通過側向擠壓排水固結提高擠土樁樁基性能的創新方法

陳俊昂，王 帥

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

擠土樁(包括預制混凝土樁、鋼管樁、沉管灌注樁等)是常用的一類軟土地區地基處理方式，該類地基處理方式有著樁體強度高、施工快捷等優點，但在高飽和度淤泥軟土地基使用時，成樁過程的擠土效應對工程周邊環境存在著負面影響，《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[1](以下簡稱《規范》)、孫修禮[2]等對此進行了介紹并提出了采用設置排水板、加大樁距等防治措施。

此外擠土樁在軟土地基的工程應用中，尚有單樁水平向承載力低[3]、工后地基土體沉降易引起基礎與地基脫空形成滲漏通道[4-5]、工后地基土體沉降對樁基形成負摩阻力等缺點。鑒于目前尚無針對擠土樁的上述負面影響與缺點的系統解決方法，因此，尋求技術創新，全面減弱擠土樁缺點的負面影響，改善擠土樁樁基性能具有必要性與應用意義。

2 技術方法與原理

2.1 軟土中擠土樁負面特征分析

軟土地基中，擠土樁的負面特征主要表現如下。

1)擠土樁施工過程中的擠土效應對工程或周邊環境易造成不良的影響，壓樁時，樁周土體被擠密，但高飽和度淤泥軟土一般滲透性差，土體擠壓后孔隙水壓力得不到及時消散，土體固結緩慢，使土體產生垂直隆起和水平位移，如果位移受到阻礙，便會產生擠壓應力，對周邊建筑物、管線可能造成損害，對樁基本身可能引起灌注樁斷樁、縮頸等質量事故，對于預制混凝土樁或鋼管樁可能導致樁體上浮，降低承載力，增大沉降等負面影響。因此，為了避免上述負面影響，在高飽和度淤泥地基中，當采用擠土樁時，要求樁中心距不小于4～4.5倍樁體直徑。

2)樁周地基土體側向抗力是影響樁水平向承載力的重要因素，而高飽和度淤泥軟土的土體側向抗力指標低，致使樁的水平向承載力小。而水工擋水或擋土建筑物一般水平向荷載較大，當采用樁基承載水平向荷載時，需要較多的樁數，而為滿足樁中心距的要求，常常會導致基礎平面尺寸較大，造成基礎占地范圍大、開挖量大、造價高等缺點。

3)由于高飽和度淤泥軟土地基滲透性小，固結緩慢，工后的固結使地基土體下沉，而建筑物基礎在樁基的支撐下沉降量比地基土體沉降量小，可能致使建筑物基礎與地基土體脫空，造成基礎與地基土體之間形成滲漏通道，對于擋水建筑物滲漏通道易影響建筑物功能或發生安全事件；另外，地基土體的固結沉降也將對樁基產生負摩擦力等不利現象，降低樁基的豎向承載力。

2.2 創新技術方法

從擠土樁成樁過程特點及高飽和度淤泥軟土物理力學特征的研究和工程實踐發現，擠土樁施工過程中的擠土效應對工程或周邊環境造成不良影響，主要為高飽和度淤泥軟土滲透性差，土體擠壓后孔隙水壓力得不到及時消散所致，若能及時排水，首先此不良影響可得到有效減弱；其次淤泥軟土排水后，在擠土樁的側向擠壓下，土體也將逐步固結，而固結將可提高土體物理力學指標與工后沉降，進而產生提高樁基水平向承載力，減少樁基負摩擦力，減緩建筑物基礎與地基土體脫空的可能等正面效應。同時參照在淤泥地基中常用的排水措施，即在地基中插入豎向排水體(如排水板等)的方式，本文提供一種施工簡單、造價低、對擠土樁樁基性能改善效應高的創新技術方法：通過側向擠壓排水固結提高擠土樁樁基性能方法，即在施工擠土樁前，在擠土樁各樁位之間的地基中插入1條或多條豎向排水體(如排水板等)，再進行擠土樁的施工。

2.3 創新技術原理

首先在施工擠土樁前，在擠土樁各樁位之間的地基中插入1條或多條豎向排水體，豎向排水體相對于周邊低滲透性的淤泥軟土，可充當排水通道。

實施擠土樁壓樁，在壓樁過程中，樁體將對周邊的土體將產生擠壓效應，因土體周邊存在著排水通道，土體受擠壓后孔隙水將集中并就近于排水通道中排出，孔隙水壓力可得到及時的消散，土體可得到較快的固結，壓樁過程中對工程或周邊環境可能造成的不良影響將減弱；同時土體排水固結后，土體的物理力學指標可得到改善，一方面可使樁基的水平向承載力增大，另一方面可減少工后沉降量，減小樁基負摩阻力。

2.4 創新技術優點

采用本技術方法，對擠土樁樁基性能將有以下的明顯改善。

1)可減少成樁過程中的擠土效應對周邊環境的負面影響，減少樁距。

2)樁周土體得到排水固結，土體物理力學指標改善，土體側向抗力增大，從而樁的水平向承載力增大。

3)樁周軟土在施工時得到固結，工后基礎與地基土體脫空、產生負摩阻力等不利現象減弱。

由于上述性能的改善，尚有縮小基礎平面尺寸、減少開挖量、降低工程造價等附加效益，且施工方法簡便易應用。

3 案例研究

3.1 案例概況

珠江河口某1級海堤工程，因場地條件等因素限制及功能要求，堤岸采用懸臂式擋墻形式，擋墻擋土凈高為7.0 m，根據平面布置，擋墻每15 m設結構縫。經地質勘察，擋墻基礎下臥土層從上至下依次為約18.6 m厚淤泥質土層、7.6 m厚粉質粘土層、15.8 m厚沙礫層、基巖。綜合擋墻的地質情況、使用功能要求、施工條件等因素，設計時經比選，采用了DN 600預制管樁處理方案，同時為提高樁基的水平承載力，擋墻墻趾第1排管樁采用了斜樁，擋墻及樁基橫剖面示意如圖1所示。

圖1 擋墻及樁基橫剖面示意(單位：m)

3.2 計算

根據《規范》，樁身配筋率不小于0.65%的混凝土樁單樁水平向承載力特征值按下列公式計算(管樁樁身配筋率大于0.65%)：

(1)

按照《規范》上述公式計算，當按常規工藝施工時，DN 600預制管樁單樁水平向承載力特征值為84 kN。

每塊擋墻(15 m長)最不利工況承受的水平推力經計算為3 750 kN，并考慮安全系數，每塊擋墻基礎需配置60根DN 600的預制管樁。若樁距按4倍樁徑(2.4 m)要求，擋墻基礎底部寬度將達到16 m。

為提高單樁承載力、減少樁距以縮小基礎底部寬度，在該工程中嘗試采用側向擠土排水固結提高樁基性能的方法進行優化，并進行了實驗與檢測。

3.3 實驗與檢測

選一塊擋墻樁基如圖2所示布置，樁距為2 m、排距為1.65 m，梅花形布置，并在各位之間布置1根C型塑料排水板，排水板深度至淤泥質土層底部。

圖2 擋墻樁基布置示意(單位：mm)

排水板施打完畢，進行預制樁壓樁，壓樁過程中，排水板頂部不斷有水流出，地面未見隆起，先行打入的樁未有浮樁或樁頂移位。

壓樁完畢10 d后，選取其中2根樁(1#樁和2#樁的平面布置見圖2)進行了樁基水平向承載力靜載檢測，檢測典型H～t～Y0曲線如圖3，從圖3可知當樁頂位移為10 mm時，1#樁和2#樁單樁水平向承載力分別為120 kN、105 kN。

3.4 效果分析

1)該擋墻樁基施工過程中，雖樁距小于《規范》要求的4倍樁徑，但排水板的存在，可得到及時排水，未發生地面隆起、浮樁或樁頂移位等現象。

2)1#樁和2#樁單樁水平向承載力均值為112.5 kN，均值比計算值增大28.5 kN，增幅34%。

3)該擋墻施工完畢至編寫本文時，已經歷運行約3.5 a，經監測擋墻各項指標良好。

1#樁

2#樁

4 結語

因高飽和度淤泥軟土滲透性差、物理力學指標低，擠土樁在高飽和度淤泥軟土地基中使用時存在著影響樁基性能的缺點，而采用預先施打豎向排水體形成排水通道，再利用擠土樁壓樁過程中樁體的側向擠壓效應使地基軟土排水固結的方法，從有效提高擠土樁樁基性能，且實施簡便，可廣泛應用。