軟弱土地區管樁基礎的基坑開挖及樁身偏位修正措施研究

蔡 鐘

福建省巖田基建工程技術有限公司

1 施工工藝特點

軟弱地基因為有著較大的壓縮性和空隙很大，所以抗剪性很小，如果遇到橫向的水平的力的情況下，地基會很容易發生變形。當地基受到擠壓時，會出現很大的壓力，并且在很短的時間之內無法擴散。軟弱地基固結系數較小，時間長，所在受到干擾時，復原時間長，而且無法恢復到原來的樣子。擠土樁型是預應力管樁主要的使用類型，并且施工速度快，所以在施工區域很容易發生擠土現象。管樁具有很大的抗壓性，但是抗彎性很小，不同質地的土層，都會受到水平力，所以很容易出現斷裂現象。因此，軟弱地基的特性會影響項目的實施。在開挖地基時，嚴格按照相關規范和標準進行，嚴格控制應力的釋放過程以及土體的位移變化能有效防止地基應力釋放過快，土體荷載太大的情況發生。

2 土方的施工過程

2.1 施工步驟

不同的工程圍護結構不一樣，所以不同的工程建設開挖步驟也很不一樣。大部分建設項目的施工是按照以下步驟進行的：平整和加固場地→嚴格管樁施工→針對不同土層實施開挖和施工→準備施工原材料。

2.2 有效規劃挖土作業

根據相關資料得出，一般在軟弱地基的施工地區管樁基礎的置換率是4%上下，施工之前需要了解工程的現狀，結合具體實際情況進行規劃布局，進而確定實施方案。地基的開挖，是按照一定的層次進行的。在基坑內盡可能不在軟弱土上方布置土方及作業車輛運輸的坡道，如果坡道地放坡系數小于1:1.5時就需要考慮采用混凝土進行護坡施工，如果土質情況不是太好，可以增加6.5@200×200鋼筋網狀結構。在施工過程中盡量避免在坡道兩側設置工程樁，如果無法避免就必須進行噴錨加固或灌芯，也可以用鋼結構棧橋來代替土方坡道。盡量避免壓樁與挖地基同時進行，開挖地基和樁基的施工時間應該大于15d，最好可以在30d以上。如果若承臺區域也等于軟弱土質結構，可以采用人工方式開展，這樣能把設備荷載對土體產生的影響降低到最小。用該提前考慮安排截樁。挖掘施工前，需要截掉表層的樁。開挖時，分段進行施工。車輛以及挖機盡量選擇小型機械設備，避免使用大型機械，比如小于PC100。基坑內的車輛最好在10t以下。基坑挖掘時需要布置好路線，盡量減少機械設備的重復來回碾壓。不得在邊坡附近堆放土方。

3 基坑的開挖形式

基坑的開挖應該根據圍護結構和土層土質的不同情況，可分為三種方式，分別是盆式開挖、中心島式開挖以及分層式開挖，施工過程中應做到限時開挖、對稱、分塊、分層。另外，在進行基坑開挖時應該根據五邊法進行施工：邊砌磚胎膜、邊澆混凝土墊層、邊鋪碎石墊層或片石、邊鑿超高樁、邊挖土。

3.1 基坑內的土方開挖方法

基坑內土方的挖掘一般有3種方法，第一種是大面積進行分層挖土，每一層的厚度小于2m，這種挖掘方式比較適合圍護基坑的情況，但是存在一定的缺點，那就是挖掘出淤泥質黏土或者是淤泥的空間需要回填鋼質路基板、建筑垃圾或者是塘渣，不然很容易造成施工的機械在軟弱土層中陷落，影響施工的正常進行。第二種基坑土方開挖方法是中心島式分層開挖，也就是說首先在基坑的四周進行分層挖掘，挖掘到土釘墻或者是支撐底的最底排，然后再對中心島進行挖掘，一般使用多輛反鏟接力式將土方傳送出基坑直達路面，挖掘的每一層厚度也是小于2m，并且邊坡的坡度控制在1/3～1/2 范圍內，臨時堆土的高度小于0.6m。第三種方法是盆式分層挖土，一般主要是在基坑周圍有留置三角土或者是斜撐，起到對基坑圍護結構的支承作用。

3.2 基坑下方的土方開挖方法

基坑下方的土方開挖形式有兩種，第一種是使用小型反鏟挖掘機在支撐的下部進行挖掘，接著采用接力式把土傳送到自卸汽車內，這種方法主要用于可挖土層厚度在3m 以上，可以確保挖土機械具有充分地施工作業空間。第二種是采用長臂反鏟機在支撐頂部進行挖掘，在挖掘之前需要回填鋼質路基板或者是塘渣，另外還需要保證機械底部的土層穩固，防止在施工時因為荷載太大導致支撐被壓斷。

3.3 保護圍護樁墻及工程樁的技術措施

在挖掘時必須對工程樁進行重點保護，特別是抗側移能力較差的混凝土預應力管樁，更要保護好。具體的保護技術措施如下：（1）標記較大的或者是超高的管樁，高度引起工作人員的注意，在整個開挖過程中道路路面施工盡量避開超高樁。如果管樁的標高大于2m，則需要進行2次截樁，避免挖掘時由于移動土體引起工程樁斷裂或者是偏移。（2）基坑的邊坡坡度一般控制在小于1/2，如果淤泥土質，則必須控制在1/3以內。（3）避免挖機的鏟頭與超高工程樁碰撞，首先在靠近機械的一側進行開挖，然后再挖掘其他三方的土方。（4）挖土機需要旋轉180°后把挖土裝載到自卸汽車上，這樣就必須防止邊坡受到過大的壓力。（5）如果天氣情況糟糕，盡量不要進行施工，僅為雨水會將土層軟化，導致邊坡發生塌方或者是位移。（6）運土坡道的角度一般保證小于15°，采用建筑垃圾或者塘渣進行鋪墊，加大坡道與機械的摩擦力。（7）土方開挖24h之內必須對基地墊層進行砌筑和澆筑，保證維護樁墻的穩定性。（8）嚴禁撐底超挖，如果支撐下部的空間很小，還要用機械進行挖掘，必然導致超挖現象。基坑挖掘到底板墊層時，立刻用混凝土進行澆搗，接著切割承臺地梁位置的墊層，用人工進行開挖地梁和承臺的土方。（9）當基坑的落差比較大時，需要使用長臂反鏟機挖土，機械需要站在較遠一點的位置，離開松木排樁或攪拌樁擋墻。

3.4 人工修土方式

在機械開挖土方之后，仍然需要人工對土方進行清理，因此必須保證足夠的勞動力，邊運土邊清理，清理出來的土方用機械運走，保證土方開挖和基坑支護形成連續的作業，盡量減小坑底的暴露時間。

4 樁身偏位及修正措施

4.1 樁身偏位的原因

在挖土施工過程中若組織不當則可能會產生管樁偏位，如未按照分層分塊開挖，其中的主要原因有以下幾點。

（1）超靜孔壓未及時消散。在東南沿海地區，軟弱土層多數是飽和的淤泥土或淤泥質土，其滲透性能較差。在管樁沉樁施工時，樁身會發生擠土效應，地基土也會隨之發生位移，造成土體內超靜孔壓較高。若所造成的超靜孔壓未在基坑土方工程施工之前消散，而土方開挖時造成部分土體卸載，而地基土原本達到平衡狀態的應力出現失穩現象，進一步造成土體位移、坑壁失穩、坑底隆起等工程事故，也可能會使得已經打入土體的管樁發生樁身偏斜甚至斷樁。

（2）在基坑土方開挖時，應當按照“分層開挖，先支護后開挖”進行，如果未遵循該原則，則部分流動性較強的軟弱土在開挖之后，未開挖的土體在自重應力的作用下，會造成深層土體發生位移，而造成管樁偏位。

（3）管樁樁頂的持力層往往并不是水平分布的，而是高低起伏狀態，在管樁嵌入持力層后，其樁頂的標高通常會高于管樁的設計標高。如果在這種情況下，挖土機在挖土過程中由于視線限制或操作不規范，可能會造成挖土鏟與樁頂發生一定的磕碰，造成管樁的樁身偏位。

4.2 在豎向荷載作用下偏位樁的受力

如圖2所示，作用于偏斜樁在豎向荷載作用時，可以將豎向作用力P分解為垂直和平行于樁軸線兩個方向的分量Px和Py。

對于樁身偏斜的樁體來說，其單樁承載力Qu同樣是極限側摩阻力Qsu與極限端部承載力Qpu兩者的疊加，如果忽略Qsu與Qpu之間的相互影響，則有Qu=Qsu+Qpu。

在進行極限端部承載力Qpu計算時，通常假定地基是若干水平薄層疊加而成，相鄰薄層之間不具有相互約束荷載。樁身偏位的樁體與土層之間的作用力不考慮垂直投影面內的影響，而僅僅考慮水平投影面內的相關情況，所以，偏斜角θ會對極限端部承載力Qpu造成影響，隨著其不斷增大而逐漸變化。

當偏斜角θ為0時，樁身無偏位現象，處于垂直狀態，則：

當0<θ<Φ時，則：

式中：

Ap——片偽裝的水平投影面積；

qp——樁端單位面積的極限阻力。

當Φ<θ<90°時，極限端部承載力Qpu向Φ 角水平面內投影，則垂直于樁體軸向的投影面內的被動土壓力形成極限端部承載力Qpu，即：

式中：

Ap1——水平投影面積；

Ap2——垂直投影面積；

σp——在垂直范圍內作用的被動土壓力；

γ——被動土的容重；

Kp——被動土壓力系數；

z——壓力計算點的難度。

從上述計算可知，當θ>0情況下的Qpu比垂直樁的Qpu小，此時偏斜樁的極限端阻力也隨之減小。

圖1 豎向荷載作用時偏位樁的受力圖

圖2給出了不同偏位角度的單樁軸力對比情況，從中可以看出：（1）樁身所受的軸向應力均為沿樁軸線方向從下到上逐漸增大，在樁體最下位置上的局部軸力也為大于零的正值，由此說明，樁身偏位的樁體單樁承載力Qu同樣是極限側摩阻力Qsu與極限端部承載力Qpu兩者的疊加；（2）在軟弱土層內，樁位偏斜的樁體的軸向應力變化較大，樁體下部的側摩阻力相對較大，而樁體上部的側摩阻力相對較小；（3）在相同荷載下，偏位角對樁體軸力有較大影響，不同偏斜角度主要是影響樁側的摩阻力分布。總之，樁身偏位角的增加會導致管樁承載力降低，同時也與上部作用的荷載大小相關。

圖2 不同偏位角下單樁受力對比分析

4.3 樁身偏位的修正措施

4.3.1 樁身加固

首先對樁身偏位情況以及樁身完整性進行檢測，對出現的偏位甚至斷樁的情況，一般采用灌芯補強進行處理，如圖3所示。圖3中：①螺旋箍與主筋點焊連接；②灌芯混凝土強度等級C35；③型鋼長度放置時，應確保裂縫上下2m范圍內存在型鋼。灌芯前，必須確保樁斷裂處樁身無錯位情況出現，待灌芯混凝土達到設計強度后，須全部采用低應變法復測樁身完整性。

圖3 管樁灌芯加固示意

4.3.2 補樁及承臺底板地梁加強

如果局部范圍內樁身偏位情況嚴重，偏斜位移較大，則一般會進行補樁，補樁一般是鉆孔灌注樁。如果是多樁承臺下部的管樁樁身偏位嚴重，則可以將單獨的承臺重新設計為聯合承臺，具體需要根據上部結構的受力情況來對承臺進行計算配筋。同時對于承臺上部的地下室底板厚度應當適當增加，可以在承臺與下部偏位樁之間增加地梁，地梁的配筋量應根據偏位樁的具體情況適當加大，這樣能夠很大程度上加強承臺與樁體的整體性，建筑物的基礎剛度也得以提升。采用上述樁身偏位修正措施，能夠很大程度上降低樁身偏位的負面影響。

5 結束語

在東南沿海地區，由于海相、湖相地質廣泛分布，地下水補給充足，造成許多施工場地出現大面積、大深度軟弱土的情況，而預應力混凝土管樁目前又廣泛運用于沿海地區的公用民用建筑工程之中。在實際施工時，混凝土管樁屬于擠土樁，其施工特點是工期較短，施工進度快。在管樁迅速打入軟弱土體后，土體內的超靜孔壓未能及時消散，如果在超靜孔壓消散過程中未能控制好土方的開挖，則容易造成樁身偏位等工程是事故。因此，在進行軟弱土地區管樁基礎的基坑挖土時應根據軟弱土的具體工程性質，全面有效地規劃好土方的開挖作業，控制樁身偏位，保證管樁質量。此外，在挖土施工過程中若組織不當則可能會產生管樁偏位甚至斷樁等工程病害，應及時采用樁身加固、補樁以及承臺底板地梁加強等合理的樁身修正措施。