基于預(yù)應(yīng)力管樁施工條件下復(fù)合地層擾動影響研究

錢立義，章文智，祝湛毅，陳志芳

(浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310016)

軟土廣泛分布于我國沿海地區(qū)，其成因多屬于海相沉積所成，因而其通常具有含水量高、壓縮性大、靈敏度高的特點，工程性質(zhì)極差，工程上幾乎不能直接將其用做地基的持力層。同時，沿海地區(qū)屬于經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域，對于高層建筑以及交通、水利等構(gòu)筑物具有較高的需求量，使得樁基礎(chǔ)在軟土地區(qū)使用量大幅增加。然而，由于軟土具有的敏感性，樁基礎(chǔ)施工擾動后其強度有明顯的強度降低，對周圍的樁體以及建筑物的安全穩(wěn)定性造成不利的影響。因此，進一步研究樁基礎(chǔ)施工對軟土靈敏度的影響，樁基礎(chǔ)施工的時機選擇、成樁質(zhì)量以及場地穩(wěn)定性具有重要指導(dǎo)意義。

學(xué)者對軟土地區(qū)樁基礎(chǔ)施工的影響做了較多研究，對于軟土樁基施工的研究主要集中在如何有效地降低樁基施工對土體結(jié)構(gòu)的擾動上。其中，何俊雄等[1]、周紅波等[2]集中對樁基在軟土地區(qū)施工后土體長期強度的研究，獲取了樁基長期強度-時間的變化規(guī)律。黃朝煊等[3-5]對成層性軟土體在成樁后其固結(jié)強度規(guī)律開展研究，初步建立擾動土成層土固結(jié)強度變化規(guī)律。高麟等[6]分析影響施工中對軟土穩(wěn)定性的影響因素，并在施工中采取綜合措施處理了軟土穩(wěn)定性差，可控度低的特點。焦慶旺等[7-9]通過研究了軟土體的擾動問題，采用了土體靈敏度的參量進行分析。王西青[10]研究了高強混凝土管樁在軟土水閘壩基的變形特性。黃旭東等[11]采用PFC數(shù)值模擬的方法研究了軟土中管樁施作過程擠土及土塞效應(yīng)。綜上所述，研究者通過大量實踐及研究，取得了豐富的成果，但是對于成樁擾動后軟土抗剪強度這一重要因素影響研究不夠完善。

本文通過在預(yù)應(yīng)力管樁施工現(xiàn)場開展成樁前后軟土體抗剪強度試驗，獲取不同深度軟土體成樁前后的抗剪強度變化特征及規(guī)律，并引入抗剪靈敏度值，用以評價軟土體的擾動響應(yīng)等級。為了表征軟土受擾動前后其強度的衰減及恢復(fù)程度，引入抗剪靈敏度(Ss)作為評價指標，可定義為：擾動后土體擾動抗剪強度與擾動前土體擾動抗剪強度的比值。

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1 預(yù)應(yīng)力管樁施工工程概況

1.1 工程項目基本概況

該項目位于浙江海鹽錢塘江北岸，屬于海相沉積地層，擬建工程項目為大型旅游度假區(qū)觀光小鎮(zhèn)，其中，本次測試預(yù)應(yīng)力管樁試驗地塊即為該項目的B02地塊。

所有建構(gòu)筑物均采用樁基礎(chǔ)形式，采用錘擊預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制樁的形式進行施工。根據(jù)試驗設(shè)計，B02地塊工程區(qū)域內(nèi)在樁基礎(chǔ)施工前后開展不同深度的土體十字剪切板試驗。

1.2 工程項目工程地質(zhì)概況

場地屬于河口沖積海積平原，主要地層包含所全新世(Q4)、晚更新世(Q3)近代海沉積層、海陸交互相沉積層，項目所在區(qū)域第四系松散沉積層厚度大于80m，其地基土層見表1。該場區(qū)分布有深厚軟土層，在沉樁過程中會對周圍的土體產(chǎn)生推擠，特別是在淤泥質(zhì)粘土區(qū)沉樁會在土體內(nèi)產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，對場址的地基土產(chǎn)生了一定的擾動破壞影響。本次測試主要針對軟土及上部填土進行。

表1 工程場區(qū)地層巖性表

區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造屬于揚子準地臺錢江臺裙帶，本區(qū)屬地震相對穩(wěn)定區(qū)。且新構(gòu)造運動不明顯，構(gòu)造活動十分微弱，其區(qū)域穩(wěn)定性質(zhì)較好，地震基本烈度6度。

2 土體成樁前后抗剪強度試驗

2.1 試驗原理及試驗設(shè)計

場地抗剪強度試驗主要對成樁前、成樁后兩個時段開展，并根據(jù)規(guī)范[12]要求在試驗前，在每個十字板試驗孔位置先進行靜力觸探試驗，以確定土層變化后，再選擇軟粘土進行試驗，共布置24個靜力觸探孔，孔深20m。本次試驗選取具有代表性的6個測試孔進行分析研究。

測孔編號依次為：S01，S02，……，S06。24個十字板試驗孔，試驗深度20m；10m以上試驗點間距為0.5m，10m以下試驗點間距為1.0m。

2.2 試驗實施

十字板剪切試驗的試驗豎向間距為0.5～1.0m，十字板板頭形狀為矩形，板寬50mm，板高100mm，寬高比1∶2，板厚2mm；試驗前，十字板探頭應(yīng)連同量測儀器、電纜進行率定；十字板探頭壓入前，宜將探頭的電纜線一次穿入需用的全部探桿；現(xiàn)場量測儀器應(yīng)與率定探頭時的量測儀器相同。貫入前，應(yīng)連接量測儀器對探頭進行試力，檢查探頭是否能正常工作；十字板插入至試驗深度后，至少靜止2～3min，方可進行試驗；扭轉(zhuǎn)剪切速率采用(1°～2°)/10s，并在測得峰值強度后繼續(xù)測記1min獲取穩(wěn)定值測試值強度。

3 復(fù)合地層成樁前后抗剪強度測試結(jié)果及討論

3.1 抗剪強度試驗結(jié)果及討論

根據(jù)現(xiàn)場24個測試孔的測試數(shù)據(jù)，進過整理分析，排除3個因施工原因?qū)е碌臏y點損壞數(shù)據(jù)，從21個可靠數(shù)據(jù)中選取6個具有典型代表性意義的測試孔(S01，S02，……，S06)數(shù)據(jù)進行分析。

測試結(jié)果大體可以分為2種變化類型，主要體現(xiàn)在復(fù)合土體對于預(yù)應(yīng)力混凝土樁成樁后個成層土所表現(xiàn)出的抗剪強度隨深度變化的差異上。其中第1種類型取(S01，S02，S04)測試孔數(shù)據(jù)得到分布如圖1—3所示。第2種則取(S03，S05，S06)測試孔數(shù)據(jù)并整理如圖4—6所示。

圖1 S01測試孔土體成樁前后抗剪強度-深度變化圖

圖2 S02測試孔土體成樁前后抗剪強度-深度變化圖

圖3 S04測試孔土體成樁前后抗剪強度-深度變化圖

圖4 S03測試孔土體成樁前后抗剪強度-深度變化圖

其中，第1類體現(xiàn)在測試孔S01、S02、S04所獲得的測試結(jié)果與第2種S03，S05，S06測試孔的最大區(qū)別在于填土層的抗剪強度變化，S01、S02、S04在0～3.9m范圍內(nèi)的填土層，其擾動后的抗剪強度明顯增加，原狀土強度增加，擾動土與原狀土強度呈對稱衰減，并在沖填土層附近，擾動前后土體抗剪強度值趨近；S03，S05，S06則其在填土層內(nèi)擾動前后差異較小。而其余地層的總體變化規(guī)律相近：在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層10～13m范圍內(nèi)，土體擾動前后抗剪強度均取得最小值。隨著深度的增加，在約17m的深度內(nèi)，擾動前后土體抗剪強度隨深度增加而緩速增加，大于17m深度且在20m測試孔范圍內(nèi)，擾動前后土體抗剪強度出現(xiàn)陡增。

圖5 S05測試孔土體成樁前后抗剪強度-深度變化圖

圖6 S06測試孔土體成樁前后抗剪強度-深度變化圖

在淺層0～3.9m內(nèi)的填土層，由于填土成分粒徑不均勻，巨粒、粗粒、細粒土含量差異較大，樁體施工震動擾動后，該層土體的顆粒重新組合，使得原先較為松散的雜填土層形成較為穩(wěn)定的鑲嵌結(jié)構(gòu)，密實度有所改善。導(dǎo)致擾動土抗剪強度在S01、S02、S04處增加；而S03、S05、S06增幅較小則是受到雜填土成分含量的影響，主要是含粗粒土較多，擾動影響不大。

淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層上覆充填土，下層有薄層粉土夾層，相對于該層，其上下兩層排水性能較好，使得該淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的頂?shù)酌娓浇目紫端畨毫ο鄬χ虚g層有所減低，也就造成了該土層中間位置(10～13m)處抗剪強度取得最小值。由于最下層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾薄層粉土層有一定的排水通道，埋置深度較大，側(cè)限壓力較大，其抗剪強度相對較高。但該層受樁基施工沖擊擾動較為明顯。

3.2 抗剪強度靈敏度分析

為了更好反映軟土的受樁基施工擾動的影響程度，根據(jù)軟土體抗剪強度靈敏度的定義。將6組測試數(shù)據(jù)整理分析如圖7所示。

圖7 S01～S06測點土抗剪強度靈敏度分布特征圖

由圖7可知，6個測試點的抗剪強度靈敏度值在0～3.9m的填土層范圍內(nèi)，土體抗剪靈敏度普遍較大，最大值達到4.1。3.9～8m及13～18m范圍內(nèi)的沖填土層靈敏度值次之，波動相對緩和。而9～13m及19～20m范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的最接近于與閾值1。

雜填土抗剪靈敏度最大，表征了該土層受到成樁震動對該類不均勻土的密實度造成較大的影響，其影響是使得土體強度增強。沖填土由于是受早期河流沉積作用的影響，顆粒分布有成層性、分選性較好，其受振沖影響相對較小，靈敏度波動較小。9～13m淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土抗剪靈敏度最小，近似在閾值1附近波動，表現(xiàn)了該層土體受擾動后，強度雖然有所減低，但是其衰減幅度不大。主要是受到該厚度土層排水及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土保水特性的雙層影響。19～20m范圍內(nèi)的夾薄層粉土的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層存在一定的排水條件及埋深較大使得側(cè)限壓力升高，使得該層土體受到擾動后，其土體結(jié)構(gòu)能夠保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，其強度受到擾動也相對有限。

4 結(jié)論

本文對成層土成樁前后開展抗剪強度測試分析，引入抗剪靈敏度的評價參量，取得軟土成樁抗剪強度分布規(guī)律及成果并指導(dǎo)施工。

(1)成層土受擾動后，雜填土受擾動后強度增幅較大，抗剪靈敏度達最大值4.1。沖填土受擾動影響次之，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中間段靈敏度Ss最小，接近閾值1；下層埋置段Ss隨后波動增長。抗剪靈敏度評價指標與土體擾動后抗剪強度的衰減或增加在土層深度上契合度較好。

(2)研究成果可指導(dǎo)不同土層條件選擇不同的施工方案：雜填土及沖填土應(yīng)以靜壓為主，減小震動，避免抗剪強度增加；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土上層則采用振沖為主，強度降低，可快速成樁；其下層土則選用施工擾動較小的方案。