王基全

(山東鐵路投資控股集團有限公司，山東 濟南 250101)

預制樁成樁過程引發(fā)的擠土擾動效應會使鄰近區(qū)域土體產生豎向位移和水平位移，導致已成樁的樁體上浮、偏移，嚴重時導致鄰近建筑物產生裂縫、路面隆起、管道變形等工程問題。為了揭示擠土擾動效應的內在機理，Vesic[1]、Randolph[2]、Carter[3]等學者先后采用圓孔擴張理論求解靜壓沉樁對周圍土體的影響。隨后，Baligh[4]提出了應變路徑法以克服圓孔擴張理論無法考慮深度變化的影響的缺點。理論求解方法大多基于一定假設，有的忽略樁土豎向摩擦力的影響，與實際情況相差較大[5]。模型試驗是研究擠土擾動效應的有效途徑。李富榮、徐建平等[6-7]通過模型試驗研究了單樁與排樁成樁過程引起的鄰近土體擠土變形?？紤]到邊界、相似比、成樁數量等問題，室內模型試驗多用于定性分析。現場試驗是揭示群樁施工過程鄰近土體變形及孔壓變化的直觀研究手段。邢皓楓等[8]監(jiān)測了13根預制管樁引發(fā)的擠土位移，發(fā)現在距群樁邊界16倍樁徑測點的擠土位移最大值達到15 mm；李國維等[9]結合高速公路擴建工程，研究了4排(每排13根)PHC管樁成樁過程引發(fā)的軟基路堤擠土效應問題。以上研究集中于樁數較少的成樁過程，應用于大面積群樁仍有局限，并且針對大面積群樁施工引起的鄰近土體變形發(fā)展規(guī)律和影響范圍等方面的研究少有報道，該類問題仍需進一步深入研究。

隨著我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，鐵路線網不斷加密使新建線與既有線交叉、并行、引入接軌等情況越來越多。由新建線地基加固引起的擠土擾動勢必對鄰近既有線路基產生不利影響。由于高速鐵路無砟軌道路基對變形控制極為嚴格，擠土擾動影響過大必然引發(fā)相鄰既有路基不均勻沉降或者橫向變形，嚴重時影響既有運營線的安全穩(wěn)定及運營品質。鑒于此，以魯南高速鐵路曲阜東站引入京滬高速鐵路并軌段路基為工程背景，開展預應力管樁、微型注漿鋼管樁和全套管鉆孔灌注樁群樁施工引起鄰近場地擾動變形的大面積群樁現場試驗，對典型斷面土體橫向水平位移、地表豎向位移、孔隙水壓力等進行監(jiān)測，研究不同樁型成樁施工對鄰近場地擾動變形的影響，并將試驗成果應用于新建線地基加固的方案設計中。

1 工程背景

圖1 曲阜東站平面布置

新建魯南高速鐵路通過上下聯(lián)絡線與京滬高速鐵路接軌(見圖1)，須將既有京滬路基拓寬以滿足接軌要求，相應地要在路基拓寬區(qū)域采用樁基對地基進行加固(見圖2)，而選擇合理的地基加固方案至關重要[10]。由此，在接軌段路基地基加固施工以前開展不同樁型及成樁工藝的群樁試驗對了解群樁施工對既有路基的擾動影響尤為關鍵。

圖2 接軌段路基工程典型橫斷面

為了對比研究不同樁型群樁成樁對鄰近場地的擾動影響，選取預應力管樁(以下簡稱管樁)、微型注漿鋼管樁(以下簡稱微型樁)和全套管全回轉灌注樁(以下簡稱灌注樁)3種樁型進行試驗。3種樁型截面尺寸見圖3。試驗場地所在區(qū)域屬沖洪積平原地貌，地勢平坦。表1為試驗區(qū)主要土層分布及其基本力學參數。地下水位埋深11.2～13.5 m，受大氣降水補給，水位變化幅度1～2 m。

圖3 3種樁型截面尺寸

表1 試驗區(qū)土層分布及基本力學參數

2 試驗設計

2.1 試驗區(qū)規(guī)劃

試驗共規(guī)劃6個試樁區(qū)，見圖4。Ⅰ區(qū)布置1排灌注樁;Ⅱ區(qū)布置5排微型樁;Ⅲ區(qū)布置5排微型樁及13排無引孔管樁;Ⅳ區(qū)布置14排引孔15 m管樁;Ⅴ區(qū)布置8排微型樁及12排無引孔管樁;Ⅵ區(qū)布置5排引孔20 m管樁及9排無引孔管樁。管樁按靜壓無引孔、靜壓引孔15 m、靜壓引孔20 m 3種工藝成樁，以研究不同引孔工藝對擠土變形擾動的防控效果。各區(qū)管樁壓樁順序如圖5所示。

圖4 各試驗區(qū)樁位布置

圖5 管樁壓樁順序示意

2.2 監(jiān)測點布置

表2 測試項目及元件設備、監(jiān)測頻次

圖6 試樁區(qū)監(jiān)測斷面與測點平面布置

在5個監(jiān)測斷面中，每個斷面設置8個地表位移測點，各斷面測點距離試驗區(qū)邊界距離依次為1.0,5.0,8.0,11.3,16.3,20.0,35.5,60.0 m，對應編號為s-1～s-8，x，y方向分別表示為橫向、縱向水平位移。每個斷面設置2個橫向水平位移測孔，布設于距試驗區(qū)邊界1.0 m及5.0 m處，對應編號為d-1及d-2，孔深30 m。每個斷面布設7個孔隙水壓力測點，布置于地表位移監(jiān)測點的正下方。然而現場成樁過程中，因地下水位處于粗砂層，加上引孔工藝等因素導致超孔壓消散過快，孔壓計并未測到明顯的孔隙水壓力變化，因此不對孔壓計的分布詳細描述。后文重點對成樁過程各測點的擠土擾動變形展開分析。

3 試驗結果與分析

3.1 土體橫向水平位移

圖7 管樁成樁引起的d-1測孔土體橫向水平位移

圖7為Ⅵ區(qū)和Ⅳ區(qū)壓樁引起d-1測孔的土體橫向水平位移。d-2測孔數據規(guī)律與d-1測孔基本一致，只是數值大小有所差異，故不再給出?？梢钥闯?，隨著壓樁排數的增多，位移逐漸增大并逐漸穩(wěn)定，位移發(fā)展經歷快速、慢速與逐漸穩(wěn)定3個階段。以Ⅵ區(qū)為例：在前7排壓樁過程中，測點與壓樁樁位較近，位移發(fā)展較快，增幅較大；第8～11排之間，測點與壓樁樁位水平距離逐漸增大，并且前排壓入的樁體對后排壓樁有遮蔽作用，位移發(fā)展逐漸變慢；第11排以后，壓樁引起的擠土擾動變形變化很小，位移基本穩(wěn)定。壓樁完成時最大橫向水平位移出現在地表，Ⅵ區(qū)最大位移為17.2 mm，Ⅳ區(qū)為11.7 mm。隨著土層埋深增大，位移量整體呈現先減小后增大再減小的趨勢。在埋深2～11 m之間主要分布粉質黏土及細砂層，壓縮性較大，再加上引孔作用，導致在埋深2～11 m擠土變形相對較小。而在埋深約11～19 m之間，位移開始出現增大現象。其主要原因是在埋深11 m往下分布厚度4～6 m低壓縮性的粗砂層，壓樁過程中樁端將粗砂層土體往側向排擠開，導致該層側向位移較其他層相對更大。

對比圖7(a)和圖7(b)可以進一步發(fā)現，Ⅵ區(qū)和Ⅳ區(qū)深層土體橫向水平位移在前5排的壓樁過程中相差不大，最大位移Ⅵ區(qū)為8.0 mm，Ⅳ區(qū)為7.9 mm;而從第6排壓樁開始，位移相差量逐漸增大，Ⅵ區(qū)最大位移在埋深14 m處為15.5 mm，Ⅳ區(qū)最大位移在埋深13 m 處為9.3 mm。主要原因是Ⅳ區(qū)全區(qū)采用引孔15 m 管樁進行壓樁，而Ⅵ區(qū)從第6排開始采用無引孔壓樁，導致Ⅵ區(qū)在第6排以后壓樁引起的擠土變形迅速增大并且逐漸超過Ⅳ區(qū)，壓樁完成時位移累計總量也比Ⅳ區(qū)大。這表明引孔15 m及20 m工藝對防控擠土變形效果顯著。

微型樁施工過程對土體的影響主要體現在2個方面：①鉆進過程對土體的擾動;②注漿對孔壁土體的壓力作用。Ⅴ區(qū)的前8排和Ⅲ區(qū)的前5排為微型樁。圖8 為Ⅴ區(qū)和Ⅲ區(qū)微型樁施工過程中d-1測孔的土體橫向水平位移。可知，隨著成樁數量的增多，2個區(qū)在d-1測孔的位移都逐漸增大，其發(fā)展規(guī)律與靜壓管樁類似，也經歷快速、慢速及逐漸穩(wěn)定階段。成樁完成時，最大位移都在地表，Ⅴ區(qū)最大位移為1.2 mm，Ⅲ區(qū)為1.4 mm。隨著土層深度增加位移逐漸減小，受不同深度土層性質的影響，位移曲線沿深度分布有較小波動。整體上，測孔位移很小，表明微型樁群樁施工過程對鄰近土體橫向水平變形擾動影響微弱。

圖8 微型樁成樁引起的d-1測孔土體橫向水平位移

圖9 灌注樁成樁引起的d-1測孔土體橫向水平位移

灌注樁施工過程中，因套管與土體界面發(fā)生較大摩擦，套管帶動鄰近土體發(fā)生變形，同時，大體積混凝土灌注過程也會對側壁土體產生擠壓變形。圖9 給出了3根灌注樁施工過程中d-1測孔的土體橫向水平位移?？芍?，隨著壓樁數量的增加，土體橫向水平位移整體指向橫向負方向(圖6中x軸負方向)。主要原因為：鉆孔過程中，因孔徑較大加上表層為粉質黏土，引發(fā)了表層土體縮孔變形，導致測點土體變形向孔內發(fā)展。盡管在灌注過程中大體積混凝土對土體造成擠壓(如圖9中2#樁灌注完成時，深度16～24 m位移往正方向發(fā)展)，但變形量有限，之后的鉆孔使得總體位移在負方向的變形進一步增大。可見，對于鉆孔施工來說，及時進行灌漿對防止鄰近土體產生縮孔變形至關重要。隨著埋深的增加位移逐漸減小，最大位移出現在埋深1 m處，為-1.7 mm。值得說明的是，Ⅰ區(qū)的3根灌注樁是在Ⅱ區(qū)5排微型樁完成后才成樁施工的，顯然，前排微型樁的隔離作用弱化了灌注樁對測點處土體擾動的影響。

3.2 地表豎向位移

圖10 管樁壓樁引起的地表豎向位移

圖10為Ⅵ區(qū)和Ⅳ區(qū)管樁壓樁引起的地表豎向位移。可知，壓樁過程對距試驗區(qū)邊界1,5和8 m處測點的豎向變形影響比較顯著，對其他測點影響相對較小。隨著成樁排數的增多，各測點的地表豎向位移逐漸增大，Ⅵ區(qū)最大豎向位移在1 m 測點處為2 mm，Ⅳ區(qū)為2.5 mm。隨測點與試驗區(qū)邊界水平距離的增大，地表隆起變形呈指數型衰減。這與文獻[11]中數值模擬結果分布規(guī)律基本一致。

圖11為Ⅴ區(qū)和Ⅲ區(qū)微型樁施工過程中地表各測點的豎向位移。隨著微型樁成樁數量的增多，2個區(qū)各測點地表沉降變形逐漸增大，最大地表隆起變形都小于1.5 mm。地表隆起變形處于監(jiān)測設備精度范圍以內，表明微型樁成樁過程對鄰近場地地表豎向位移基本無影響。

圖11 微型樁成樁引起的地表豎向位移

圖12給出了3根灌注樁成樁過程中地表豎向位移。可知，隨著成樁數量的增多，各測點地表豎向位移逐漸增大，最大隆起量為0.8 mm，位移很小。

羊多殺性巴氏桿菌感染引起的巴氏桿菌病應該結合藥敏試驗，選擇高敏抗生素進行治療，選擇使用硫酸卡那霉素注射液、地塞米松磷酸鈉注射液，使用劑量分別為1.5萬IU/kg體重、4 mg/只羊，混合后肌肉注射，1次/d，連續(xù)使用3 d[2]。同時在飲用水中添加0.1%的氟哌酸，讓患病羊自由飲水。對于體溫升高、不能正常進食、病情較為嚴重的患病羊，選擇使用30%的安乃近注射液5 mL、5%的糖鹽水500 mL、維生素C5 mL，混合后靜脈注射，1次/d，連續(xù)使用3 d，強化補液[3]。

圖12 灌注樁成樁引起的地表豎向位移

3.3 不同樁型施工對鄰近土體擾動的對比分析

預制管樁屬于擠土型樁，其壓樁過程引發(fā)的擠土變形必然大于微型樁和灌注樁施工對鄰近土體的擾動變形。然而，目前的研究成果多屬于成樁機理上的定性研究，缺乏預制管樁與微型樁和灌注樁在施工擾動變形方面的定量研究。本試驗進行了3種樁型的試樁試驗，可對相同加固范圍的3種樁型施工引發(fā)的擾動變形進行定量對比分析。

3.3.1 預應力管樁和微型注漿鋼管樁對比

8排微型注漿鋼管樁加固寬度約為4.5 m，3排管樁加固寬度約為5.0 m，兩者加固寬度相近。圖13為相近加固寬度條件下Ⅵ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)在d-1,d-2測孔的深層土體橫向水平位移對比?？芍?排管樁施工中，Ⅳ區(qū)引孔15 m成樁與Ⅵ區(qū)引孔20 m成樁引起的深層橫向水平位移基本一致。在d-1測孔處的最大橫向水平位移Ⅵ區(qū)為4.5 mm，Ⅳ區(qū)為4.6 mm。在d-2測孔處對應位移量Ⅵ區(qū)為3.0 mm，Ⅳ為3.3 mm。8排微型樁引起d-1及d-2測孔的深層土體橫向水平位移最大值分別為1.2,1.1 mm。可見，加固寬度為5 m 時，管樁壓樁引起的d-1測孔擾動變形是微型樁引起擾動的變形的3倍左右。

圖13 管樁與微型樁深層土體橫向水平位移對比

圖14 管樁與灌注樁深層土體橫向水平位移對比

3.3.2 預應力管樁和鉆孔灌注樁對比

5排微型樁+2排管樁的加固寬度約7.0 m，5排微型樁+1排灌注樁加固寬度約6.5 m，加固寬度相近。圖14為相近加固寬度下管樁和灌注樁的深層土體橫向水平位移對比?？梢钥闯?，由5排微型樁+2排無引孔管樁引起的d-1測孔深層土體橫向水平位移最大值為6.2 mm，在d-2測孔為4.1 mm，隨著深度的增加深層土體橫向水平位移逐漸減小。由5排微型樁+1排灌注樁引起的橫向位移出現反向發(fā)展，位移在2 mm 以內?？梢?，加固寬度為7 m時，5排微型樁+2排無引孔管樁引起的d-1測孔擾動變形是5排微型樁+1排灌注樁引起的擾動變形的3倍左右。

3.4 群樁施工擾動變形影響范圍分析

預制樁擠土效應的影響范圍一直是學者們重點關注的問題[12-13]，確定樁基施工擾動影響范圍對防止鄰近建筑變形或受損具有重要作用。基于監(jiān)測元件精度并考慮到天氣變化等因素對監(jiān)測結果的影響，確定以1.5 mm作為變形特征值，用于探討不同試驗區(qū)樁基施工對鄰近土體變形的影響范圍。

圖15給出了1.5 mm分別作為豎向變形特征值和水平橫向變形特征值時各區(qū)的變形影響范圍。Ⅵ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅲ區(qū)引起的超過1.5 mm豎向位移的變形影響范圍分別為試驗區(qū)邊界以外8.0,8.0,8.0,11.3 m，約為樁長的0.3，0.3，0.3，0.4倍。Ⅰ區(qū)+Ⅱ區(qū)成樁引起的超過1.5 mm豎向位移變形影響范圍為試驗區(qū)邊界以外1 m。當1.5 mm作為水平橫向變形特征值時，Ⅵ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅲ區(qū)引起的超過1.5 mm水平橫向位移的變形影響范圍分別為試驗區(qū)邊界以外60.0,35.5,35.5，35.5 m，約為樁長的2.0,1.2,1.2,1.2倍。Ⅰ區(qū)+Ⅱ區(qū)成樁引起的超過1.5 mm橫向位移變形影響范圍為試驗區(qū)邊界以外5 m?？梢?，各試驗區(qū)成樁過程中，橫向變形影響范圍要大于豎向變形影響范圍，并且無引孔管樁的成樁數量越多，其產生的擠土效應影響范圍越大。

圖15 試驗區(qū)變形影響范圍

4 試驗成果應用

基于以上試驗成果，從擾動變形位移及變形范圍來看，選用微型樁及灌注樁要優(yōu)于管樁。結合施工機械作業(yè)空間及鄰近既有線作業(yè)安全等因素，最終采用全套管鉆孔灌注樁對魯南高速鐵路曲阜東站并軌段路基進行地基加固。圖16給出了并軌段路基鉆孔灌注樁樁位及自動全向傳感水平位移計測孔分布，自動全向傳感水平位移計位于既有京滬高速鐵路路基邊坡坡腳，鉆孔灌注樁中心離坡腳距離最近約1.2 m。

圖16 并軌段幫填路基樁位及測點布置(單位：m)

圖17 既有線路基坡腳測點深層土體水平位移

下面以測孔H4和H6為例，對新建線地基灌注樁施工引起的既有線路基坡腳的土體水平位移進行分析。以鉆孔前為監(jiān)測初值，圖17給出了成樁后H4及H6測孔的深層土體水平位移?？芍?，隨著土層埋深增大位移逐漸減小，并且往既有路基邊坡外方向偏移。其可能原因為：鉆孔完成后，受鄰近既有路基荷載的側向壓力影響，再加上可能出現在群樁試驗過程中的縮孔現象，導致坡腳土體有向邊坡外位移趨勢，位移發(fā)展主要集中在地下埋深0～8 m。整體上不同深度土體位移都在1 mm以內，可見，采用灌注樁對幫填路基進行地基加固對鄰近既有路基的施工擾動影響微弱。

5 結論

1)大面積靜壓管樁群樁引起鄰近場地土體的橫向水平擾動變形隨成樁排數的增多呈先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢，位移發(fā)展經歷快速、慢速和逐漸穩(wěn)定3個階段，隨土體埋深的增大而逐漸減小，位移沿深度的變化分布與土層性質有關。在本試驗條件下，引孔深度15,20 m的成樁工藝可以明顯減小靜壓預應力管樁對鄰近場地土體的擠壓擾動影響。

2)微型樁群樁施工引起的擾動變形位移很小，位移發(fā)展規(guī)律與管樁類似。灌注樁群樁施工過程中有可能引發(fā)縮孔，導致鄰近土體向孔內變形。

3)靜壓管樁群樁能夠產生明顯的地表隆起變形，隨著壓樁排數的增多，隆起值逐漸增大并趨于穩(wěn)定；隨著測點與樁軸線水平距離的增大，測點地表隆起位移呈指數型衰減。微型樁與灌注樁群樁施工對地表豎向變形基本無影響。

4)以1.5 mm為變形特征值，在本試驗條件下，管樁群樁成樁引起的地表隆起變形范圍約在0.4倍樁長以內，引起的橫向變形影響范圍約在2倍樁長以內，而微型樁及灌注樁對鄰近土體豎向及水平變形影響范圍都在5 m以內。

5)采用全套管鉆孔灌注樁群樁對并軌段幫填路基進行地基加固時，既有京滬高速鐵路路基坡腳擾動變形向坡外發(fā)展，變形量很小，表明既有路基基本不受影響。為了防止坡腳變形繼續(xù)發(fā)展，鉆孔施工完成后應及時灌注混凝土。