預制沉樁穿透濱海粉砂地層施工措施

史懷月，杜梓鵬，張寧

（1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海 200032；2.上海基礎設施建設發展（集團）有限公司，上海 200032；3.浙江天平投資咨詢有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

管樁沉樁過程中高強度的振動將不可避免地擾動附近土體，引起土體擠壓側移和地下水位變化，將發生土體應力重分布，如果地層含水率高，在沉樁深度方向就會存在壓力差的特點進而形成超孔隙水壓力，這就導致管樁在沉樁作業剪切穿透地層時，在水壓作用下牢牢包裹樁身，即發生工程常稱的“剪脹”現象，阻礙孔隙水沿樁身上升，影響孔隙水壓力釋放，形成巨大的超孔隙水壓力[1]。剪脹產生后會在樁尖下方形成浮力層，樁尖越深浮力越大，達到錘擊動能極限時表現為地面的管樁錘擊后彈起。如果反復擊打次數過多，管樁容易發生碎裂。所以，針對管樁沉樁過程中超孔隙水壓力具有很大研究意義。

國內外學者也針對不同地質條件對PHC 預制管樁施工進行了研究，為實際工程施工提供了大量的技術指導。其中，BANG[2]通過預應力混凝土管樁承載力和彎剪試驗對不同地質條件下的管樁進行研究，結果表明土體承載力顯著提高。宋杰[3]將PHC 混凝土管樁結合鋼樁靴的應用擴展了沉樁的應用范圍。陳春雷[4]、趙升峰[5]等結合國內某砂質地層具體工程，進行了單樁豎向承載力靜載試驗，得出了砂性土沉樁承載力計算公式，并對沉樁過程中出現斷樁的現象進行針對性推斷，推出來樁尖阻比范圍，為施工提供了技術參考。國內很多學者[6-8]針對不同地質條件下沉樁技術的施工展開了試驗研究，彌補了國內復雜地質沉管技術施工的空白，也針對性地解決了施工過程中一些施工難點。迄今為止，國內很多研究人員[9-10]針對不同地質條件、施工工藝等對PHC 混凝土管樁的承載力、強度、剛度進行了試驗研究，為以后的工程施工提供了很大的參考價值，也為以后研究者們提供了研究方向。

本文依托余姚市大面積廠房軟基管樁沉管施工工程，解決管樁在沉樁作業剪切穿透地層時，形成巨大超孔隙水壓力的問題，為以后工程施工提供參考。

2 工程概況

本工程位于余姚市小曹娥鎮濱海工業區，為微電子集成電路IC 封裝測試項目新建廠房。項目總用地面積92 428.4 m2，總建筑面積359 928.62 m2，地下總建筑面積14 983.14 m2。擬建物為框架結構，擬采用樁基礎，單柱最大荷載預估為5 000 kN，基礎埋深約1.0 m。地基變形允許值為0.002 L（L 為相鄰柱基的中心距，單位為m）。目前，正在施工的3 號、4 號、8號單體的直徑600 mm 的PHC 管樁設計樁長46～50 m。樁基數量將近3 000 根。典型地層斷面物理參數如表1 所示。

表1 土層物理力學性質指標表

PHC 管樁沉樁施工基本以錘擊法為主，打樁順序按照對稱、分塊、中間向四周的原則采取S 形路線打樁。為減少打樁擠土對周邊環境造成影響，沿單體建筑四周布置了防擠溝、應力釋放孔，同時在3 號廠房四周布置土體位移監測點、地下水壓力監測點。具體檢測點布置位置如圖1 所示。

圖1 監測點布置

經過統計，截至5 月29 日，在3 號、4 號、8 號單體已完成沉樁的2021 根樁基中，共有38 根PHC 管樁發生打樁過程樁頭破碎或打不下去的情況，占比1.88%。

3 監測數據

3 號廠房樁基施工期間的監測委托第三方監測公司實施，每日提供一份監測報告，5 月28 日的監測報告如表2 和表3所示。

表2 周邊地表豎向位移原始值記錄表

表3 孔隙水壓力原始值記錄表

4 問題分析

4.1 施工方法、施工機械分析

1）本工程樁基施工前，項目部會同勘察、設計、監理、全過程、項管等單位組織實施了設計試樁、工程試樁，根據試樁得到數據制訂了樁基施工專項方案，并通過公司審批和監理審批，對樁基作業班組進行了安全技術交底。

2）考慮到3-1b“鐵板砂層”難以穿透的特點，余姚濱海地區打樁遵循重錘輕擊的原則，選用重型樁錘，克服3-1b“鐵板砂層”。從破碎樁基進入的地層數據看，大部分并未發生在3-1b“鐵板砂層”，這說明了該方法的有效性。

4.2 樁材分析

1）本工程目前所用管樁由第三方供應商提供，3 家單位都具有合法經營資格，能夠提供產品合格證。管樁規格符合圖紙要求。

2）4 號廠房深基坑采用的其中一家制造商管樁發生較多打樁破碎問題后，公司工程部對其進行了混凝土現場回彈檢測、鋼筋直徑檢測，均未發現超出規范要求。

3）針對4 號廠房深基坑部位有較多管樁打碎的情況，于5月29 日在該區域打了其他兩家的2 根管樁，結果都發生破碎。因此，排除管樁質量不好引起破碎的可能性，應為地質原因。該區域破碎管樁共23 根，占全部的60%。

4）目前，發生破碎的管樁的分布情況：從平面上看大部分集中于幾塊區域，從地層角度觀察大部分位于樁尖進入3-2層，分析的重點應放在地質方面。

4.3 地質分析

該地層平均含水率高，且標準差大，最大值高達52.8%。觀察本工程5 月21 日—5 月25 日，位于3-2 層的20 m 和26 m深度水壓監測數據如表4 和表5 所示。

表4 20 m深度水壓kPa

表5 26 m深度水壓kPa

可以觀測到SYL4 號監測點的水頭壓力差在20～26 m，最高達194 kPa，而且26 m 深度的水壓在5 d 內從290 kPa 增加到326 kPa，增幅達12.4%，這與3 號廠房該時間段沉樁施工不斷逼近SYL4 號監測點的趨勢一致。而3 號廠房內部的3-2 層孔隙水壓力無法釋放，會遠超監測數據。

由于3-2 層具有含水率高、超孔隙水壓力隨著沉樁施工快速增長、深度方向存在壓力差的特點，管樁在沉樁作業剪切穿透“鐵板砂層”時，“鐵板砂層”底層的砂土和3-2 黏土在水壓作用下牢牢包裹樁身，阻礙孔隙水沿樁身上升，影響孔隙水壓力釋放。巨大超孔隙水壓力，在樁尖下方形成浮力層，樁尖越深浮力越大，達到錘擊動能極限時表現為地面的管樁錘擊后彈起。如果反復擊打次數過多，管樁容易發生碎裂。

由于本工程廠房樓面設計荷載很大，管樁穿越的土層中有多層軟弱層，側阻力較小，樁長受到4-3 砂質粉土層的限制。因此，本工程樁基布置十分密集，進一步加劇了3-2 層超孔隙水壓力的增長。根據2017 甬SS-01《寧波市建筑樁基設計與施工技術細則》（見表6），本工程最小樁間距應為4d（d 為樁身設計直徑），即2.4 m。而部分群樁承臺、深基坑基礎的樁間距已達極限具體如圖2 和圖3 所示。

圖2 深基坑基礎樁布置

圖3 樁承臺樁基布置

表6 樁的最小中心距

在短時間內大量密集沉樁、3-2 層超孔隙水壓力迅速增長的前提下，水壓的自然消散需要較長時間。2-2 粉質黏土、3-1a黏質粉土、3-2 淤泥質粉質黏土的滲透系數都比較小，透水性很差。

4.4 分析總結

通過以上分析，沉樁施工目前遇到困難的根本原因是3-2淤泥質粉質黏土層因大量管樁短時間內密集刺入產生的超孔隙水壓力無法有效釋放，增加了沉樁阻力。沉樁質量關系到結構安全，應做到“對癥下藥”，從根本上解決這一問題。

5 應對措施

為保證沉樁順利進行，要對3-2 超孔隙水壓力過大的問題“治本”。因此，制定如下技術路線。

1）優化應力釋放措施，應力釋放孔穿透“鐵板砂層”，進入3-2 地層釋放超孔隙水壓力。

2）長螺旋引孔施工，采用挖機配合土方運輸車，在承臺位置填筑1 m 厚塘渣并壓實，并1∶2 放坡，以保證樁機安全。根據該工程的地質情況選用2 臺長螺旋鉆機，根據規范預鉆孔孔徑可比樁徑小50～100 mm，本工程需引孔樁的樁徑為600 mm，故引孔機配φ500 mm 的鉆桿。

本工程樁有效樁長為46～50 m，根據現場地質及試樁情況，預鉆孔深度取20 m，鉆孔前對樁位拉十字線做保護樁，鉆孔結束之后，將土回填到所引孔內，挖機平整，進行二次定位，再在原先鉆好的孔位置進行沉樁施工，將收集到的監測數據與之前進行對比，如表7 和表8 所示。

表7 改造前后周邊地表豎向位移對比表

通過表7、表8 數據對比可知，長螺旋引孔可明顯減小樁基施工過程中引起的周邊位移并釋放大量地下土應力。因此，此方法可行。

6 結論

針對上覆砂層下部為含水量較高的淤泥質粉質黏土地層采用預鉆孔沉樁法通過數據對比發現：明顯改善擠土效應，地基明顯改善，地基土位移可減小30%～50%，超孔隙水壓力值可減小40%～50%，并可減少對已沉入樁的擠推和上浮，通過長螺旋鉆機引孔也有利于減少樁機噪聲對周圍環境的影響。