考慮擠土效應(yīng)對(duì)管樁打入荷載影響的工程應(yīng)用分析

余欣榮 （東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 東莞 523000）

1 引言

管樁作為一種常見的地基基礎(chǔ)形式，被廣泛應(yīng)用于鐵路、工業(yè)與民用建筑、市政和公路路基處理等領(lǐng)域[1-4]，其施工方式主要包含打入式、壓入式、旋入式和振沉式[5]。在管樁施工過程中，由于管樁直徑較大，會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生一定的擠壓作用，產(chǎn)生擠土效應(yīng)[6-7]。由于土體擠密導(dǎo)致樁周土體更加密實(shí)，在后續(xù)施工過程中土層受打入管樁的影響，極限摩阻力增大，打樁所需的最大壓力也需要同步增大。因此分析管樁打入過程中擠土效應(yīng)對(duì)后續(xù)樁基打入最大壓力的影響，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約工程投入，控制最大壓力的目的。

劉裕華等[8]應(yīng)用圓孔柱形擴(kuò)張理論對(duì)預(yù)制管樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了分析，提出了管樁塑性區(qū)半徑、土體位移等解析表達(dá)式；李國(guó)維等[9]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段，對(duì)管樁施工導(dǎo)致的孔隙水壓力和水平方向位移的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了場(chǎng)地條件對(duì)擠土效應(yīng)的影響；雷國(guó)輝等[10]開展了管樁群樁錘擊施工效應(yīng)和土塞效應(yīng)與深度變化相關(guān)的研究，分析了群樁和單樁施工時(shí)土體孔壓的變化規(guī)律；夏晉華等[11]通過在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中設(shè)置的對(duì)比工況，為路基設(shè)計(jì)中豎向排水體的布設(shè)間距及管樁的施工順序提供了合理建議；江強(qiáng)等[12]研究了排水樁與不排水樁在施工過程中因擠土效應(yīng)導(dǎo)致的側(cè)向水平位移變化規(guī)律，研究表明排水樁能夠在一定程度上減小因擠土效應(yīng)導(dǎo)致的水平向位移。上述研究多集中于擠土效應(yīng)對(duì)管樁承載特性的研究，對(duì)管樁靜壓施工時(shí)所需最大壓力的分析較少，缺少相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析。

因此，本文以某河流域綜合整治項(xiàng)目中的護(hù)岸工程為例，研究打設(shè)管樁過程中所需最大壓力的變化趨勢(shì)。通過對(duì)打樁過程中施工設(shè)備壓力的監(jiān)測(cè)，獲得管樁打入后的擠土效應(yīng)對(duì)管樁承載機(jī)理的影響，通過曲線擬合，建立管樁最大打入壓力的模型，為管樁打入過程中壓樁力的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況

本項(xiàng)目位于廣東省東莞市，所處地形為典型珠江三角洲河口區(qū)沖積平原地形，地勢(shì)較開闊平坦，局部錯(cuò)落有微丘崗地。場(chǎng)地內(nèi)地表水系發(fā)育，分布有眾多河涌、塘、坑等，主要地理位置見圖1。土層分布，上覆第四紀(jì)堆積物多為河相，沉積厚度隨基底起伏而變化。試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)主要分布有第三系（N）及第四系（Q）松散堆積地層，第三系（N）區(qū)主要巖性為砂巖，多為泥質(zhì)膠結(jié)，巖石質(zhì)地較軟，屬軟質(zhì)巖。地表未見基巖露頭，由鉆孔揭露表明，砂巖均被第四系松散地層掩蓋。第四系（Q）場(chǎng)地范圍內(nèi)分布廣泛，巖性以淤泥、砂層、粉質(zhì)黏土為主。鉆孔取芯試樣見圖2，土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土層參數(shù)

圖1 項(xiàng)目位置

圖2 鉆孔取芯部分試樣

表2 為管樁在各巖土層的樁基承載特性指標(biāo)匯總表。據(jù)表1 和表2 的室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)鉆探試驗(yàn)揭露，該試驗(yàn)場(chǎng)地?zé)o不良地質(zhì)現(xiàn)象，擬建場(chǎng)地位于抗震設(shè)防7 度區(qū)，場(chǎng)地內(nèi)無活動(dòng)性斷裂通過，屬構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定地塊，綜合評(píng)價(jià)場(chǎng)地整體穩(wěn)定性較好。圖3 為通過室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得的砂層顆粒級(jí)配曲線。

表2 管樁在各巖土層的承載特性（單位：kPa）

圖3 砂層顆粒級(jí)配曲線

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案介紹

本場(chǎng)地?cái)M建駁岸段堤基工程地質(zhì)條件總體較差，屬C-D 類堤基，自然岸坡不穩(wěn)定，洪水期填土、第四系沖積層受沖刷影響，岸坡穩(wěn)定性差。根據(jù)鉆探揭露情況，堤防的淺部地基土主要為素填土，第四系沖積層淤泥、粉質(zhì)黏土和松散淤泥質(zhì)粉砂、粉細(xì)砂的承載力低，不宜作為堤防的地基持力層。考慮上述地基土層累計(jì)厚度較大，需置入沖刷深度之下，采用管樁進(jìn)行處理。以處理后的復(fù)合地基作為堤防持力層，臨水兩側(cè)配合松木樁或漿砌石進(jìn)行處理。

基于地勘報(bào)告結(jié)論，本項(xiàng)目采用管樁進(jìn)行護(hù)岸工程的加固，所用管樁樁帽直徑為800mm，厚度為600mm，樁身外徑為500mm，內(nèi)徑為340mm，樁長(zhǎng)為15m，樁中心距為1.5m。圖4 和圖5分別為管樁的平面布置圖和管樁細(xì)部尺寸圖。

圖4 管樁平面布置圖

圖5 管樁細(xì)部尺寸

管樁沿河岸進(jìn)行布設(shè)，采用船載柴油打樁機(jī)進(jìn)行施工，打樁機(jī)型號(hào)為YZ-320，最大壓樁力3200kN，一次壓樁最大行程為1.8m，壓樁速度為1.56～4.60m/min，船身尺寸（長(zhǎng)×寬×高+質(zhì)量）為9.5 m×1.6 m×0.89 m+10.1 t。本項(xiàng)目中打設(shè)管樁段總長(zhǎng)252 m，共打設(shè)樁基168根。

3.2 施工流程簡(jiǎn)述

設(shè)計(jì)方案確定后，清理場(chǎng)地開始管樁施工作業(yè)，管樁的主要施工流程如下。

①測(cè)量放線。現(xiàn)場(chǎng)施工人員按照設(shè)計(jì)人員給定的圖紙，在施工場(chǎng)地內(nèi)使用木樁或白灰進(jìn)行點(diǎn)位標(biāo)記，確定打樁點(diǎn)。

②樁機(jī)就位。打樁機(jī)械就位，在施工場(chǎng)地的預(yù)定點(diǎn)位進(jìn)行樁基施工。在施工過程中需確保打樁機(jī)不產(chǎn)生傾斜、移動(dòng)，準(zhǔn)備工作完成后，將待施工管樁吊入壓樁機(jī)內(nèi)，樁端與定位點(diǎn)對(duì)齊。

③焊接樁尖。將使用的十字樁尖置于定位后的樁端處，與第一節(jié)管樁的底板進(jìn)行對(duì)中焊接，焊接完成后采用防腐瀝青進(jìn)行涂刷，防止樁尖因復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境銹蝕，影響施工質(zhì)量。

④垂直度檢測(cè)。調(diào)整打樁機(jī)械的支腿，使打樁機(jī)的工作面處于水平狀態(tài)。樁基入土深度達(dá)到500mm 時(shí)，在互相垂直的方向上架設(shè)兩臺(tái)經(jīng)緯儀對(duì)樁基的垂直度進(jìn)行檢測(cè)，確保誤差小于0.5%。

⑤壓樁。樁基自身的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，在兩臺(tái)相互垂直的經(jīng)緯儀檢測(cè)垂直度滿足要求后，即可進(jìn)行壓樁作業(yè)。壓樁時(shí)應(yīng)注意，當(dāng)樁身出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫、傾斜、突然偏移或貫入度劇變時(shí)應(yīng)停止施工，并對(duì)樁基進(jìn)行處理；壓樁時(shí)，還需關(guān)注樁基的入土速度，在砂土層速度適當(dāng)增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)持力層或油壓突然增大時(shí)，注意減緩入土速度。

⑥接樁。當(dāng)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)大于單節(jié)管樁的長(zhǎng)度后，需要進(jìn)行接樁作業(yè)，采用電焊工藝施工，焊接時(shí)由兩人對(duì)稱作業(yè)，保證焊縫飽滿、連續(xù)，焊接完成經(jīng)專業(yè)人員驗(yàn)收通過后方可繼續(xù)施工。

⑦送樁。壓樁至距離水平地面500mm 時(shí)，使用壓樁機(jī)械將樁基施工至預(yù)定標(biāo)高，并適當(dāng)提高壓樁力。送樁前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求控制送樁深度，并在壓樁機(jī)械上做醒目標(biāo)記。

⑧終樁。工程施工時(shí)采用壓樁力和樁長(zhǎng)的雙控模式。以樁基進(jìn)入持力層時(shí)的樁長(zhǎng)控制為主，以壓力值變化控制為輔。

4 打入荷載分析

管樁施工時(shí)，共包含三條施工段，均采用由一側(cè)向單一方向打設(shè)的施工方法進(jìn)行作業(yè)，因此獲得三條不同的最大壓樁力變化曲線，為簡(jiǎn)化分析，本文認(rèn)為同一施工線上的土層物理力學(xué)性質(zhì)相同。因現(xiàn)場(chǎng)工況較為復(fù)雜，未能獲得全部管樁數(shù)據(jù)，本文共獲得49 根樁的有效最大壓樁力，相關(guān)數(shù)據(jù)見圖6。

由圖6 可知，不同土層條件下進(jìn)行管樁打入時(shí)，所需的最大壓樁力存在明顯差別，且第一根樁打入完成后，后續(xù)所需的最大壓樁力明顯提高，表明管樁的打入產(chǎn)生了擠土效應(yīng)導(dǎo)致土層性質(zhì)變化，所需壓樁力提高。當(dāng)管樁施工向單一方向進(jìn)行時(shí)，最大壓樁力會(huì)隨著施工樁基數(shù)量的增加而增大，當(dāng)施工管樁達(dá)到某一數(shù)量時(shí)，所需最大壓樁力為恒定值，不再隨施工數(shù)量的增加而增大。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)管樁所需最大壓樁力的預(yù)測(cè)，本文利用圖6 擬合得到雙曲線模型，見圖7。

圖7 擬合曲線與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖7 可知，最大壓樁力與第一根樁的中心距之間的關(guān)系可以用雙曲線模型表示，模型的表達(dá)式為：

式中：Q為最大壓樁力；s為打入樁與第一根樁的中心距；A、B為系數(shù)，與施工現(xiàn)場(chǎng)的土層性質(zhì)和樁身尺寸、樁間距等參數(shù)密切相關(guān)。

由圖7 可知，當(dāng)與第一根樁的中心距大于10m 時(shí)，后續(xù)打樁所需的最大壓樁力基本為定值，這表明隨著管樁的施工，第一根樁的擠土效應(yīng)不對(duì)正在施工的管樁產(chǎn)生影響，管樁的擠土效應(yīng)影響范圍是有限的，約為20D（D為樁身直徑）。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得第一根樁的最大壓樁力后，通過帶入雙曲線模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，即可在考慮管樁擠土效應(yīng)的基礎(chǔ)上對(duì)后續(xù)打樁所需的最大壓樁力進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

5 結(jié)論

沿單一方向進(jìn)行打入管樁作業(yè)時(shí)，擠土效應(yīng)的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致后續(xù)管樁施工所需的最大壓樁力增大，每根管樁產(chǎn)生擠土效應(yīng)的最大影響范圍約為20D；最大壓樁力與第一根樁中心距之間的關(guān)系可近似用雙曲線模型描述，雙曲線模型的系數(shù)A、B與施工現(xiàn)場(chǎng)的土層性質(zhì)和樁身尺寸、樁間距等參數(shù)密切相關(guān)。