膨胀土地层城区钢板桩施工试验研究

蔡 敏, 孙昌兴, 单灿灿

(安徽省城建设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

0 引 言

钢板桩属板式支护结构的一种，是一种带锁扣或钳口的热轧(或冷弯)型钢，靠锁扣或钳口相互咬合，形成连续的钢板桩墙，U形钢板工程应用较广，但因其刚度较小，应用的基坑深度受限。H形及圆管形钢板桩可以大大提高钢板桩支护结构刚度，具有较好的应用前景。

膨胀土主要由基性火成岩、中酸性火山岩以及不同时代的粘土岩、泥岩、页岩风化形成的具有胀缩性裂隙性和超固结性的高塑性特殊土，具有特殊的工程特性，对膨胀土地层城区钢板桩施工及周边环境影响控制技术的研究具有重要意义。

H形及圆管形钢板桩目前在膨胀土层中应用较少，主要原因为施工难度大，常规需要预钻孔植入型钢，且孔内充填材料密实度较难保证，支护结构变形较大，本文拟通过实验研究H形及圆管形钢板桩在膨胀土地层施工可行性。

1 地质概况

本次试验场地自上而下的土层分布情况如下：

杂填土 (Qml),层厚0.30～7.60 m,大部分为松散或软可塑状态黏性土、耕土。

粉质黏土(Qml+pl),局部分布,层厚0.50～6.90 m,可塑状态。稍湿，有光泽，无摇振反应，干强度中等，韧性中等，层状构造； 含氧化铁、铁锰结核等。

黏土(粉质黏土)(Qml+pl)，局部分布。层厚0.40～9.00 m，硬可塑状态。

黏土(粉质黏土)(Qml+pl)，全部分布。层厚0.20～11.10 m,硬塑～坚硬状态。

粉质黏土夹粉土(Qml+pl)，全部分布。层厚1.20～24.80 m，硬可塑或中密状态。

风化泥质砂岩，其岩体基本质量等级为Ⅴ类，属极软岩。

中风化泥质砂岩，该层最大揭露厚度为23 m，其岩体基本质量等级为Ⅴ类。

2 试验方案

2.1 试验点位及沉桩工艺、设备

该试验总共6根桩，分为2组试验，每组3根，试验桩位置如图1所示。第一组试验桩为700×300×13×21热轧H型钢，长12 m；第二组试验桩为φ630×14圆管，长12 m。型钢和圆管钢材强度均为Q345B级。沉桩工艺及设备见表1，表中水冲法为在型钢材料全长范围内焊接钢管，施工时采用水枪辅助下沉，灌水法为在桩顶孔口灌水。

图1 试验桩位平面布置图

表1 试验沉桩设备及工艺

2.2 监测项目及点位布置

为充分分析钢板桩施工对周边环境的影响，沉桩过程中进行实时监测，主要监测项目为三项：桩侧土体深层水平位移监测、桩侧土体分层土压力监测及桩周边地表振动监测；监测点位布置如图2和图3所示，其中桩1～桩3为H型钢桩，桩4～桩6为圆管桩。C代表深层水平位移监测点、T代表土压力、Z代表周边地表振动，括号内的数字与括号内桩位相对应。

图2 深层水平位移、土压力监测点平面图

图3 地表振动监测点平面布置图

3 试验结果

从各试验桩沉桩时间来看，难度最大的区段集中在8～10 m深度，即膨胀土的底部以及以下的粉质黏土层，穿越该两层之后进入粉土层，沉桩速度又出现显著加快。根据各桩沉桩时间统计，相同的钢板桩沉桩设备相同时，水冲法沉桩效率较高，不采用水冲、灌水辅助措施时，沉桩难度较大，本次试验中未采取辅助措施的H型钢沉入7.0 m后无法继续下沉。对试验桩4和桩5及桩6沉桩时间统计可知：水冲法与孔口灌水法相比成桩效率高3.5倍。分析可见，采用水冲法辅助措施可解决坚硬黏性土层的沉桩问题，且沉桩工效较好。采用孔口灌水法也能达到辅助沉桩的效果，但沉桩工效很低，且用水量较大，不利于环境保护和文明施工。

经统计分析，单个测点的深层水平位移及土压力随时间变化曲线如图4和图5所示。

图4 单个测点的深层水平位移随时间变化曲线

图5 单个测点的土压力随时间变化曲线

通过对各测点深层水平位移及土压力监测数据统计分析，采用水冲法辅助沉桩时测点深层水平位移最大值为17 mm，土压力最大值为11N；采用灌水法或无辅助措施时深层水平位移最大值为52 mm；土压力最大值为43N。可见取水冲法辅助措施后，可显著降低沉桩对周边土体的挤土效应，有利于控制沉桩对周边环境的影响。

选取2号桩和5号桩打入8.0 m的地表振动数据进行分析，监测数据如图6和图7所示。

图6 2号桩振动速度随距离变化曲线图

图7 5号桩振动速度随距离变化曲线图

由图6、图7可以看出，振动影响由近及远程迅速衰减，距试验桩10 m处振动速度均小于2 mm/s。5 m范围内衰减速度较大，5～10 m衰减速度显著降低，10 m以外衰减速度微弱。H型钢截面试验桩沉桩产生的振动略小于圆管桩，更加有利于环境保护。

建筑施工振动对建筑结构影响评价的频率范围应为1～100 Hz；建筑结构基础和顶层楼面的振动速度时域信号测试应取竖向和水平向两个主轴方向，评价指标应取三者峰值的最大值及其对应的振动频率，本次试验振幅频率统计见表2。根据相关规范，城区环境居住建筑对于振幅要求为不大于5 mm/s。结合本次试验结果，采用水冲法辅助措施时钢板桩沉桩距离居住建筑不宜小于8.0 m。

表2 振幅频率统计表

4 结 论

通过本次膨胀土地层钢板桩施工及环境影响试验，得出以下结果：

(1) 采用水冲法辅助措施可基本解决膨胀土或类似坚硬黏性土层的钢板桩沉桩问题，且沉桩工效较高。

(2) 采取水冲法辅助措施，可显著降低沉桩过程对周边土体的挤土效应，桩侧1 m处的挤土产生的地面以下5 m范围(浅基础建筑物常见基础埋置深度范围)最大土体水平位移约为17 mm，最大侧压力约11 N，对周边环境的影响较小。

(3) 采用免共振锤沉桩工艺、水冲法辅助措施钢板桩施工对周边地表振动影响由近及远程迅速衰减，5 m范围内衰减速度较大，5 m以外衰减速度显著降低，10 m以外衰减速度微弱。本次试验场地振动频率对应的作用于建筑物允许振动值约为5 mm/s。采用上述施工工艺情况下距离桩位约8.0 m区域的建筑物的振动值在允许范围内。