预应力混凝土竹节桩沉桩施工对周边建筑物的影响分析

卢玉华 朱兵见 陶海冰 单华峰

1. 方远建设集团股份有限公司 浙江 台州 318000；2. 台州学院建筑工程学院 浙江 台州 318000

在软土地区建造高速铁路时的地基处理方法主要有置换法、排水固结法、复合地基法、特殊结构法[1]。置换法适合处理浅层软弱地基，在深厚软黏土地区不适用。排水固结法处理深度一般为20～30 m，存在预压排水处理效果的不确定性和次固结沉降变形的影响。研究发现沿海铁路海相软土，次固结变形可占主固结沉降的10%以上[2]。

复合地基由增强体和土共同受力，加固深度受到竖向增强桩体材料影响。近年来，“桩-桩帽-加筋垫层”复合结构、预应力混凝土管桩桩筏整体结构等形式应用广泛，尤其是在深厚第四系软黏土高填方路基的地基处理中。这些结构形式均由桩体承担绝大部分路堤荷载，以充分发挥桩身强度高的优势和特点[1-3]。预应力混凝土竹节桩（以下简称“竹节桩”）表面设置了横向和纵向肋，不仅可以提高桩基承载力，而且大大提高了施工效率，保证桩基施工质量，近年来在浙江东南沿海得到广泛应用。

现有研究表明，在饱和软黏土中进行竹节桩施工，会导致挤土效应，使超孔隙水压力升高，引起周边地表或者建筑物沉降、隆起、倾斜、侧移等复杂的变形[4-6]。地面以下较深层的土体，因上部覆盖土层的重力作用而产生明显的径向挤压，不断往周边扩散，造成邻近建筑物结构或墙体开裂的现象时有发生。

沉桩施工对周边环境的影响因素很复杂，不仅与施工方式有关，还与施工距离、桩长、桩径、桩间距、地下水、土层物理力学性质、群桩效应叠加等有关系。杨大海等[7]利用Abaqus数值模拟软件对锤击法施工PHC管桩的挤土效应进行了模拟，分析了土弹性模量、泊松比、内摩擦角等对沉桩挤土位移和挤土应力的影响。李双龙等[8]对鲁南高铁曲阜东站并轨段路基工程中大面积静压群桩对邻近场地挤土变形的影响进行了现场试验研究，指出横向变形最大影响范围为88d（d为桩径）。卢玉华等[9]研究表明，台州滨海软弱土区域预应力管桩压桩施工过程中影响挤土偏位的范围为桩长的85%，影响孔隙水压力的范围为桩长的80%。

宁波与台州紧密相连，饱和软黏土特性存在一定的相似性，竹节桩在宁波地区的应用经验值得借鉴。叶俊能等[10]考虑竹节桩竹节间空隙对竖向超孔隙水压力的影响，建立了孔压计算公式，并进行了现场测试，发现竹节桩相比管桩引起的超孔隙水压力偏大。周佳锦等[11]通过对外径400 mm的管桩和400-350（80）A的竹节桩进行锤击沉桩施工，在不同的休止期进行现场静载试验。结果表明竹节桩承载性能提高幅度大于管桩，竹节桩施工过程中对桩周土体的扰动程度更大。但文献[11]中没有对竹节桩施工过程对桩周土体的影响进行研究。

上述及现有文献虽然对沉桩施工过程中超孔隙水压力、挤土效应导致的地表水平位移、竖直位移进行了理论研究和现场测试，但都存在一定的局限性：近桩的较大变形研究和测试较多；往往只进行了单一影响因素研究，没有进行多因素耦合研究，规律适用但数据不适合；地基土性质存在时空变异性，桩基方案存在差异；等等。对于建筑物来讲，其对不均匀沉降比较敏感，尤其是砖混结构的民房建筑。本文通过在竹节桩沉桩施工过程中，对建筑物竖直变形进行监测分析，分析饱和软黏土中沉桩施工距离对周边建筑物的影响，所得到的结论可以指导台州滨海新区类似工程施工，优化施工方案，减少对相邻建筑物的影响。

1 工程概况

台州市域铁路S1线一期工程16工区城南车辆段位于温岭市城南镇，属于海积平原区，平坦开阔，地形坡度小于2°，地面高程一般为1.5～3.0 m。地层岩性从上到下分别为：①第四系全新统海积褐黄色、褐灰色粉质黏土，软塑，厚0.5～2.5 m；②淤泥、淤泥质黏土、黏土，成互层状，深灰色、灰色，软-流塑，厚20～40 m；③第四系上更新统冲海积灰色、青灰色、黄绿色粉质黏土，软塑-硬塑，层内夹薄层粉细砂、粉土层，一般厚10～40 m；④第四系上更新统冲洪积黄褐色圆砾土，局部夹黏土，中密-密实，饱和，一般厚10～20 m。

工区里程为CNDK0＋044.46～CNDK1＋140.00，工区全长1 095.54 m。CNDK0＋044.46～CNDK0＋074.02为无碴轨道，工后沉降要求不宜超过15 mm。路基与桥梁、隧道或者横向结构物交界处的工后差异沉降不应大于5 mm。CNDK0＋074.02以后为有碴轨道，要求工后沉降不超过20 cm，场坪工后沉降不超过30 cm。

为满足设计要求，CNDK0＋044.46～CNDK0＋089.46段地基处理方法采用竹节桩＋筏板结构加固，CNDK0＋089.46～CNDK0＋200.00段采用竹节桩-桩帽-加筋垫层复合结构加固。其余段及场坪区采用水泥搅拌桩和塑料排水板加固。各段竹节桩型号、桩间距、桩长、根数如表1所示，均采用正方形布置。

表1 竹节桩参数

本工程使用的竹节桩如图1所示，压桩机选用步履行走式静压桩机。竹节桩施工时间为2019年3月30日—8月21日，工期145 d。本项目施工现场周边有较多建筑物（图2），在竹节桩施工期间应对其进行监测。

图1 预应力混凝土竹节桩

图2 民房1、民房2

2 建筑物沉降监测

2.1 沉降监测方案设计

施工现场周边建筑物主要有4栋民房，民房1和民房2各布置4个沉降监测点，民房3和民房4各布置6个沉降监测点。民房3距离施工现场最近，直线距离不足10 m。其中民房1和民房2在竹节桩施工前已经存在不均匀沉降变形，2栋民房顶部几近接触，如图2中红色线所示。建筑物沉降监测频率为：竹节桩施工前，每月监测1次；竹节桩施工期间，每2～3 d监测1次；竹节桩施工后，每月监测1次。当出现沉降突变、外部环境发生突变时，增加观测频次。建筑物沉降监测点共布置20个，如图3所示。

图3 监测点位布设及编号

2.2 沉降监测数据分析

竹节桩施工前，2018年11月起，就开始对4栋民房的沉降进行监测，根据建筑物沉降监测数据绘制沉降量与时间的关系曲线。受疫情影响，2020年2月份的沉降观测数据缺失。纵坐标负值表示建筑物发生向下的沉降变形，正值表示建筑物发生向上的隆起变形。

民房1的沉降监测点JC1-1—JC1-4的沉降变形随时间变化曲线如图4所示。竹节桩施工前，沉降监测数据显示其一直在发生沉降变形，主要原因是新建建筑物地基中附加应力叠加的影响，软土地基固结时间长，沉降长时间不能稳定。与民房2相邻的沉降监测点JC1-2和JC1-3的沉降量明显大于监测点JC1-1和JC1-4，这与图2所示的2幢民房的倾斜变形情况一致。竹节桩施工前4个月沉降平均值为7.4 mm。

图4 监测点JC1-1—JC1-4的沉降变形曲线

2019年3月30日竹节桩开始施工后，各点开始发生向上的隆起变形，但变化不明显。这与其距离打桩场地最远及东边建筑物的遮挡有关系。

民房2的4个沉降监测点JC2-1—JC2-4的沉降变形随时间变化曲线如图5所示。竹节桩施工前4个月沉降平均值为7.8 mm，与民房1的沉降量基本一致。与民房1相邻的沉降监测点JC2-1和JC2-4的沉降量明显大于监测点JC2-2和JC2-3。

图5 监测点JC2-1—JC2-4的沉降变形曲线

竹节桩施工对民房2的JC2-2点影响最明显，对其余3个点影响不明显。根据施工日志可以看出，4月6日—4月24日期间，大部分的沉桩与JC2-2点连线没有被民房3遮挡，且直线距离为40～60 m。由此可见，施工距离和有无建筑物遮挡是影响变形的重要因素。

民房3的沉降监测点JC3-1—JC3-6的沉降变形随时间变化曲线如图6所示。竹节桩开始施工之前，各监测点都是沉降变形，4个月沉降平均值为4.8 mm。

图6 监测点JC3-1—JC3-6的沉降变形曲线

由于民房3距离竹节桩施工场地的最近距离不足10 m，为减少沉桩影响，在其东侧开挖一条长10 m左右的应力释放沟。同时，沉桩施工顺序采取逐步背离民房3的方式。施工开始后建筑物整体发生了明显的向上隆起变形。JC3-3、JC3-4点隆起速度最快，而且沉降量很快由负值变成了正值。JC3-2、JC3-5点跟着出现正值。JC3-1、JC3-6点虽然也出现隆起变形，但是始终没能出现正值。观察图3中这6个点的位置，发现对隆起变形最先反应的监测点离沉桩现场最近，依次向外发展。6月20日—6月26日，当47 m长竹节桩施工时，虽然距离远，但对民房3影响比较明显。沉降监测点的最大不均匀变形量为13 mm，满足变形控制要求。

民房4的沉降监测点JC4-1—JC4-6的沉降变形随时间变化曲线如图7所示。竹节桩沉桩施工之前各监测点也基本都是沉降变形，但前期沉降变形很小，4个月沉降平均值为1.7 mm，说明民房4沉降变形已经基本稳定。3月30日竹节桩沉桩施工开始后，各监测点没有向上隆起变形。4月6日之后，各点沉降值开始减小，即建筑物整体也开始发生了隆起变形。JC4-1点隆起速度最快，而且沉降量很快由负值变成了正值。但是总体上变化速度较慢。JC4-6、JC3-2、JC3-5点也陆续出现正值。JC4-3、JC4-4点虽然也出现隆起变形，但是在竹节桩施工期间基本上没有出现正值。观察图3中这6个点的位置发现，对上浮变形最敏感的监测点离打桩点最近，依次向外发展。但是变形量都很小，影响完全可以忽略。同样发现6月20日—6月26日，当47 m长竹节桩施工时，虽然距离远，但对民房4的影响也比较明显。

2.3 沉桩施工影响距离

图7 监测点JC4-1—JC4-6的沉降变形曲线

图8 静压沉桩施工影响范围

综合沉桩各监测点的沉降时间曲线，结合施工每日进度图，可以得到静压沉桩施工影响范围，如图8所示。图8中实线圆弧3-31和4-31表示31 m长竹节桩的沉桩影响范围。若桩与建筑物距离大于84 m，约为桩长的2.7倍时，沉桩施工对建筑物位移几乎没有任何影响。虚线圆弧3-47和4-47表示47 m长竹节桩的沉桩影响范围。若桩与建筑物距离大于134 m，约为桩长的2.85倍时，沉桩施工对建筑物沉降几乎没有任何影响。

由此得到静压沉桩施工影响距离与桩长的关系，如图9所示，得到拟合关系曲线y＝2.819 1x。综合来看，在考虑一定的安全储备基础上，如果沉桩距离超过桩长的3倍，则对建筑物的沉降影响可以完全忽略。

图9 静压沉桩施工影响距离与桩长的关系

以上结论与文献[12]中A（沉桩距离）≥82 m，垂直位移可以略去的结论基本一致。文献[12]中新建建筑采用的是钢管桩，打入深度为52 m，但是钢管桩施工的土塞效应，以及沿施工区域四周布置的袋装砂井，可以有效减少打桩对土体及邻近建筑的影响。虽然本工程也开挖了应力释放沟，但是其开挖长度、深度都不大，只是为了降低对民房3的影响。

3 结语

1）通过沉降监测数据分析可知，沉桩施工距离是建筑物变形的首要影响因素，离沉桩位置越近的建筑物隆起变形越大，周边其他建筑物的遮挡作用对建筑物变形也有一定的影响。

2）在滨海软黏土区域进行竹节桩静压沉桩施工，对桩周土体扰动程度较大。沉桩距离超过桩长的3倍时，对建筑物的沉降影响可以完全忽略。如果在3倍以内，通过设计合理的沉桩路线、沉桩速度和沉桩时间，并设置应力释放沟或应力释放孔，可以降低沉桩影响，做到安全施工。

3）随着台州滨海新区的不断开发建设，滨海软黏土中竹节桩沉桩施工对周边环境的影响会更加复杂，今后的研究将更多地围绕多因素耦合作用开展，以期建立台州本地的沉桩施工技术标准。