软土中打桩施工不良影响的防范问题解析

杨继承

摘  要：本文分析了软土中打桩引起的影响，如：打桩时的拉应力作用可使桩身发生屈服，桩周围的抗剪强度效应，孔隙水压力的变化，使桩周围发生纵向裂缝、侧向位移、地面隆起等，并对引起的影响或危害的对策进行了探讨。

关键词：软工、打桩、影响

前言

在软土地区，当基底的土是软土时，建筑物很少采用浅基础。仅当基础设置在厚的硬壳层上，以及其下的软土的厚度几乎是均匀的，且下卧的软粘土的应力增量小，而应力分布又均匀，以致压缩性粘土层的固结所引起的建筑物的平均沉降和差异沉降能被允许时，才能选用这类不打桩的基础。因此，在软土地区除了应用各类灌注桩外，通常采用打入式的预制混凝土桩、钢桩。由于软土的工程地质特性，打桩过程中往往引起种种影响和危害，如：打桩时的应力作用使桩身发生屈服或断裂，土的抗剪强度效应，使高灵敏度软粘土沿桩身表面向上溢出，孔隙水压力的变化使地面产生纵向裂缝，影响桩群四周的稳定性，桩周土侧向位移、地面隆起等。本文证拟这一现象进行分析，并探讨其相应对策。

一、软土地基桩施工技术

软土地基，主要是指由淤泥、淤泥质土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基，是一种具有强度增长缓慢、加荷载后容易变形且不均匀、变形速率大且稳定时间长、承载力低、沉降量大等不良工程性质的软弱地基。软土地基比较容易发生变形导致流土，能够造成结构整体沉降或局部沉陷，并导致结构的损坏，大大降低其使用性能及安全性。因此，选用软土作为地基应用，必须提前采取切实可行的技术措施，保证建筑的安全性能和使用性能。以下简要介绍几种软土地基处理方法。

1.置换法

置换法是将建筑物基础底面以下一定范围内的浅层软弱土或不良土挖去，回填其他无侵蚀性的散体材料，如：砂、灰土、碎石、粉煤灰、水泥土等散粒材料，从而加速软土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。提高地基承载力，减少沉降量的一种方法。按回填的材料可分为砂石垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、灰土垫层等，在施工过程中应该层层铺筑，层层夯实。垫层的作用是增强持力层的承载力，并可以通过垫层的应力扩散作用，减小垫层下天然土层所承受的压力，这样可以减小地基的沉降量。

2.打樁法

当淤土层较厚，难以大面积进行深处理时，可采用打桩的办法进行加固处理。桩基础技术多种多样，一般在施工时是将钢筋混凝土桩打入或灌注入土中，由桩和桩间土层一起组成复合地基，从而提高地基的承载力，保证了建筑物的安全使用。常见的桩基有：钻孔桩、振动桩等。

3.排水固结法

排水固结法是解决软土地基沉降和稳定问题的有效措施，通过布置砂垫层、塑料多孔排水板等，使软土地基表层或内部形成水平或垂直排水通道，利用地基本身的透水性由排水体集中排水的结构体系。然后采取加压、抽水等措施，加速孔隙水的排出而使土固结和强度增长，提高地基土的稳定性和坚固性，从而避免基础沉降，保证建筑结构的安全性。

4.加固土桩法

本场地周边环境条件允许预制桩施工，桩型采用经济性优于预制钢筋混凝土方桩的高强预应力混凝土加固土桩，不同桩径的桩的长径比均控制在80左右。深层拌和的专用机械将软土地基的局部范围用固化材料加以改善、加固，形成加固桩，使加固桩与桩间土形成复合地基设计加固土桩只考虑其置换与应力集中效应，不考虑其固结排水与挤密作用，加固土桩的深度、直径、间距应经稳定性计算，并应满足工后沉降的要求。

5.深层挤密法

深层挤密法是通过挤密或振动施工范围内的软土，其主要作用是挤密桩周的松软土层，使土层密实。并在振动或挤密过程中回填砂、碎石等，形成砂桩、碎石桩等，当软土层较厚且换填处理比较困难，地基土属于非饱和粘性土或砂土时，采用挤密砂桩或碎石桩加固法，可以使地基土密实，容重增加，孔隙比减少，防止砂土在地震或受震动时液化，提高地基土的抗剪强度和水平抵抗力，减少固结沉降，使地基变均匀，起到置换、挤密、排水作用，防止地基产生滑动破坏，提前完成沉降，减少沉降差。

6.粒料桩

在桩的压入过程中，桩身周围土受剪切而发生重塑，土的强度降低为重塑土的残余强度，当压桩过程出现一定时间的停顿或休止时，扰动土部分强度恢复，压桩力常常大幅度增长，本工程二、三节接桩采用砂、砂砾、碎石、废渣等散粒材料，以专用震动沉管机或水震冲器来成桩，使粒料桩与周围的地基形成复合地基，粒料桩对地基有置换、挤密和竖向排水作用。粒料桩的深度、直径、间距，应经稳定及沉降计算来确定，地质条件对施工方法的适应性不清楚时，应通过试桩加以核查。

二、软土地基中的桩基应用

常见的软土地基，是由淤泥、淤泥质土、杂填土或其他高压缩性及抗剪强度低的土构成的地基，具有强度变化缓慢、加荷载易变形，不均匀，变形速率大且承载力低，沉降量大等不良工程性质的软弱地基;软土特点是天然含水量大、孔隙比大、压缩系数高、强度低，并具有流变性、触变性等特殊的土力学性质，工程利用条件较差;软土地基在附加荷载作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比变小而产生固结变形，随着土体超静孔隙水压力的逐渐扩散，土的有效应力增加，提前完成沉降或提高沉降速度。

天然软土地基上的浅基础往往不能满足整体稳定要求，而采用桩基础可以有效解决这些问题，以它的大承载能力和抵御复杂荷载性质而成为建筑在软土中的主要基础形式，其巨大的刚度把荷载较均匀地传给下部各支撑，桩基础与其他基础相比具有施工较快，承载力高，投资较少，效果较好的特点;桩基础的施工根据荷载的大小与性质，上部结构的形式与使用要求及材料供应和施工条件等确定;在软土地基中优先使用桩基础应适当加大桩径，相对减少钢筋笼直径。

三、软土地基中的不良影响及防范对策

1 打桩时产生的桩身拉应力影响及对策

打桩系统由垫板（块）、锤垫、桩帽和专用于混凝土桩或钢桩的桩垫组成，这个系统模拟成两个非线性弹簧和一个质量块。当桩锤锤击桩顶时，在桩顶产生压应力波沿桩身由上向下傳播，它的最大强度主要取决于桩锤的锤击速度、锤重、桩锤的效率、锤垫的刚度和恢复系数等。锤击最大应力与桩锤系统的有效锤击能量有关。研究应力波的形状和强度的影响因素。由于应力波沿着桩身传播以及能量在土中的损失而减少了振幅。桩身阻尼一般为0.015～0.020 s/m，软粘土中阻尼一般约为0.5～1% s/m。0F336D1D-E1C6-4C50-A402-8A782E4ADE78

在软土打桩过程中，由于桩端为软土层，初始压应力波在桩端处以反射形成拉应力波向上传播。在采用锤重轻和落距大时，桩端部分会产生高的张拉应力，反射的张拉应力波超过限值时会使钢筋产生屈服和桩身接头脱落，桩身薄弱部分产生断裂等。在实际工程中，会导致桩身发生屈服或断裂，严重影响桩身的完整性及其承载能力。

为了减少打桩过程中拉应力波的影响，在工程打桩试验阶段，应进行一定量的打桩监控分析，选择适宜的锤重、落距、锤垫等，监测锤击系统作用下桩身的最大拉应力和最大压应力。打桩工程中也有必要进行抽样监测桩身的拉应力，防止拉应力作用下桩身接头脱节，桩身屈服或断裂带来的严重工程隐患。如图1桩身接头处脱开的应力监测曲线，有较大的拉应力存在，图2为正常的打桩监测曲线。

2、打桩时软土抗剪强度效应影响及对策

打桩时自桩侧面外1～2倍桩径的区域内的软土受到部分重塑，由此引起的高孔隙水压力可能到达或甚至局部超过了总覆盖压力。测试结果指出，含水量的减少会使桩周土密贴桩身，所以拔桩时桩身通常裹着一层薄的坚硬粘土。这层再固结的粘土层，特别是对高灵敏度的原状土，对桩传递荷载到桩周土，和对桩的沉降可能具有很大的影响。打桩时所引起的高孔隙水压力和土的抗剪强度的减少是引起某些滑坡的直接或部分的原因。对含有薄砂层时的软粘土特别有影响，抗剪强度已减少到50%。打桩后重塑粘土的抗剪强度增加非常快。打桩时的另一迹象是打桩阻力的变化，即使在比较短的停歇时间。如更换桩帽上的桩垫或接桩就有明显的变化。这时为了“激发”桩，一般要求先连打几击。抗剪强度在打桩时降低，后来随着时间提高，在桩身外1～2倍桩径的区域内抗剪强度降低了，这个区域内粘土不能恢复到初始的抗剪强度，群桩中抗剪强度的降低会在较远的距离发生。

考虑打桩的影响，而在稳定性计算中将抗剪强度减少20%～30%，属较可靠的方法。在计算中一般假定打桩后1～3个月其土的抗剪强度相当于土的初始抗剪强度。对于静压预制桩，其抗剪强度的恢复非常快，试验表明打入桩后3～5天内其承载力值达到或超过设计的承载力值。充分认识打桩时的软土抗剪强度效应影响，能有效分析某些工程滑坡的原因、土坡的稳定性，以及打桩后桩的承载力的恢复状况。对打桩引起的径向裂缝及超灵敏度的粘土溢出造成的施工困难，可预先进行详细的施工可行性设计，考虑超灵敏度的粘土溢出对桩的承载力的影响，防止过多溢出可进行一定量的降水处理。

3 打桩引起的孔隙水压力影响及对策

打桩引起的高孔隙水压力一般随着粘土的抗剪强度的增加而增加，随着桩距的减小而增加，群桩的抗剪强度的增加一般大于单桩。打桩后的孔隙水压力值是总覆盖压力的3～4倍。軟粘土的孔隙水压力最大增量相当于5～7，是粘土的不排水抗剪强度。该值与在理想弹塑性介质中无限长圆柱形孔扩张理论分析而推导出来的理论值是十分一致的。由于桩身表面处的孔隙水压力可能很高，以致打桩时会发生水力劈裂和打桩周围产生一组径向的裂缝。这些径向裂缝使超孔隙水压力迅速消散。当桩周孔隙水压力相当于土中的初始侧向有效应力时，径向裂缝就会闭合。此后，孔隙水压力的消散就会变慢。排水主要是离开桩朝径向流动。打桩引起的高孔隙水压力会影响桩群四周范围内的稳定性，特别是在层状的粘土中。

为了有效控制打桩引起的孔隙水压力的影响，在桩身表面上附以排水板的方法，在打桩时可减少孔隙水压力。试验数据表明由于排水而减少了初始孔隙水压力50%。也可通过预钻孔的方法进行减少打桩时的孔隙水压力。

4 打桩引起的地面隆起及对策

打桩可能引起较大的地面隆起，特别在桩距很小和桩长很大时尤其如此。沿着桩的上部向上的力超过了桩的下部拔出的阻力时，地面隆起能将邻桩抬起。由于打桩时孔隙水压力的迅速消散和土的固结，以及部分饱和土内的气体压缩等，隆起土的总体积常常明显地少于桩的总体积。在深坑开挖中，当桩的间距比较小的时候（少于4～5倍桩径），通常坑面隆起大约是0.5m，特别是对底面隆起安全系数取得比较低时，深坑开挖的隆起是比较大的。

在软土中桩的打入会增加土中的侧向压力，当桩距小时，则侧向压力的增加就大。应力增加所取决的因素有：粘土的压缩性和粘土的抗剪强度。在高灵敏度粘土中打桩时，土经重塑后的稠度变成类似重液的稠度。桩表面的侧压力就相当于重液的侧压力。打桩引起的土体隆起，使周围桩产生侧向位移及上拔现象，对桩身质量及承载能力的影响较大，桩身上拔使桩尖于桩端土产生间隙。

软土地地基结构特殊，进行桩基施工的时候，应充分考虑到地质因素，进行综合分析之后，才能选择适合的桩基类型进行施工，这是建筑施工顺利进行和建筑质量合格的保障。

参考文献

[1]许璋珉， 王浩.软土中打桩施工不良影响的防范问题研究[C]// 2007：2.

[2]唐志新.公路桥梁工程中软土地基施工存在的问题及处理措施探讨[J].名城绘， 2020.0F336D1D-E1C6-4C50-A402-8A782E4ADE78