蔡 敏, 孫昌興, 單燦燦

(安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230051)

0 引 言

鋼板樁屬板式支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種，是一種帶鎖扣或鉗口的熱軋(或冷彎)型鋼，靠鎖扣或鉗口相互咬合，形成連續(xù)的鋼板樁墻，U形鋼板工程應(yīng)用較廣，但因其剛度較小，應(yīng)用的基坑深度受限。H形及圓管形鋼板樁可以大大提高鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，具有較好的應(yīng)用前景。

膨脹土主要由基性火成巖、中酸性火山巖以及不同時(shí)代的粘土巖、泥巖、頁(yè)巖風(fēng)化形成的具有脹縮性裂隙性和超固結(jié)性的高塑性特殊土，具有特殊的工程特性，對(duì)膨脹土地層城區(qū)鋼板樁施工及周邊環(huán)境影響控制技術(shù)的研究具有重要意義。

H形及圓管形鋼板樁目前在膨脹土層中應(yīng)用較少，主要原因?yàn)槭┕るy度大，常規(guī)需要預(yù)鉆孔植入型鋼，且孔內(nèi)充填材料密實(shí)度較難保證，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，本文擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究H形及圓管形鋼板樁在膨脹土地層施工可行性。

1 地質(zhì)概況

本次試驗(yàn)場(chǎng)地自上而下的土層分布情況如下：

雜填土 (Qml),層厚0.30～7.60 m,大部分為松散或軟可塑狀態(tài)黏性土、耕土。

粉質(zhì)黏土(Qml+pl),局部分布,層厚0.50～6.90 m,可塑狀態(tài)。稍濕，有光澤，無(wú)搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，層狀構(gòu)造； 含氧化鐵、鐵錳結(jié)核等。

黏土(粉質(zhì)黏土)(Qml+pl)，局部分布。層厚0.40～9.00 m，硬可塑狀態(tài)。

黏土(粉質(zhì)黏土)(Qml+pl)，全部分布。層厚0.20～11.10 m,硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)。

粉質(zhì)黏土夾粉土(Qml+pl)，全部分布。層厚1.20～24.80 m，硬可塑或中密狀態(tài)。

風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類，屬極軟巖。

中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，該層最大揭露厚度為23 m，其巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)點(diǎn)位及沉樁工藝、設(shè)備

該試驗(yàn)總共6根樁，分為2組試驗(yàn)，每組3根，試驗(yàn)樁位置如圖1所示。第一組試驗(yàn)樁為700×300×13×21熱軋H型鋼，長(zhǎng)12 m；第二組試驗(yàn)樁為φ630×14圓管，長(zhǎng)12 m。型鋼和圓管鋼材強(qiáng)度均為Q345B級(jí)。沉樁工藝及設(shè)備見(jiàn)表1，表中水沖法為在型鋼材料全長(zhǎng)范圍內(nèi)焊接鋼管，施工時(shí)采用水槍輔助下沉，灌水法為在樁頂孔口灌水。

圖1 試驗(yàn)樁位平面布置圖

表1 試驗(yàn)沉樁設(shè)備及工藝

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及點(diǎn)位布置

為充分分析鋼板樁施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，沉樁過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為三項(xiàng)：樁側(cè)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)、樁側(cè)土體分層土壓力監(jiān)測(cè)及樁周邊地表振動(dòng)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖2和圖3所示，其中樁1～樁3為H型鋼樁，樁4～樁6為圓管樁。C代表深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、T代表土壓力、Z代表周邊地表振動(dòng)，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字與括號(hào)內(nèi)樁位相對(duì)應(yīng)。

圖2 深層水平位移、土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面圖

圖3 地表振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

從各試驗(yàn)樁沉樁時(shí)間來(lái)看，難度最大的區(qū)段集中在8～10 m深度，即膨脹土的底部以及以下的粉質(zhì)黏土層，穿越該兩層之后進(jìn)入粉土層，沉樁速度又出現(xiàn)顯著加快。根據(jù)各樁沉樁時(shí)間統(tǒng)計(jì)，相同的鋼板樁沉樁設(shè)備相同時(shí)，水沖法沉樁效率較高，不采用水沖、灌水輔助措施時(shí)，沉樁難度較大，本次試驗(yàn)中未采取輔助措施的H型鋼沉入7.0 m后無(wú)法繼續(xù)下沉。對(duì)試驗(yàn)樁4和樁5及樁6沉樁時(shí)間統(tǒng)計(jì)可知：水沖法與孔口灌水法相比成樁效率高3.5倍。分析可見(jiàn)，采用水沖法輔助措施可解決堅(jiān)硬黏性土層的沉樁問(wèn)題，且沉樁工效較好。采用孔口灌水法也能達(dá)到輔助沉樁的效果，但沉樁工效很低，且用水量較大，不利于環(huán)境保護(hù)和文明施工。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，單個(gè)測(cè)點(diǎn)的深層水平位移及土壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 單個(gè)測(cè)點(diǎn)的深層水平位移隨時(shí)間變化曲線

圖5 單個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壓力隨時(shí)間變化曲線

通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)深層水平位移及土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用水沖法輔助沉樁時(shí)測(cè)點(diǎn)深層水平位移最大值為17 mm，土壓力最大值為11N；采用灌水法或無(wú)輔助措施時(shí)深層水平位移最大值為52 mm；土壓力最大值為43N?？梢?jiàn)取水沖法輔助措施后，可顯著降低沉樁對(duì)周邊土體的擠土效應(yīng)，有利于控制沉樁對(duì)周邊環(huán)境的影響。

選取2號(hào)樁和5號(hào)樁打入8.0 m的地表振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

圖6 2號(hào)樁振動(dòng)速度隨距離變化曲線圖

圖7 5號(hào)樁振動(dòng)速度隨距離變化曲線圖

由圖6、圖7可以看出，振動(dòng)影響由近及遠(yuǎn)程迅速衰減，距試驗(yàn)樁10 m處振動(dòng)速度均小于2 mm/s。5 m范圍內(nèi)衰減速度較大，5～10 m衰減速度顯著降低，10 m以外衰減速度微弱。H型鋼截面試驗(yàn)樁沉樁產(chǎn)生的振動(dòng)略小于圓管樁，更加有利于環(huán)境保護(hù)。

建筑施工振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響評(píng)價(jià)的頻率范圍應(yīng)為1～100 Hz；建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和頂層樓面的振動(dòng)速度時(shí)域信號(hào)測(cè)試應(yīng)取豎向和水平向兩個(gè)主軸方向，評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)取三者峰值的最大值及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，本次試驗(yàn)振幅頻率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，城區(qū)環(huán)境居住建筑對(duì)于振幅要求為不大于5 mm/s。結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果，采用水沖法輔助措施時(shí)鋼板樁沉樁距離居住建筑不宜小于8.0 m。

表2 振幅頻率統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

通過(guò)本次膨脹土地層鋼板樁施工及環(huán)境影響試驗(yàn)，得出以下結(jié)果：

(1) 采用水沖法輔助措施可基本解決膨脹土或類似堅(jiān)硬黏性土層的鋼板樁沉樁問(wèn)題，且沉樁工效較高。

(2) 采取水沖法輔助措施，可顯著降低沉樁過(guò)程對(duì)周邊土體的擠土效應(yīng)，樁側(cè)1 m處的擠土產(chǎn)生的地面以下5 m范圍(淺基礎(chǔ)建筑物常見(jiàn)基礎(chǔ)埋置深度范圍)最大土體水平位移約為17 mm，最大側(cè)壓力約11 N，對(duì)周邊環(huán)境的影響較小。

(3) 采用免共振錘沉樁工藝、水沖法輔助措施鋼板樁施工對(duì)周邊地表振動(dòng)影響由近及遠(yuǎn)程迅速衰減，5 m范圍內(nèi)衰減速度較大，5 m以外衰減速度顯著降低，10 m以外衰減速度微弱。本次試驗(yàn)場(chǎng)地振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的作用于建筑物允許振動(dòng)值約為5 mm/s。采用上述施工工藝情況下距離樁位約8.0 m區(qū)域的建筑物的振動(dòng)值在允許范圍內(nèi)。