馬兵兵 范雷振 曹 彬

上海南匯水利市政工程有限公司 上海 201399

近年來，靜壓式PHC管樁在沿海城市軟土地基中被廣泛采用，該樁型具有成樁速度快、施工噪聲小、無泥漿產(chǎn)生、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)。但在壓樁過程中，特別是在群樁施工中，擠土效應(yīng)明顯，對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物會(huì)產(chǎn)生較大影響。擠土效應(yīng)及其影響機(jī)理十分復(fù)雜且對(duì)沿海城市工程建設(shè)影響巨大，這也引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與研究。

Cummings等和Housel等[1-2]是最早一批研究壓樁作業(yè)對(duì)黏土性能改變的學(xué)者。他們?cè)谠囼?yàn)中對(duì)樁體持續(xù)施加荷載到樁破壞，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推斷出土體的不排水強(qiáng)度在沉樁的最初階段降幅最大，但隨后卻快速恢復(fù)。在對(duì)混凝土樁對(duì)樁周圍土體強(qiáng)度的影響時(shí)長研究中，Orrje等[3]發(fā)現(xiàn)土體的不排水強(qiáng)度在壓樁9個(gè)月后基本恢復(fù)原始數(shù)值。Adams等[4]、Hagerty等[5]對(duì)壓樁對(duì)樁周土體隆起的影響進(jìn)行一系列調(diào)查，以樁周土體的隆起值（單位：mm）與樁在土體內(nèi)的總長度（單位：m）的比值為度量，比值為0.3～1.0。

從20世紀(jì)70年代起，各國學(xué)者開始通過數(shù)值模擬與理論分析的方式研究軟土中預(yù)制樁沉樁問題。通過采用圓孔擴(kuò)張法模擬預(yù)制樁壓樁過程，Randolph等[6]計(jì)算出壓樁后樁周圍土體中的孔隙水壓力與有效應(yīng)力，Sagaseta等[7]推算出了壓樁后地面隆起量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。文獻(xiàn)[8]把飽和黏土中壓樁的擠土效應(yīng)問題虛擬為半無限土體中圓柱形小孔的擴(kuò)張問題，并結(jié)合彈塑性理論推導(dǎo)出壓樁瞬時(shí)的變形與應(yīng)力。Mabsout等[9]將一個(gè)頭部形狀為圓弧面的混凝土預(yù)制樁（樁頭與樁身連接處設(shè)置光滑過渡）作為研究對(duì)象，應(yīng)用有限單元法模擬沉樁過程，考慮了不排水黏土的非線性特性，很好地反映了樁體入土過程中樁土界面的應(yīng)力和變形實(shí)際情形。

龔曉南等[10]在回顧、分析以往學(xué)者研究方法和成果之后，提出建立在有限變形理論基礎(chǔ)上的大變形固結(jié)理論是求解非線性土體固結(jié)、土體骨架壓縮的重要方法，通過采用大變形理論基礎(chǔ)的Biot固結(jié)方程是求解擠土效應(yīng)中土體位移與孔隙水壓力變化的正確途徑。劉裕華等[11]應(yīng)用圓孔擴(kuò)張理論對(duì)預(yù)制管樁沉樁施工引起的樁周土體變形、位移進(jìn)行了理論計(jì)算，并通過現(xiàn)場監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了理論解析解，預(yù)測(cè)擠土效應(yīng)的合理性。詹樂等[12]通過模型試驗(yàn)調(diào)查研究了在地基邊坡坡頂施工預(yù)制樁對(duì)邊坡土體位移、變形的影響規(guī)律。楊旭等[13]在樁基土體大變形、接觸非線性的基礎(chǔ)上，建立了能模擬管樁基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)、連續(xù)壓樁下沉過程的有限元模型，得出了擠土效應(yīng)對(duì)管樁內(nèi)外側(cè)影響、管樁內(nèi)外側(cè)土體位移及應(yīng)力分布情況，并提出了管樁內(nèi)外側(cè)擠土效應(yīng)差異的機(jī)理。李振亞等[14]建立三維軸對(duì)稱模型，把樁周土及樁芯土沿徑向設(shè)置為同心圓圈層，建立縱向振動(dòng)控制方程，在低頻范圍內(nèi)對(duì)預(yù)制管樁樁身物理參數(shù)、擠土效應(yīng)對(duì)樁頂復(fù)阻抗影響進(jìn)行了調(diào)查研究。楊思謀等[15]基于數(shù)值法和圓孔擴(kuò)張理論，建立預(yù)制樁沉樁過程模型，對(duì)預(yù)制樁沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，并測(cè)算評(píng)價(jià)沉樁施工對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)擠土效已經(jīng)有了多方面的研究。但這些研究多集中在以圓孔擴(kuò)張理論為依據(jù)的樁周土體位移變形、孔隙水壓力變化的推導(dǎo)計(jì)算或以室內(nèi)模型試驗(yàn)、有限元數(shù)值方法模擬分析，而針對(duì)施工場地既有周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)分析及結(jié)合有限差分仿真軟件預(yù)測(cè)結(jié)果的保護(hù)方案還不多見，特別是在既有運(yùn)營水廠改造項(xiàng)目中，預(yù)制樁群樁施工對(duì)大口徑出水管、清水池等敏感建（構(gòu)）筑物影響的保護(hù)與防治措施研究，國內(nèi)尚無文獻(xiàn)報(bào)道。

本文以上海市浦東新區(qū)某自來水廠深度處理改造工程中活性炭濾池預(yù)制管樁群樁沉樁施工為例，測(cè)試沉樁施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，根據(jù)有限差分仿真軟件模擬單一消減措施工況（防振隔離溝、鋼板樁隔斷、應(yīng)力釋放孔等）下和綜合消減措施工況下場地環(huán)境的變化，特別是大口徑出水管位移值是否在安全范圍內(nèi)，并與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比，以指導(dǎo)沉樁施工與增加消減擠土效應(yīng)的保護(hù)措施。

1 工程概況

上海市浦東新區(qū)某自來水廠深度處理改造工程，是在原凈水工藝的基礎(chǔ)上增加預(yù)臭氧和后臭氧工藝，使出廠水水質(zhì)更加優(yōu)質(zhì)、滿足上海市最新的凈化水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。需新建的建（構(gòu)）筑物有活性炭濾池、中間提升泵房、反沖洗泵房、回收水池等，其中活性炭濾池占地面積約5 300 m2（南北長99.8 m，東西寬53.1 m），基礎(chǔ)采用PHC-400預(yù)制混凝土管樁（1 014套、入土深度35 m、樁間距1.5 m）?；钚蕴繛V池東、南、北三個(gè)方向皆有需要特別關(guān)注的建（構(gòu)）筑物，其中東側(cè)、北側(cè)為DN1 800自來水出水管，南側(cè)為出水泵房和清水池（圖1）。

圖1 擬施工預(yù)制樁樁位與周圍環(huán)境、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

樁基礎(chǔ)施工之初，在出水管、出水泵房等構(gòu)筑物布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但并未采取消減管樁施工擠土效應(yīng)的措施。自4月底開始正式施工，采用2臺(tái)ZYJ-860型靜壓樁機(jī)，每天每臺(tái)施工約20套，5 d后DN1 800出水管豎向位移累計(jì)變化為26.22 mm，其中每日最大位移值為7.46 mm，超過警戒值，施工暫停。

2 消減措施

參建各方對(duì)施工預(yù)制管樁產(chǎn)生擠土效應(yīng)及對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了重新評(píng)估：活性炭濾池東側(cè)和北側(cè)的DN1 800出水管為浦東地區(qū)上百萬居民及大量企事業(yè)單位主要供水管線，該管管頂覆土深度1.3～1.5 m、距離擬建活性炭濾池6.0～8.8 m；活性炭濾池和中間提升泵房南側(cè)、西側(cè)的既有出水泵房、綜合管線溝槽、反沖洗泵房、DN1 200鋼管雖暫時(shí)未受擠土效應(yīng)影響，但也是易受沉樁影響的建（構(gòu)）筑物；為消減預(yù)制管樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，應(yīng)盡快采取技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的保護(hù)措施，并務(wù)必保證DN1 800出水管運(yùn)行安全。

2.1 工程及水文地質(zhì)條件

1）樁基入土深度范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件根據(jù)該工程《巖土工程勘察（詳勘）》可知，預(yù)制管樁入土范圍內(nèi)土質(zhì)多為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉土、砂質(zhì)粉土等。

2）地下水情況：擬建場地土層中的地下水屬于潛水類型，其水位動(dòng)態(tài)變化主要受大氣降水和地面蒸發(fā)等影響。地下水主要賦存于第四系全新系統(tǒng)以上及更新系統(tǒng)中的淺層潛水層與微承壓水層中，潛水位一般離地表面0.3～1.5 m，受降雨、潮汛、地表水及地面蒸發(fā)的影響而有所變化，年平均水位埋深0.5～0.7 m。承壓水主要分布在第⑥t土層中，第⑥t層為粉質(zhì)黏土與黏質(zhì)粉土互層，承壓含水層承壓水位一般在地面以下3～12 m；另外，（微）承壓水水頭隨季節(jié)有所變化，在5—9月承壓水水頭高為9～12 m，其余月份水頭高為3～8 m。

2.2 消減措施設(shè)計(jì)

為確保DN1 800出水管、出水管泵房、綜合管線溝槽等建（構(gòu)）筑物安全，減少PHC管樁群樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，采取上部防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應(yīng)力釋放孔相結(jié)合的綜合保護(hù)措施（圖2）。

圖2 擠土效應(yīng)消減綜合措施示意

1）防振隔離溝：在擬建場地北側(cè)、東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)等設(shè)置防振隔離溝，隔離溝一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取寬2～5 m、深1～3 m，本案例取上寬2.5 m、下寬1.5 m、深1.5 m。

2）U形鋼板樁：沿防振隔離溝外邊線（距離出水管2 m）施打樁長9 m的U形鋼板樁。

3）應(yīng)力釋放孔：在防振隔離溝溝底布置2～3排應(yīng)力釋放孔，應(yīng)力釋放孔內(nèi)徑300 mm、中心間距1.0 m，孔內(nèi)填中粗砂。

擠土效應(yīng)綜合保護(hù)措施預(yù)計(jì)共需挖除土方902.5 m3、施打鋼板樁309.2 t、應(yīng)力釋放孔填筑中粗砂977.3 m3。在預(yù)制管樁沉樁施工完畢后，還需在綜合保護(hù)措施范圍內(nèi)進(jìn)行壓密注漿（1∶2水泥漿液）。

3 建模計(jì)算

根據(jù)本工程巖土工程勘察資料，利用有限差分軟件建立三維實(shí)體模型，并根據(jù)施工實(shí)際情況進(jìn)行部分簡化，主要針對(duì)活性炭濾池預(yù)制管樁施工對(duì)東側(cè)DN1 800出水管進(jìn)行模擬。模型大小為100 m×60 m×37 m（長×寬×深），模型上表面為自由面，其余面均設(shè)有法向約束。DN1 800出水鋼管采用線彈性本構(gòu)模型，彈性模型210 GPa，壁厚0.02 m，長度120 m，管頂埋深1.5 m；各層土體單元采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，并根據(jù)各土層的物理力學(xué)參數(shù)取值；防振隔離溝設(shè)置Null土體單元，應(yīng)力釋放孔（孔內(nèi)填中粗砂）采用Pile結(jié)構(gòu)單元，U形鋼板樁采用Liner結(jié)構(gòu)單元。網(wǎng)格劃分盡可能均勻，出水鋼管與①、②土層接觸位置網(wǎng)格保持一致。

1）模擬消除預(yù)制管樁施工擠土效應(yīng)綜合保護(hù)措施的計(jì)算參數(shù)主要有各層土體、DN1 800鋼管、應(yīng)力釋放孔、U形鋼板樁等，具體參數(shù)見表1～表3。

表1 應(yīng)力釋放孔計(jì)算參數(shù)

表2 U形鋼板樁計(jì)算參數(shù)

表3 DN1 800鋼管計(jì)算參數(shù)

2）為對(duì)比驗(yàn)證施加單一的擠土效應(yīng)消減措施與施加綜合消減保護(hù)措施對(duì)DN1 800出水管變形的影響，將模擬工況分成5種（圖4）：工況1，無擠土效應(yīng)消減措施；工況2，只有防振隔離溝保護(hù)措施；工況3，只有U形鋼板樁隔斷保護(hù)措施；工況4，只有應(yīng)力釋放孔保護(hù)措施；工況5，防振隔離溝＋U形鋼板樁＋應(yīng)力釋放孔綜合保護(hù)措施。

圖4 各消減措施模型示意

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案（見圖1），分別在工況1～工況4中布置DN1 800出水管的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)為S7、S9、S11、S13、S14），并在模擬軟件中根據(jù)沉樁順序施加荷載（每根樁施加荷載為7 600 kN，從靠近出水管一側(cè)開始施加），模擬預(yù)制管樁沉樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，通過Hist記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化。

在無任何消減措施工況下（圖5），預(yù)制管樁沉樁對(duì)DN1 800出水管的位移影響在靠近樁體位置非常明顯。DN1 800出水管的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位S7、S9、S13、S14在沉樁數(shù)量為400套之前的數(shù)值（豎向位移）呈直線增長趨勢(shì)，在沉樁數(shù)量為150套時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最大豎向位移＋28 mm（隆起值），與實(shí)際施工（無消減措施時(shí)）情況相符合。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在沉樁數(shù)量為300～400套時(shí)出現(xiàn)豎向變形的最大值，S9點(diǎn)出現(xiàn)最大位移，約60 mm。沉樁數(shù)量在500套之后，隨著沉樁位置與DN1 800出水管距離的增加，其擠土效應(yīng)對(duì)該管的影響基本消失，甚至各監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了沉降趨勢(shì)。

圖5 無消減措施工況下出水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

圖6、圖7分別顯示了施加防振隔離溝保護(hù)措施工況下和施加鋼板樁隔斷工況下的出水管隨沉樁數(shù)量增加的位移情況。

圖6 防振隔離溝工況下出水管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

圖7 鋼板樁隔斷工況下出水管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

從圖6、圖7中可以發(fā)現(xiàn)，出水管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)值隨沉樁數(shù)量的增加逐漸增大，在沉樁數(shù)量為400～500套處出現(xiàn)最大值，最大值為14 mm和18 mm（S9點(diǎn)），最大數(shù)值較無措施工況下有較大幅度的下降；在沉樁數(shù)量超過600套后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值逐漸變小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)向位移（沉降），這也說明防振隔離溝措施和鋼板樁隔斷措施都能在一定程度上緩解群樁沉樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)，而防振隔離溝的緩解效果要優(yōu)于鋼板樁隔斷。

圖8是施加應(yīng)力釋放孔保護(hù)措施工況下出水管隨沉樁數(shù)量增加的位移情況。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，出水管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)值隨沉樁數(shù)量的增加逐漸增大，在沉樁數(shù)量為500套左右時(shí)出現(xiàn)最大值；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移最大值較圖6、圖7工況下的數(shù)值進(jìn)一步下降，從0增加到最大的線段斜率也小于圖6、圖7中的工況，在各監(jiān)測(cè)位移連線的后半段，下降幅度也較圖6、圖7中的工況數(shù)值明顯。

圖8 應(yīng)力釋放孔工況下出水管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

圖9是施加綜合保護(hù)措施工況下出水管隨沉樁數(shù)量增加的位移情況。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移最大數(shù)值較圖6～圖8單一工況下最大數(shù)值有明顯降低，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值隨沉樁數(shù)量增加的幅度較單一措施工況也更加平緩，距離施工場地較遠(yuǎn)的點(diǎn)（S14）位移變化微弱且在沉樁數(shù)量超過600套后出現(xiàn)負(fù)向位移（沉降）。

圖10顯示了增加消減擠土效應(yīng)綜合措施后預(yù)制樁沉樁施工過程中的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，增加綜合措施后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移最大值較預(yù)制樁施工之初（出水管等周邊環(huán)境無保護(hù)措施）有較大程度的減少，也驗(yàn)證了防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應(yīng)力釋放孔相結(jié)合的綜合保護(hù)措施的適用性。對(duì)比圖9和圖10，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值變化趨勢(shì)模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值在兩圖中也差別不大，但圖10中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨沉樁數(shù)量的增加變化更趨平緩。

圖9 綜合保護(hù)措施工況下出水管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

圖10 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

1）采用仿真軟件對(duì)各單一消減措施工況進(jìn)行模擬對(duì)比，能在消減措施設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先對(duì)比選擇出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案。

2）預(yù)制管樁群樁沉樁對(duì)周邊環(huán)境擠土效應(yīng)的影響以豎向位移為主，水平向位移幾乎為零（無論數(shù)值模擬還是實(shí)際監(jiān)測(cè)都無明顯變化），且擠土效應(yīng)影響范圍約為1倍樁基入土深度，沉樁樁位超過這個(gè)距離后擠土效應(yīng)迅速減弱，受影響建（構(gòu)）筑物位移逐漸恢復(fù)。

3）在單一措施工況下，應(yīng)力釋放孔工況下的消減效果優(yōu)于防振隔離溝、鋼板樁隔斷工況，防振隔離溝消減措施優(yōu)于鋼板樁隔斷。在工程實(shí)踐中鋼板樁隔斷的造價(jià)遠(yuǎn)大于應(yīng)力釋放孔和防振隔離溝，建議在經(jīng)濟(jì)條件受限時(shí)優(yōu)先選擇應(yīng)力釋放孔，其次選擇防振隔離溝。

4）當(dāng)施工場地范圍內(nèi)存在敏感建（構(gòu)）筑物時(shí)，為保證其安全性，建議采取上部防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應(yīng)力釋放孔相結(jié)合的綜合保護(hù)措施，這種綜合性消減保護(hù)措施能極大地消減群樁施工產(chǎn)生的擠土效應(yīng)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移值從無措施時(shí)的60 mm下降到5 mm）。

5）在運(yùn)行水廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)制群樁施工時(shí)，應(yīng)首先對(duì)施工場地范圍內(nèi)易受影響的建（構(gòu)）筑物進(jìn)行摸底評(píng)估，特別是對(duì)保證人們生產(chǎn)生活用水的出水管務(wù)必進(jìn)行周密保護(hù)。文中采用的綜合消減措施工況模擬數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值較為吻合，本工程施加的上部防振隔離溝＋U形鋼板樁阻斷＋應(yīng)力釋放孔相結(jié)合的綜合保護(hù)措施也達(dá)到了預(yù)期效果。