陳 赟, 沈丹祎, 姜葉翔, 羊逸君, 羅敏敏, 胡 琦

(1 浙江大學建筑設計研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大學平衡建筑研究中心，杭州 310028；3 杭州市地鐵集團有限責任公司，杭州 310018；4 東通巖土科技股份有限公司，杭州 310020)

0 引言

城市化推進導致城市土地資源日趨緊缺,預制樁以施工工效高,可改善地基土性能,提高地基承載力等優(yōu)勢,已經成為工業(yè)與民用建筑廣泛采用的地基處理方式［1］。預制樁在沉樁過程中需要置換土體,在此過程中會產生側向擠壓,對周邊環(huán)境產生重大影響。例如,南京金陵飯店預制樁施工,引起場地隆起量達44cm,樁頂水平位移達26.5cm,產生了巨大不良影響［2］。因此,掌握預制樁成樁擠土效應影響因素,厘清其對周邊環(huán)境的影響,進而提出有效防治措施,對保護鄰近既有建(構)筑物安全具有重要的意義。

國內外學者基于試驗研究、理論分析、數值模擬等方法對預制樁成樁過程中的擠土效應及其對周圍環(huán)境的影響開展了大量研究［3-4］。但已有研究大多是基于具體工程案例進行探討,尚缺少成樁擠土效應對不同類型周邊環(huán)境的影響及防治措施的系統(tǒng)總結分析。基于此,本文系統(tǒng)梳理預制樁沉樁施工影響因素,擠土效應對建筑、地鐵、市政設施、地下管線的影響規(guī)律,以及設計、施工、監(jiān)測的保護措施等方面的相關研究成果,以期為預制樁現場沉樁施工提供一定參考依據。

1 擠土效應影響因素及規(guī)律

預制樁沉樁施工會使樁周土體結構受到擾動,當壓力超過土體抗剪強度時,會因為發(fā)生劇烈變形而破壞。擠土效應造成的影響主要包括以下4個方面［5］：

(1)樁周土體位移。樁周土體隨樁產生同向位移,并向外擴展排擠周邊土體,周邊土體受向上作用力,導致土體產生垂直隆起和水平側向位移。

(2)樁周土體抗剪切強度。樁周土體發(fā)生擾動,導致土體結構改變,抗剪強度下降,沉樁后由于土體固結效應,土體抗剪強度部分恢復。

(3)樁承載力。不同類型預制樁在打樁完成后,隨著時間增加,樁基承載力會逐步提高［6］。

(4)孔壓分布變化。土中孔壓逐漸增大,但受到“水裂”作用,孔壓達到一定值后趨于穩(wěn)定;施工結束后,孔壓隨之進入消散階段［7］。

擠土效應的影響因素主要包括土質、樁參數、布樁規(guī)模及方式3個方面:

(1)土質。沉樁在不同土體類型中的影響具有很大差異。通常,從松散到中密砂(粉)土中沉樁會引起土體擠密;在密實砂土中沉樁可能導致砂土液化;在結構性軟黏土中沉樁會引起土體強度損失［8-9］。此外,在層狀土中沉樁會導致軟硬土層交界處位移突變,即交界層處軟土徑向位移增加、硬土層位移受到牽連［10］。

(2)樁參數。隨著打樁入土深度增加,土體水平位移增加;隨著距離樁水平距離的增大,土體水平位移呈指數形式衰減［11］。H型鋼樁壓入硬土時排土量為100%,壓入黏土中排土量為50%;而鋼筋混凝土預制樁壓入黏土時排土量僅為30%［12］。

(3)布樁規(guī)模及方式。表層中心土體受到四周群樁共同擠壓作用隆起量較大;土體隆起量隨著徑向距離的增加而逐漸減小。此外,間隔跳打樁時,既有樁基礎變形小于一次沉樁變形［11］。

此外,根據已有經驗,在預制樁沉樁施工后,淤泥質黏土的強度和壓縮模量通常會因結構擾動降低,并在施工間歇期得到部分恢復,但大多無法達到原狀土強度;粉質黏土的強度和壓縮模量一般變化較小;而粉土和砂性土的強度和壓縮模量則因擠密效應而增大。

2 沉樁擠土對周邊環(huán)境的影響

預制樁沉樁擠土效應對周圍環(huán)境的影響機理復雜,本節(jié)分別從沉樁擠土施工對建筑物、隧道、市政設施和地下管線的影響4個方面進行論述。

2.1 沉樁擠土對建筑物的影響

沉樁施工可能會對建筑紅線鄰近的建筑物產生影響,如導致墻面開裂、結構變形等事故［13］。已有研究表明,沉樁施工對鄰近建筑物的影響主要受到其與沉樁點距離、樁相對位置及沉樁速率的影響。

在建筑物與沉樁點距離影響方面,陳挺杉［14］基于工程實例發(fā)現,某道路靜壓樁施工中,附近建筑物產生細微裂縫并逐步發(fā)展開裂,壓樁部位觀測點沉降量增大;壓樁結束后,各點沉降量及沉降速率呈總體減小趨勢,房屋整體沉降發(fā)生收斂。王敏和虞青［15］介紹了沉樁施工造成距離施工現場12.6m的附近車間墻體大面積開裂,車間地面大幅度隆起事故,并通過實例分析了事故發(fā)生原因及問題解決過程,總結了經驗教訓。別小勇等［16］基于某軟土基坑預制樁施工全過程監(jiān)測,提出周邊建筑物在預制樁連續(xù)壓入過程中會同時產生水平和豎向位移,且豎向位移幅度大于水平位移。此外,靠近基坑中部位置位移量大于基坑兩端,距離基坑越近,豎向及水平位移量越大。張雪嬋等［17］對嘉興市某PHC管樁施工對建筑物影響的進行了分析,發(fā)現壓樁會造成周圍淺層土體隆起,土體隆起主要發(fā)生在樁間土和樁周,進而影響鄰近建筑物安全。

在建筑物與樁相對位置影響方面,林金錯［18］基于某建筑工程靜壓樁沉樁施工監(jiān)測研究,提出距邊樁1.0～1.5倍樁長范圍內建筑物容易受影響。郭堅波［19］基于某配套用房二期工程,研究發(fā)現靜壓樁擠土效應會導致土體垂直和水平位移增加,引起鄰近建筑物開裂和導致樁出現浮升、偏移和擾動,降低靜壓樁承載力。李文潔［20］研究認為成樁產生的振動會向外發(fā)生擴散,引起一定影響范圍內的建筑物發(fā)生破壞。

在沉樁速率影響方面,林金錯［18］提出沉樁速率為6根/d時,沉樁對鄰近建筑物的影響較小,但當沉樁速率在20～30根/d時,鄰近建筑物極易發(fā)生損壞。此外,當鄰近建筑物受損時,應暫停沉樁1～2d,并將沉樁數控制在4根/d以下。俞自立［21］基于上海某工程混凝土預制樁沉樁施工,研究發(fā)現將壓樁速率控制在0.5～0.8m/min,每日沉樁數量不得超過8根,可以最大程度地控制沉樁擠土效應。

總體而言,沉樁施工對鄰近建筑物的影響受到多方面因素的共同作用,通常隨著與沉樁點距離的增加,對鄰近建筑物的影響降低;沉樁速率越快,鄰近建筑物受損越嚴重。目前研究結論大多基于具體的工程經驗得到,對于沉樁參數(距離、相對位置、沉樁速率等)與建筑物受影響程度的定量規(guī)律方面的結論較為缺乏。在后續(xù)研究中可以通過現場監(jiān)測結合數值模擬的手段,系統(tǒng)開展不同沉樁參數、巖土體參數及建筑物參數下沉樁施工對建筑物的影響研究,并提出鄰近建筑物沉樁施工流程建議。

2.2 沉樁擠土對隧道的影響

沉樁擠土對鄰近隧道的影響主要包括引起地下隧道的變形、位移和附加彎矩等。已有較多學者從與沉樁點距離、樁長、沉樁速率和樁數量影響等方面開展了大量研究。

在隧道與沉樁點距離影響方面,陳軍［22］利用FLAC 3D有限元軟件,結合圓孔擴張模擬方法,建立了三維樁-土-隧道模型,研究發(fā)現沉樁擠土引起的附加內力隨著隧道與樁距離增加呈指數衰減;當樁與隧道凈距大于40m時,其擠土效應產生的附加內力大約衰減到原內力值的10%。丁智和張霄［23］利用PLAXIS軟件重點分析了單樁沉樁過程對既有隧道變形的影響規(guī)律,并考慮了樁-隧道位置關系、隧道埋深、樁與隧道間距、樁徑等因素;發(fā)現樁側施工易引起隧道變形,變形隨樁與隧道凈距增加而發(fā)生衰減;并提出,根據施工引起隧道變形,可以劃分強、一般和弱三類影響區(qū)域。

在樁長影響方面,靳軍偉等［24］研究發(fā)現,隧道豎向位移會隨著樁長增大先增大后逐漸趨于穩(wěn)定。秦世偉等［25］基于FLAC 3D有限元軟件,考慮了樁土間摩擦作用,結合圓孔擴張和位移貫入兩種方法,分析了單樁靜壓沉樁過程對鄰近既有隧道結構變形分布規(guī)律的影響;發(fā)現隧道結構位移隨著沉樁深度的增大而逐漸增大,且隧道結構位移以水平方向位移為主。

在沉樁速率方面,張一弛［26］基于徐州中山國際項目,研究發(fā)現單樁沉樁擠土使隧道整體處于受壓狀態(tài),造成隧道變形后形狀呈“豎鴨蛋”狀;同時,當沉樁速度低于0.1m/s時,隧道最大位移值基本保持不變,當沉樁速度超過0.1m/s時,隧道最大位移值隨著沉樁速率增大而增大;微群樁沉樁引起隧道位移值遠大于單樁作用結果,迎著隧道沉樁對隧道影響最大,遠離隧道沉樁對隧道影響最小。

在樁數量影響方面,賀雷等［27］基于圓柱孔擴張理論及基床系數法,分析了軟土區(qū)域預制樁沉樁對鄰近隧道的影響;發(fā)現隧道位移隨樁數量增加不斷增大,首排樁對隧道影響是最大的,多排樁施工引起的隧道位移為單排樁的1.5倍。但張澄［28］研究認為,在群樁施工過程中,隧道受到的擠土影響隨著樁數量的增加而增大,一旦發(fā)生過大的水平位移會直接導致既有隧道發(fā)生變形破壞。

總而言之,沉樁施工對鄰近隧道的影響隨著與樁身距離的增加逐漸減小;隧道豎向位移隨著樁長的增大先增大后趨于穩(wěn)定,且最大位移值隨著沉樁速度的增大而增大。但是現有研究關于群樁施工對隧道位移影響的結論尚未統(tǒng)一,且缺乏沉樁擠土效應對隧道影響的定量評價方法。隨著群樁工程日趨增多,后續(xù)研究可以通過室內模型試驗和數值模擬相結合的方法,重點關注群樁位置、數量、沉樁速率等對隧道變形的影響,并結合風險管控理論,提出降低隧道變形的群樁施工方法。

2.3 沉樁擠土對市政設施的影響

現有沉樁施工對市政設施影響的研究主要針對鄰近道路路基和橋梁,且總體研究較少。

在沉樁擠土對路基影響方面,楊明虎［29］基于金溫擴能改造工程,研究發(fā)現既有鐵路線路基水平位移、豎向位移及水平應力隨著壓樁數量的增加而增大,隨著距壓樁區(qū)域距離的增加而減小,且變形以壓樁區(qū)域中線為軸,接近對稱分布。吳春武［30］建立了3×3群樁結構物理模型,研究了群樁沉樁過程對高速鐵路路基的影響,提出靜壓樁施工會導致鄰近高速鐵路路基產生擠土位移和擠土應力;擠土位移和擠土應力會隨著壓樁數量的增加而增大,隨著距壓樁區(qū)域距離的增大而減小,但變化速率會隨著壓樁排數的增多而減小。

在沉樁擠土對橋梁影響方面,楊明虎［29］提出不同壓樁順序對既有鐵路線橋梁影響大小不同,按距框架橋由近至遠順序壓樁比倒序壓樁對既有線框架橋影響小,既有線框架橋水平位移在順序壓樁時比倒序壓樁時減小10%左右,豎向位移減小20%左右,水平應力減小10%～40%。吳春武［30］研究發(fā)現,靜壓樁施工對鄰近橋梁縱向位移和應力的影響很小,靜壓樁施工主要導致既有橋梁發(fā)生橫向水平位移和豎向位移,且兩種位移由壓樁端向遠樁端近似直線的減小;此外,靜壓樁施工對鄰近橋梁上部結構的縱向應力也有一定影響,但較位移影響程度要小很多。

綜上可見,沉樁施工引起路基水平位移、豎向位移及水平應力通常以壓樁區(qū)域中線為軸呈對稱分布,且與壓樁數量呈正相關關系。沉樁施工使鄰近橋梁位移發(fā)生線性變化,導致橫向水平位移和豎向位移由壓樁端向遠樁端減小。然而,橋梁和道路本身結構的差異性導致其對沉樁施工影響的反饋不同。目前仍缺乏沉樁參數與道路、橋梁位移的定量規(guī)律的研究。后續(xù)研究中可以綜合采用理論分析和數值模擬相結合的手段,研究沉樁擠土對道路、橋梁影響,并提出基于沉樁參數判斷擾動程度的方法,為鄰近道路、橋梁的沉樁施工工程提供參考。

2.4 沉樁擠土對地下管線的影響

目前關于沉樁施工對鄰近地下管線影響的研究大多通過具體工程案例的監(jiān)測數據,分析地下管線位移與沉樁點距離、沉樁數量和管線埋深的關系。

在地下管線與沉樁點距離影響方面,李富榮等［2］開展了樁-土-隧道室內模型試驗,研究了3×3群樁在沉樁過程中對鄰近地下管線應變的影響規(guī)律。研究結果表明,在沉樁過程中,地下管線的應變逐漸增大;離沉樁區(qū)域越近的管線應變越大,出現應變軟化現象;此外,應變與管線埋深成正比,與管線直徑和抗彎剛度成反比,且當管線距沉樁區(qū)域較遠時,管線埋深增加會導致應變減小。夏朝娟［31］基于具體工程案例監(jiān)測數據,研究發(fā)現,沉樁施工過程中地下管線整體上抬且向沉樁擠土方向偏移。

在沉樁數量影響方面,張磊等［32］運用FLAC 3D有限元軟件,研究了沉樁過程對鄰近管道變形的影響。數值模擬結果表明,群樁沉樁導致管道周圍土體位移和管道承受應力都較大;這種應力會導致管道接口處的混凝土斷裂,并產生裂縫;在極端情況下,管道可能會發(fā)生破壞。

在管線埋深影響方面,解廷偉等［33］結合某排污管保護工程,采用ABAQUS軟件模擬地下管道兩側分別壓入3根預制混凝土空心管樁,研究發(fā)現,在沉樁過程中,沉樁深度存在臨界值,會引起管道位移;水平位移的臨界沉樁深度范圍為排污管埋深的0.5～2.25倍,而豎向位移的臨界深度范圍為排污管埋深的1～3倍。張銘楷等［34］基于有限元模擬了地下管線一側打入6根實心樁施工過程,研究發(fā)現,最大主應力出現在管線遠樁側,應力與位移峰值的位置隨著樁貫入位置變化而改變;此外,管線的水平位移隨著埋深的增加而增大,豎向位移則減小,最大主應力的影響范圍為管線中間往兩端各約8倍樁徑;同時,隨著土的彈性模量的增加,管線在土中的變形協調能力減小。

綜上可見,沉樁施工會引起地下管線位移變化,管線距離沉樁區(qū)域越近,沉樁數量越多,管線上抬量越大,水平位移量越大,且管線位移存在臨界沉樁深度。但是,與沉樁施工對路基、橋梁的影響研究相似,現有研究尚未厘清沉樁擠土與地下管線位移間的定量關系。后續(xù)研究應該進一步結合現場監(jiān)測、室內試驗和數值模擬等手段,開展沉樁擠土參數對地下管線影響研究,并提出具體施工建議。

3 擠土效應防治措施

沉樁擠土效應對鄰近建(構)筑物有很大負面影響,因此,如何從設計、施工、監(jiān)測上采取有效措施,降低其影響程度,進而保證工程順利施工是關鍵。

3.1 設計原則

在預制樁工程設計中,對于高層建筑,可以采用長樁或稍大一級管徑的樁,加大樁距,減少樁數,降低布樁密度,以降低壓樁引起地基變形和超孔壓;對于裙房,可采用疏樁基礎;對于樁尖設計,盡可能應用開口樁尖,減少樁上浮,縮小影響范圍。當E/Cu(E為土的彈性模量Cu為土不排水抗剪強度)較大時,可以考慮改用鉆孔灌注樁等非擠土樁,或采用開口鋼管樁、H或I型鋼樁等低擠土樁［35-36］。

在設計前,可以通過室內模型試驗和數值模擬預先研究不同設計參數下的沉樁擠土效應,進而指導設計選用樁管徑、樁距、樁數、樁尖類型等參數。

3.2 施工措施

在施工前期和施工過程中,可以采取排水法、應力釋放法、預鉆孔壓樁法、隔離法等方法以達到保護周邊建(構)筑物的目的。

3.2.1 排水法

黏性土通常具有滲透性低、排水條件差的特點,在施工時通常容易出現低壓縮性的特點。施工時,為減小沉樁擠土效應,通常在沉樁區(qū)域的附近開挖排水空間,并填充砂或埋置塑料排水板,形成排水通道,促進孔隙水及時排出,減小樁貫入阻力和擠土效應。通常,砂井對孔壓的減壓作用在40%左右;在孔壓出現峰值時,砂井對孔壓的減壓作用發(fā)揮最好(可減壓50～60kPa),一般情況下可減壓10～20kPa［37-38］。

3.2.2 應力釋放法

設置應力釋放溝(孔)可以減小沉樁施工對周圍建(構)筑物的影響。對于應力釋放孔,通常在實際工程中會設置為大于2排,且孔口呈現“梅花”形交錯排列的形式。應力釋放孔的孔徑在400～600 mm,孔深度在10～15m,孔間距在0.5～1.0 m。此外,依據現場經驗,在孔內填充稻草等壓縮性大、透水性好的填料可以有效防止塌孔。對于應力釋放溝,受實際施工深度的影響,通常只用于消除沉樁引起的淺層土體擠壓作用。實際工程中,應力釋放溝一般為寬1.2～2.0m、深2.0～2.5m［39］。

3.2.3 預鉆孔壓樁法

預鉆孔壓樁法主要通過預先鉆孔取土的方式降低沉樁過程中擠土量,進而減小對鄰近環(huán)境的影響。根據工程實測數據,采用預鉆孔壓樁法后,樁周土體內超孔壓可減小40%,位移可減小30%,影響深度達孔底以下2～3m,可見預鉆孔壓樁法可以有效控制沉樁擠土作用。為了保證樁的準確對位及其承載能力,預鉆孔孔徑不應大于沉入樁直徑,一般為沉入樁樁徑的1/3～2/3［37,39］。

3.2.4 隔離法

隔離法是指在打樁順序垂直方向設置鋼板樁、地下連續(xù)墻等,減小沉樁擠土作用,進而保護墻體外圍建(構)筑物。

由于擠土效應的水平影響范圍主要集中在6倍樁徑以內,可以在距離排樁5～6倍樁徑距離處打入連排鋼板樁。該方法的缺點是如果采用可循環(huán)利用的鋼板樁,鋼板樁拔除時會引起樁附近土體擾動,對周圍環(huán)境造成影響;而采用混凝土地下連續(xù)墻則用施工后無法拆除,費用大［39］。

3.2.5 施工控制

施工控制包括合理控制沉樁施工順序和控制沉樁速率兩個方面。

沉樁施工順序通過改變擠壓應力分布方式減小沉樁施工對周圍環(huán)境的影響。已經施工的樁,會在后續(xù)打樁過程中對周圍土體起到剛性帷幕保護作用。因此,常采用分區(qū)沉樁以防止孔壓過大積累,使周圍建筑物、管線等設施的各部分變形趨于均衡［39］。

控制沉樁速率包括控制日沉樁量和連續(xù)沉樁天數兩個方面。一般日成樁數量宜小于10根;在連續(xù)沉樁情況下,特別是沉樁后期,土體位移對沉樁速率的影響相比沉樁前期更加敏感。因此,更應該嚴格控制速率及間歇時間［39］。

具體施工措施的選取通常需要根據周邊環(huán)境的保護要求確定,目前研究中對于具體施工措施的應用范圍較為含糊。后續(xù)可以進一步基于數值模擬,開展沉樁中不同施工措施在不同周邊環(huán)境條件下的應用效果的研究,進而提出施工措施選取建議。

3.3 監(jiān)測手段

開展沉樁施工過程監(jiān)測可以及時掌握地面沉降、孔壓變化等情況,為保護周圍環(huán)境提供參考。監(jiān)測內容通常包括:1)周邊建(構)筑物的位移、沉降和裂縫寬度等;2)保護區(qū)域建(構)筑物的側向位移;3)地面沉降及隆起范圍;4)孔隙水壓力分布及消散情況［40］。

豎向位移可以采用水準儀觀測,水平位移一般采用全站儀進行觀測［40］?？讐和ǔＭㄟ^孔壓靜力觸探試驗或采用孔隙水壓力計測量［41］。監(jiān)測過程中,預警指標通常設立總變形量和變化速率兩類,當總變形量超過設計限值時,應立即停止施工并啟動應急預案。當變化速率超過設定值時,應實時關注該指標的變化趨勢,并結合總變形量進行判斷。

4 結論與展望

預制樁沉樁擠土會對周圍環(huán)境產生極大影響,已有研究表明,擠土效應受土質、樁參數、布樁規(guī)模及方式的共同影響。沉樁過程中,鄰近建(構)筑物均會受其與沉樁點距離的影響;同時,建筑物易受其與樁相對位置及沉樁速率的影響。隧道主要受樁長、沉樁速率和樁數量的影響;市政設施受沉樁數量和沉樁順序的影響;地下管線受沉樁數量和管線埋深的影響。從設計、施工、監(jiān)測上采取有效措施降低沉樁的影響,可以在一定程度保障工程安全。但是,由于目前研究擠土樁對周邊環(huán)境(如隧道、基坑、既有建筑)的影響主要基于具體工程案例分析,尚缺乏系統(tǒng)的歸納和定量分析,在后續(xù)研究中應著重考慮以下3個方面:

(1)開展硬黏土、砂土地區(qū)沉樁擠土效應研究。已有研究主要關注軟黏土中沉樁擠土效應對周邊環(huán)境的影響,對于硬黏土、砂土中沉樁沉樁擠土特征缺乏了解?？砷_展不同土體中沉樁擠土影響的現場監(jiān)測、試驗和數值模擬研究,定量分析各類土體沉樁規(guī)律,可為采取針對性的防治措施提供參考。

(2)開展沉樁施工對周邊環(huán)境影響的定量關聯規(guī)律研究。已有研究主要關注具體工程案例分析,缺乏沉樁擠土效應對環(huán)境影響的定量規(guī)律的研究?？刹扇∧Ｐ驮囼灪蛿抵捣治鼋Y合的手段,系統(tǒng)研究沉樁參數(樁長、距離、施工順序等)、土體參數與鄰近建(構)筑物變形的關聯規(guī)律,建立三者之間定量關系,可為沉樁擠土效應評估提供依據。

(3)開展沉樁擠土效應對周邊環(huán)境影響的動態(tài)風險評估?；诒O(jiān)測數據建立預報預警系統(tǒng),對減小沉樁擠土不良效應具有重要作用,但目前缺乏基于監(jiān)測數據的動態(tài)風險評估研究。在風險界定和識別的基礎上,建立沉樁施工對周圍環(huán)境影響的網絡結構,考慮模型和參數的不確定性,提出沉樁擠土動態(tài)風險評估模型,可為擠土效應防治提供指導。