孔灌注桩（KZHb700），桩长34 米，桩端持力层为第8 粉砂层，单桩竖向承载力特征值Ra=1800KN；其余区域的砼框架柱基础采用直径600 的静压预应力混凝土管桩，桩型号：PHC-600 (110) AB-C80，桩长32~34 米，桩端持力层为第8 粉砂层，单桩竖向承载力特征值Ra=1850KN。所布置的桩基平面图，其四周边柱为4~5桩承台，中柱6 桩承台，桩基总数约750 根。

2） 土塞效应对挤土效应的影响，开口静压管桩在沉桩过程中，一部分土被桩挤压到桩四周，一部分土进入静压管桩的内，在桩端部分的土塞将产生拱效应，拱效应在管腔内壁产生很大的内摩阻力，从而形成土塞效应。两者相互影响，由于土塞效应的存在，沉桩过程中产生的挤土效应相应减小，故本项目采用开口型钢桩尖（苏G03-2012 图集中第45 页A 型钢桩尖），一方面加开口型钢桩尖有利于沉桩，另一方面可以减少挤土效应。

3） 设置砂井，由于本项目的土层基本上都接近饱和土，特别是第3 淤泥质粉质粘土，属于饱和软土，其土层层厚度达7.0~10.5m，沉桩过程中会产生较大的超静孔隙水压力，为尽量减轻超静孔隙水压力和挤土效应的影响，决定设置砂井。

砂井方案如下：在施工区域南侧（即本新建项目和已建芯片厂房两者中间），并向东西两侧各延伸15m，施工两排砂井。砂井防护的间距采用1000mm，采用双排布置，桩径采用Ф500mm，排距为1000mm，深度为20m，一共245 根。灌砂材料采用中粗砂、中砂掺瓜子片或砾砂等均可，要求灌砂率不少于90%。引孔机采用跳引的方式施工，即采用间隔的方式施工,计划每天施工25 根，用时10 天，引孔结束后5天，开始桩基施工。详见下图1。

图1 砂井方案

4） 选择合理打桩顺序和控制沉桩速率，一个合理的打桩顺序对减轻挤土效应的影响、保护临建建筑、地下管道和市政设施也有较好的效果。背离临建的建筑打桩，其对已建的建筑影响会有一定程度的下降，原因主要有两条：①随着沉桩数量的增多，越到打桩后期，由于土体本身可压缩性几乎消除，挤土效应愈加明显；②前期打入的桩，对后面桩基施工所产生的土体位移有阻挡效应，从而对已建的芯片厂房起到一定的保护作用。

根据上面所述，本项目先施工最南侧的钻孔灌注桩，然后从南向北按一定的流线施工静压桩，合理的安排打桩顺序。

项目的桩基施工流线图见下图2：

图2 桩基施工流线图

另外，沉桩速率过快也会加剧挤土效应，本项目控制打桩的速率为1.5m/min，并控制好每天的打桩数量。

5） 已建芯片厂房的微振检测，已建芯片厂房的某些设备有微震要求，设备A 区域，振幅：15μm/s；设备B 区域：振幅：25μm/s。微震等级技术要求表见下表1：

表1 设备微振等级分类

根据上表的要求：对应设备A 区域，其防微振要求为VC-C 等级；对应设备B 区域，其防微振要求为VC-B 等级。为检测临近芯片厂房在采取上述2.3.1~2.3.4 条设计方案和减轻挤土效应的施工方案后，其防微震等级仍满足原设计要求，保证产品的优良品率不下降（达到95%），决定在桩基施工期间对设备的微震情况进行检测。

本工程采用SA－02A4 四通道振动分析仪及三轴加速度传感器检测采集设备的微震数据，单位换算： dB=20log10 微英寸每秒；1μm/s=39.37μin/s。

①设备A 区域微振测试表，采用设1/3 倍频程评价振动的方法，得到设备A 区域的振动数据，以下各图依次为Z向、X 向、Y 向的数据结果，测量图表数据果如下：

图3 设备A 区域1/3 倍频程振动测试表

根据上述数据，设备A 区域在桩基施工期间，其微振满足原有的VC-C 等级要求。

②设备B 区域微振测试表，采用设1/3 倍频程评价振动的方法，得到设备B 区域的振动数据，以下各图依次为Z向、X 向、Y 向的数据结果，测量图表数据果如下：

图4 设备B 区域1/3 倍频程振动测试表

根据上述数据，设备B 区域在桩基施工期间，其微振也满足原有的VC-B 等级要求。

3 结语

由于芯片测试封装厂房中的设备有微振要求，其对静压桩施工时产生的挤土效应更加敏感，故对挤土效应采取的防护和控制措施需综合、全面的考虑。

实践表明，根据挤土效应原理，选择合理的桩型、桩尖和打桩顺序；控制好沉桩速率；根据项目情况和地质条件，设置适当的砂井数量；并在桩基施工时对临近芯片厂房的微振情况进行测试，微振测试结果完全满足原有的设计要求，其对类似的工程项目也可提供很好的参考价值。