基于工程的開口管樁擠土效應研究

李晨楠，錢玉林，顏 晨，徐 揚，許奇新

（揚州大學，江蘇揚州 225127）

0 引言

近年來建筑行業對管樁的需求量越來越多，開口管樁的擠土作用得到了更加廣泛的重視，因此開口管樁擠土效應的研究對于管樁性能的優化起著至關重要的作用。預制管樁不僅要求的配筋率很小，對鋼材的需求不大而且有著施工簡單、技術難度低的優點。迄今為止，已知的管樁的施工方法有3 種，分別是錘擊法、靜壓法和振動法。在樁頂多次施壓，反復循環之后即可把樁壓入土體中的方法是錘擊法。在這個過程中，會有一些土體被壓入管內我們稱之為土塞。土塞會對樁周土體產生較大的影響。土塞的存在對樁的側摩阻力有著不利的影響，不僅如此，它對樁端的承載力也有著不小的影響。如果不加以處理，則會對周邊環境造成破壞，嚴重時還可能會引發工程事故。所以，清楚、透徹地了解開口管樁的土塞效應，對于研究開口管樁的擠土效應是必不可少的。

1 研究現狀

由于開口管樁的特殊性，當其沉樁時，樁端不斷施壓，樁體下沉，土體會進入管中形成土塞。土質的不同也會導致土塞對樁的影響。根據眾多研究數據表明，擠土效應與土塞效應之間有緊密聯系。

Paikowsky & Whitman 用開口管樁做了沉樁實驗。發現在一開始，樁內土體的長度和沉樁的深度基本上是一致的。然而隨著樁的下沉，管樁中土體的長度逐漸小于沉樁的深度，形成閉塞效應，如圖1 所示。

圖1 土塞形成

Lehane & Gavin 進行了一系列開口管樁室內試驗，研究土塞長度和土塞增量與沉樁深度的關系，結果可以看出，直徑相同的情況下，管樁的壁厚越大，土塞長度越小。

Marssach 模擬了開口管樁單樁的沉貫。從結果中我們可以了解到，伴隨著沉樁的進行，雖然樁體周圍的大多數土體隨樁體一同向下移動，然而也有一小部分從樁身兩側擠出，土體表面上隆起，較深的土層由于側土壓力土顆粒基本橫向運動，邊土體的變形類似球形孔擴張，除了樁尖周邊土體和樁頂土體表面外，其余部分的土體變形基本與圓孔擴張類似。

周健等用室內模型試驗模擬了在砂土中靜壓樁表現出的擠土作用。將樁周的土體位移與樁沉降程度進行了分析比對。

雷國輝等通過對開口管樁沉樁導致的樁周水平位移和土塞高度進行試驗，可以看出只有樁頂附近的孔隙水壓力變大，因此孔隙水壓力與打樁數無關，沉貫深度和土體相對密實度對管樁的擠土效應有著顯著的影響。

謝世波等根據圓孔擴張理論和彈塑性理論，對相同半徑，長度不相同的開口鋼管樁在沉降的這個過程中，測出了孔隙水壓力的改變程度，并進行分析對比。實驗結果得出，在飽和黏土中測出的孔隙水壓力最大，由于其滲透性不是很好，打樁容易破壞周圍土體，引起土體強度降低。圓孔擴張理論示意圖如圖2 所示。

圖2 圓孔擴張平面

2 擠土效應表現特征

2.1 垂直方向

在沉樁時，樁周的土體會隨著樁體的沉貫一同向下移動，隨之會向外擴散擠壓周邊土體，使周邊土體向上隆起，對樁的穩定性會有一定程度的影響。為了防止可能產生的各種危險情況以及盡可能減少工程事故的發生，我們有必要采取相關的措施控制樁的位移。

2.2 水平方向

在沉樁時，樁對周圍土體的擠壓不僅僅是體現在垂直方向，在一定的范圍內還會對土體有水平作用力。然而較多的土體水平位移會對先前打入的樁以及樁周的建筑物產生較大的影響，從而發生樁體破壞。

2.3 超孔隙水壓力

在沉樁時會產生超孔隙水壓力，這點在飽和黏土中變現得尤為明顯。一般情況下，超孔隙水壓力的最大值出現在樁周。超靜孔隙水壓力也會隨著樁打入土體不斷增加，當達到一定程度時，有效應力會發生變化。

3 實際工程案例

3.1 工程概況

本文的工程案例是某市一個建筑樁基設計等級為乙級的地下停車場。現地面整平標高為+0.70m（對應的相對標高為+0.65m），樁基礎用采用的管樁型號為PHA-500AB（110）-15。除了部分電梯井的局部標高為-10.40m，一般的樁頂標高為-9.40m。

3.2 工程場地條件

經勘察顯示，各土層特性為如下：

第①層為雜填土：該土層上面地坪部分大約為10cm 厚度，以粉砂為主，大多為灰青色，土質密度松散-稍密，均勻性較差，夾有磚塊、碎石等建筑垃圾和植物根莖。

第②層為粉砂夾粉土：該層土的顏色主要為青灰色，Sr=1，土質密度為中密，主要包括長石、石英及少量云母片，粒度級配不好，顆粒形狀為亞圓形。

第③1層為粉砂：該層土的顏色為青灰色，Sr=1，土質密度中密-密實，石英、長石及少量云母大量分布在土質當中。粒度級配不好，黏粒的含量不多。

第③2層為粉砂夾粉土：該層土中粉砂土的顏色表現為青灰色，土質密度大多為中密，一小部分部較為密實，Sr=1，石英、長石及少量云母大量分布在土質當中。粒度級配不好，黏粒的含量不多；該層土中粉土的顏色表現為灰色，土質密度中密-密實，濕，無光澤放映，干強度低，黏粒含量較低，該層本次勘察未鉆穿。

3.3 施工概況

本工程采用型號為PHA500AB110-15 的管樁，施工下來對樁的需求一共是567 根，總長度約為8505m 長，極限抗壓承載力為4300kN。在施工某一塊區域的樁時，在有效樁長為4m 時，樁的應力值為4300kN。然而在樁的應力值達到了4700kN 時，在管樁的上部發生了爆樁，此刻的有效樁長為6.8m。隨后次日，在另一塊區域，管樁在壓力值為4700kN 時便出現了爆樁，此刻的有效樁長約為2m。在施工過程中經常出現此類現象，即當壓力值超過管樁極限抗壓承載力時發生爆樁的現象。對此分析得出最主要的原因是地基土質過硬，擠土現象明顯，以至于爆樁情況的產生。

3.4 解決方法

面對此類情況，我們即為了保證施工的順利進行又為了確保采取的措施對施工場地周圍的建筑物沒有較大的影響，從樁的尺寸排布、施工場地條件等方面出發，最終采取“引孔”的方法間隔跳打，且不對場地四周構成封閉。東、南、西側全部設置應力孔壓釋放孔，減少施工過程對東側、西側以及南側已建建筑物的不利影響。應力孔壓釋放孔應在工程樁施工前進行施工。工程樁施工順序應該是由西側向東側進行，由南側向北側進行，工程樁和應力孔壓釋放孔均采用間隔跳打的方法進行施工。

4 結語

（1）本文結合揚州某工程實例，對比分析了直接打樁和先引孔后打樁這兩種情況下擠土效應的影響。可以得出體積越小的開口管樁，沉樁消耗的時間也越短，擠土效應帶來的影響也會越低。當土質較硬的時候，對于預制管樁的施工會出現由于土塞效應過大而導致的爆樁現象。一般在這種情況下，我們通常會采取提前引孔的方法來減輕擠土效應。

（2）管樁施工時由于其擠土效應會對周圍道路和建筑物產生或多或少的影響，可以采取間隔跳打以及應力釋放孔的方法。