高强预应力混凝土管桩液压法施工的挤土问题

1、高强预应力混凝土管桩液压法施工的挤土问题 及其防治措施 阙汉奎 厦门协诚工程建设监理有限公司 摘要：高强预应力混凝土管桩具备单桩承载力高，穿越土层能力强，桩身耗材、单桩造价较低的特点；而液压法施工既无噪声污染，且施工快捷方便。因而，高强预应力混凝土管桩被广泛应于房屋建筑、桥梁和码头等。本文根据工程实例，探讨了高强预应力混凝土管桩液压法施工的挤土问题及其防治措施。 关键词：房屋建筑；高强预应力混凝土管桩；挤土问题；防治措施 当管桩施工沉入地下时，桩身将置换等体积的土体，并对土体的天然结构、孔隙比进行破坏，引起沉桩周围一定范围内的地面发生竖向和水平方向的位移，土体的大量位移造成已打入桩的上浮，并导

2、致邻近建筑物和构筑物产生裂缝、道路路面损坏、管道爆裂、边坡失稳等一系列事故。本文以未来海岸浪琴湾I期的桩基工程为例对高强预应力混凝土管桩施工因挤土问题带来的桩上浮、环境事故及其防治措施进行分析。 高强预应力混凝土管桩施工的挤土分析 未来海岸浪琴湾I期工程共分两个标段，根据地质勘察报告，地质情况为：地面以下3.6 -6.2米为机械回填土层；地面以下4.2 -8.9米为淤泥-淤泥质土，厚度为0.6 -2.31米；地面以下53 - 10.6米为粉质粘土，厚度为0.4 -3.6 米；地面以下8.9 - 13.6米为中砂，厚度为1.5 -4.3米；地面以下10.8 - 20.6米为残积砂质粘土，厚度为8

3、.7 - 22.3米；地面以下22.5 - 31.8米为全风化花岗岩。均采用高强预应力混凝土管桩桩基工程，入土桩数共计867根，共置换土体约为6200 m3。由于高强预应力混凝土管桩的施工过程实际是一个挤土过程，天然土在瞬时挤压力作用下的不可压缩，导致桩周土体产生相当大的挤压应力，引起很高的孔隙水压力，同时沿桩周的土体受剪切破坏，桩周围内的土体受扰动产生变形，这种变形表现比较明显，一是竖向位移，地面隆起，二是土体水平位移。 地面隆起，竖向位移 高强预应力混凝土管桩施工过程中，把管桩压入土中，利用抗压力克服土体对桩的侧压力和端阻力，其计算公式为： 从计算公式中可以看出，在沉桩过程中，利用抗压力克

4、服土体对桩的侧压力和端阻力，造成在桩周围的一定范围内土体出现重塑区土的粘聚力被破坏，土中超孔隙水压力增大，并对打桩区周围的土体产生应力，因此打桩周围的地面将出现隆起和抬高，由于地面隆起，对已打入的桩造成上抬。在未来海岸浪琴湾I期工程两个标段的桩基施工中，都出现不同程度的桩上浮及土体隆起现象。监测 单位在沉桩过程中，对已施工的管桩和周边的场地标高进行监测，发现监测的43根管桩都出现不同程度的上浮，其中标段管桩上浮量最大为420mm，最小也有6 mm，这两根桩均为布桩较密的大承台桩：整个场地标高约上抬183mm，最远处离工程桩边缘25米处的地面也出现隆起4mm。以标段S6#楼和S7#楼为例，其压桩

5、336根其中PHC400 - 100 -A、PHC400 -IOO - AB共计123根，平均桩长为32.8m，PHC500 - 100 -A共计213根，平均桩长33.7m，共置换土体为2980m3，整个隆起场地面积为862m2，场地土隆起的总体积可各估计为1046m3，土的隆起量占桩体积的46.25%，而桩群范围内的隆起量约占土总隆起量的32%，说明约有68%的置换土被挤向打桩区的四周。在桩基施工过程中，对已上浮的管桩进行复压，其中S6#楼的266#桩在复压开始时急剧下沉，终压力值为2600KN，约下沉310mm后，终压力才达到施工终压力值3300KN。这种因地面隆起对已打入的桩造成上浮、

6、桩尖脱空，在荷载试验时发生突沉的现象，这种假极限现象常使确定单桩承载力时造成困难，并对整个桩基工程的沉桩质量造成影响。 土体水平位移 高强预应力混凝土管桩在施工过程中，由于入土的管桩增多，整体土体结构被破坏，不仅造成桩周围土体上隆，而且还造成桩周土体的水平位移。在上面的未来海岸浪琴湾I期的桩基工程例子中，就有63%的管桩置换土被挤向四周。根据观测，在桩基施工过程中，离打桩中心距离35m处，尚会出现2.0mm的位移量。在打桩区域内，土体的最大位移量为550mm。土体的位移可以使已施工的管桩发生较大的变位，并造成土对管桩的很大侧压力，使管桩产生较大的剪力和弯距。当土的位移一定时，桩的柔性系数愈大，

7、则其变位愈接近土的位移，土的位移愈大，管桩的变位也愈大，这对于桩基工程的沉桩质量是致命的。根据观测结果，对土体水平位移较大的管桩进行动测试验，发现部分管桩在6 -8m处出现明显的波阻抗差异界面，初步判定为断桩，在以后的基础大开挖中检查该处的桩身质量，也证实了这一点。 高强预应力混凝土管桩在施工过程中，通过对场地土和周边建筑物、构筑物的观测，发现在沉柱过程中会使管桩周围土体隆起和水平位移，对桩基工程的质量和周边的建筑物、构筑物、市政管道等造成不利的影响。地基土中沉入管桩越多，土向四周的扩张压力和位移就越大。但应该指出的是，管桩周围隆起位移和水平位移的大小与很多因素有关，如沉桩方式、管桩尺寸及管桩

8、入土长度、土性、布桩密度、沉桩速率和方向等。 挤土效应带来环境影响的防治措施 研究表明，在高强预应力混凝 土管桩施工中，天然土体的一个微小的体积变化，就会大大地减小土的刚度比，从而影响单桩周围塑性区的半径和扩张压力。在对管桩施工时，挤土效应带来的环境影响的防治措施，应充分地从这一基本概念出发，才能有效地减少和防止打桩时的挤土效应对周围环境的影响。在未来海岸浪琴湾I期桩基工程施工中，根据管桩的挤土效应情况，采取了以下几点防治措施，达到了较好的防治效果。 (1)桩位线和要保护的建（构）筑物车间开挖挤土缓冲沟，即隔离槽或控制桩（如宽1.5，深2O），其与桩长的关系如图1所示。关系式为： 在沟内回填砂

9、或者其它松散材料，这种防护沟对于减少地面表层的位移效果较好，特点是对于浅埋管线能起到一定的保护作用。 为了保护各种管线，可在缓冲沟中每隔2m钻1个直径0.5m深l5m的取土孔(15米为沉桩挤土效应的影响深度)。必要时开挖水管防挤沟。为确保给水管道在桩基施工期间无出现断裂，可以采取以下措施：沿给水管道挖防挤沟，在压桩区一侧沟底加深至水管底之下150mm，为保护水管，沟内和水管顶部填入草或泡沫等软质物，并将挖出的土部分回填沟内，表面适当压实，同时在水管上设置6个监测点，监测点周围用砖砌保护井，上保护盖。 (2)设置排水砂井或塑料排水板。 在打桩区的四周或者群桩内部，挖出一定桩径和桩深的桩体空间，内

10、部填塞砂、或埋置塑料排水板。由理论分析可知，在饱和软土中打桩，会导致很高的孔隙水应力。砂井和排水板的作用是在管桩施工过程中，孔隙水可以流向砂井或者经过排水板排出地面，促使孔隙水应力很快消散。 工程实测发现，砂井对孔隙水压力的减压作用平均达40%左右，在孔隙水压力出现峰值时，作用发挥的最好（可减压50 - 60kPa），一般情况下，可减至10 - 20kPa。在桩区内打设l一2排砂井，可使地面水平位移减少1 -2cm。排水砂井对消除孔隙水压力效果显著，塑料排水板效果一般。 (3)沉桩周边区域取土，或预先引孔。 取土或引孔可在设计的孔位上，也可在桩之间或打桩的周围，预钻孔的直径一般不大于桩径的2/

11、3，深度不大干桩长的2/3，然后在这个预钻孔中置入预制桩体。这种措施的作用相当于增加了塑性区内土的体积压缩变形。孔隙啦压测试资料表明，其防止管桩施工挤土效应效果明显。 (4)控制打桩速率。 打桩速率是指每天的打桩数，每天入土的桩数越多，孔隙水应力的积聚越快，土的扰动越严重，特别是打桩后期，打桩区内入土的桩数已达到一定数量，土体的可缩性逐渐丧失，因此打桩速率的影响特别敏感，如不加控 制，危害很大。速率控制多少为宜，应根据工程的具体情况以及周围建筑物的反应而定。 在软土地基中，压桩施工进度过快，不但显著地增加孔隙水压力值，促使邻近土体剪切破坏，增大地基土体的变形值，而且扩大了超孔隙水压力和地基变位

12、的影响范围，所以施工时应严格控制每天的打桩数量，目的是使挤土引起的超孔隙水压力有时间消散，可有效地减小挤土效应。打一定数量桩后，再停一下，这样孔隙水有一个消散的时间过程，可以减少孔隙水压力值。 (5)合理安排打桩顺序，按一定的方向进行打桩。 合理安排打桩顺序。压桩施工顺序对地基土体的超静孔隙水压力的形成及其水力梯度的大小和方向有明显的关系。粘性土体及已压力桩的变位取决于挤土方向和超静水压力值、持续作用时间及其消散方向，变位方向基本上与压桩顺序一致，所以在制定施工方案时，应选择对环境影响较小、压桩速率高的合理顺序。 打桩的流向对环境影响、保护管线和建筑物效果较好。实践证明背着建筑物打桩比对着建筑

13、物打桩，其挤土影响要小得多。这是因为先打入的桩，或多或少对建筑物而言起到了遮帘或隔障的作用，使挤土的方向有所改变，从而起到了一定的保护作用。 所以应制定有效的沉桩流水路线，并根据桩的入土深度，宜先长后短、宜先高后低，若桩较密集，且距建筑物较远，场地开阔时，宜从中间向四周进行；若桩较密集，场地狭长，两端距建筑物较远时，宜从中间向两端进行；若桩较密集，且一侧靠近建筑物时，宜从相邻建筑物的一侧开始，由近向远进行；桩数多于30根的群桩基础，应从中心位置向外施打；承台边缘的桩，待承台内其他桩打完并重新测定桩位后，再插桩施打；有围护结构的深基坑中的静压管桩，宜先压桩后再做基坑的围护结构，这样的施工顺序可以

14、避免由于基坑四周的围护结构使压桩的土体无法扩散，造成先施工的管桩被后施工的管桩挤上来，使桩的承载力达不到设计要求，又避免了在基坑的压桩过程中土体扩散而挤断先施工的管桩和挤坏四周的围护结构及降低基坑围护结构的止水效果。 (6)控制施工过程中停歇时间，避免由于停歇时间过长，摩阻力增大影响桩机施工，造成沉桩困难。同时，应避免在砂质粉土、砂土等硬土层中焊接，制定合理的桩长组合。桩机施工时应注意同一承台内的群桩，需接桩的接头不宜在同一截面内，应相互错开，避免产生土压力以及水压力效应较大时，对整体桩身产生剪切破坏；同时应认真查看地质报告，了解土层分布情况，合理确定桩体组合长度，避免接头处于 土层分界处及土层活动较多处，以防土层活动时对桩身的破坏。 结论 (1)实例表明，高强预应力混凝土管桩施工存在明显的挤土效应，这种挤土效应表现最明显的是桩周土的竖