史懷月，杜梓鵬，張寧

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海 200032；2.上?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展（集團）有限公司，上海 200032；3.浙江天平投資咨詢有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

管樁沉樁過程中高強度的振動將不可避免地擾動附近土體，引起土體擠壓側(cè)移和地下水位變化，將發(fā)生土體應(yīng)力重分布，如果地層含水率高，在沉樁深度方向就會存在壓力差的特點進而形成超孔隙水壓力，這就導致管樁在沉樁作業(yè)剪切穿透地層時，在水壓作用下牢牢包裹樁身，即發(fā)生工程常稱的“剪脹”現(xiàn)象，阻礙孔隙水沿樁身上升，影響孔隙水壓力釋放，形成巨大的超孔隙水壓力[1]。剪脹產(chǎn)生后會在樁尖下方形成浮力層，樁尖越深浮力越大，達到錘擊動能極限時表現(xiàn)為地面的管樁錘擊后彈起。如果反復擊打次數(shù)過多，管樁容易發(fā)生碎裂。所以，針對管樁沉樁過程中超孔隙水壓力具有很大研究意義。

國內(nèi)外學者也針對不同地質(zhì)條件對PHC 預制管樁施工進行了研究，為實際工程施工提供了大量的技術(shù)指導。其中，BANG[2]通過預應(yīng)力混凝土管樁承載力和彎剪試驗對不同地質(zhì)條件下的管樁進行研究，結(jié)果表明土體承載力顯著提高。宋杰[3]將PHC 混凝土管樁結(jié)合鋼樁靴的應(yīng)用擴展了沉樁的應(yīng)用范圍。陳春雷[4]、趙升峰[5]等結(jié)合國內(nèi)某砂質(zhì)地層具體工程，進行了單樁豎向承載力靜載試驗，得出了砂性土沉樁承載力計算公式，并對沉樁過程中出現(xiàn)斷樁的現(xiàn)象進行針對性推斷，推出來樁尖阻比范圍，為施工提供了技術(shù)參考。國內(nèi)很多學者[6-8]針對不同地質(zhì)條件下沉樁技術(shù)的施工展開了試驗研究，彌補了國內(nèi)復雜地質(zhì)沉管技術(shù)施工的空白，也針對性地解決了施工過程中一些施工難點。迄今為止，國內(nèi)很多研究人員[9-10]針對不同地質(zhì)條件、施工工藝等對PHC 混凝土管樁的承載力、強度、剛度進行了試驗研究，為以后的工程施工提供了很大的參考價值，也為以后研究者們提供了研究方向。

本文依托余姚市大面積廠房軟基管樁沉管施工工程，解決管樁在沉樁作業(yè)剪切穿透地層時，形成巨大超孔隙水壓力的問題，為以后工程施工提供參考。

2 工程概況

本工程位于余姚市小曹娥鎮(zhèn)濱海工業(yè)區(qū)，為微電子集成電路IC 封裝測試項目新建廠房。項目總用地面積92 428.4 m2，總建筑面積359 928.62 m2，地下總建筑面積14 983.14 m2。擬建物為框架結(jié)構(gòu)，擬采用樁基礎(chǔ)，單柱最大荷載預估為5 000 kN，基礎(chǔ)埋深約1.0 m。地基變形允許值為0.002 L（L 為相鄰柱基的中心距，單位為m）。目前，正在施工的3 號、4 號、8號單體的直徑600 mm 的PHC 管樁設(shè)計樁長46～50 m。樁基數(shù)量將近3 000 根。典型地層斷面物理參數(shù)如表1 所示。

表1 土層物理力學性質(zhì)指標表

PHC 管樁沉樁施工基本以錘擊法為主，打樁順序按照對稱、分塊、中間向四周的原則采取S 形路線打樁。為減少打樁擠土對周邊環(huán)境造成影響，沿單體建筑四周布置了防擠溝、應(yīng)力釋放孔，同時在3 號廠房四周布置土體位移監(jiān)測點、地下水壓力監(jiān)測點。具體檢測點布置位置如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測點布置

經(jīng)過統(tǒng)計，截至5 月29 日，在3 號、4 號、8 號單體已完成沉樁的2021 根樁基中，共有38 根PHC 管樁發(fā)生打樁過程樁頭破碎或打不下去的情況，占比1.88%。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 號廠房樁基施工期間的監(jiān)測委托第三方監(jiān)測公司實施，每日提供一份監(jiān)測報告，5 月28 日的監(jiān)測報告如表2 和表3所示。

表2 周邊地表豎向位移原始值記錄表

表3 孔隙水壓力原始值記錄表

4 問題分析

4.1 施工方法、施工機械分析

1）本工程樁基施工前，項目部會同勘察、設(shè)計、監(jiān)理、全過程、項管等單位組織實施了設(shè)計試樁、工程試樁，根據(jù)試樁得到數(shù)據(jù)制訂了樁基施工專項方案，并通過公司審批和監(jiān)理審批，對樁基作業(yè)班組進行了安全技術(shù)交底。

2）考慮到3-1b“鐵板砂層”難以穿透的特點，余姚濱海地區(qū)打樁遵循重錘輕擊的原則，選用重型樁錘，克服3-1b“鐵板砂層”。從破碎樁基進入的地層數(shù)據(jù)看，大部分并未發(fā)生在3-1b“鐵板砂層”，這說明了該方法的有效性。

4.2 樁材分析

1）本工程目前所用管樁由第三方供應(yīng)商提供，3 家單位都具有合法經(jīng)營資格，能夠提供產(chǎn)品合格證。管樁規(guī)格符合圖紙要求。

2）4 號廠房深基坑采用的其中一家制造商管樁發(fā)生較多打樁破碎問題后，公司工程部對其進行了混凝土現(xiàn)場回彈檢測、鋼筋直徑檢測，均未發(fā)現(xiàn)超出規(guī)范要求。

3）針對4 號廠房深基坑部位有較多管樁打碎的情況，于5月29 日在該區(qū)域打了其他兩家的2 根管樁，結(jié)果都發(fā)生破碎。因此，排除管樁質(zhì)量不好引起破碎的可能性，應(yīng)為地質(zhì)原因。該區(qū)域破碎管樁共23 根，占全部的60%。

4）目前，發(fā)生破碎的管樁的分布情況：從平面上看大部分集中于幾塊區(qū)域，從地層角度觀察大部分位于樁尖進入3-2層，分析的重點應(yīng)放在地質(zhì)方面。

4.3 地質(zhì)分析

該地層平均含水率高，且標準差大，最大值高達52.8%。觀察本工程5 月21 日—5 月25 日，位于3-2 層的20 m 和26 m深度水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4 和表5 所示。

表4 20 m深度水壓kPa

表5 26 m深度水壓kPa

可以觀測到SYL4 號監(jiān)測點的水頭壓力差在20～26 m，最高達194 kPa，而且26 m 深度的水壓在5 d 內(nèi)從290 kPa 增加到326 kPa，增幅達12.4%，這與3 號廠房該時間段沉樁施工不斷逼近SYL4 號監(jiān)測點的趨勢一致。而3 號廠房內(nèi)部的3-2 層孔隙水壓力無法釋放，會遠超監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由于3-2 層具有含水率高、超孔隙水壓力隨著沉樁施工快速增長、深度方向存在壓力差的特點，管樁在沉樁作業(yè)剪切穿透“鐵板砂層”時，“鐵板砂層”底層的砂土和3-2 黏土在水壓作用下牢牢包裹樁身，阻礙孔隙水沿樁身上升，影響孔隙水壓力釋放。巨大超孔隙水壓力，在樁尖下方形成浮力層，樁尖越深浮力越大，達到錘擊動能極限時表現(xiàn)為地面的管樁錘擊后彈起。如果反復擊打次數(shù)過多，管樁容易發(fā)生碎裂。

由于本工程廠房樓面設(shè)計荷載很大，管樁穿越的土層中有多層軟弱層，側(cè)阻力較小，樁長受到4-3 砂質(zhì)粉土層的限制。因此，本工程樁基布置十分密集，進一步加劇了3-2 層超孔隙水壓力的增長。根據(jù)2017 甬SS-01《寧波市建筑樁基設(shè)計與施工技術(shù)細則》（見表6），本工程最小樁間距應(yīng)為4d（d 為樁身設(shè)計直徑），即2.4 m。而部分群樁承臺、深基坑基礎(chǔ)的樁間距已達極限具體如圖2 和圖3 所示。

圖2 深基坑基礎(chǔ)樁布置

圖3 樁承臺樁基布置

表6 樁的最小中心距

在短時間內(nèi)大量密集沉樁、3-2 層超孔隙水壓力迅速增長的前提下，水壓的自然消散需要較長時間。2-2 粉質(zhì)黏土、3-1a黏質(zhì)粉土、3-2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)都比較小，透水性很差。

4.4 分析總結(jié)

通過以上分析，沉樁施工目前遇到困難的根本原因是3-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層因大量管樁短時間內(nèi)密集刺入產(chǎn)生的超孔隙水壓力無法有效釋放，增加了沉樁阻力。沉樁質(zhì)量關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)做到“對癥下藥”，從根本上解決這一問題。

5 應(yīng)對措施

為保證沉樁順利進行，要對3-2 超孔隙水壓力過大的問題“治本”。因此，制定如下技術(shù)路線。

1）優(yōu)化應(yīng)力釋放措施，應(yīng)力釋放孔穿透“鐵板砂層”，進入3-2 地層釋放超孔隙水壓力。

2）長螺旋引孔施工，采用挖機配合土方運輸車，在承臺位置填筑1 m 厚塘渣并壓實，并1∶2 放坡，以保證樁機安全。根據(jù)該工程的地質(zhì)情況選用2 臺長螺旋鉆機，根據(jù)規(guī)范預鉆孔孔徑可比樁徑小50～100 mm，本工程需引孔樁的樁徑為600 mm，故引孔機配φ500 mm 的鉆桿。

本工程樁有效樁長為46～50 m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)及試樁情況，預鉆孔深度取20 m，鉆孔前對樁位拉十字線做保護樁，鉆孔結(jié)束之后，將土回填到所引孔內(nèi)，挖機平整，進行二次定位，再在原先鉆好的孔位置進行沉樁施工，將收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)與之前進行對比，如表7 和表8 所示。

表7 改造前后周邊地表豎向位移對比表

表8 改前后孔隙水壓力對表

通過表7、表8 數(shù)據(jù)對比可知，長螺旋引孔可明顯減小樁基施工過程中引起的周邊位移并釋放大量地下土應(yīng)力。因此，此方法可行。

6 結(jié)論

針對上覆砂層下部為含水量較高的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層采用預鉆孔沉樁法通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：明顯改善擠土效應(yīng)，地基明顯改善，地基土位移可減小30%～50%，超孔隙水壓力值可減小40%～50%，并可減少對已沉入樁的擠推和上浮，通過長螺旋鉆機引孔也有利于減少樁機噪聲對周圍環(huán)境的影響。