挤土桩施工过程中的挤土效应及其机理分析

丁金海，李继涛

(1．江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007;2．江苏华东建设基础工程有限公司，江苏南京210004)

挤土桩施工过程中的挤土效应及其机理分析

丁金海1，2，李继涛1

(1．江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007;2．江苏华东建设基础工程有限公司，江苏南京210004)

当软弱地基无法满足承载力要求时，需要对地基基础进行加固补强处理，挤土桩是一种较好的地基加固方法，但挤土桩在施工过程中会产生挤土效应，对环境造成一定的影响，文章旨在对挤土效应的影响、内在机理及防治措施做一些分析探讨并介绍了工程施工实例。

挤土效应;孔隙水压;一维固结

0 引言

我国幅员辽阔，正处在大规模建设和发展阶段，工程建设中会遇到各类地基土，特别是在中、东部沿海和沿江地区，存在大面积深厚软弱地基土，由于该类地基土性质软弱，大多无法满足设计承载力的要求，对工程建设不利，需要进行地基加固处理，挤土桩是其中一种应用较广的地基加固方法(《地基处理手册》编写委员会，2000)，该方法一方面可以改善地基土性能，另一方面起到补强作用，提高地基的承载力，达到设计的要求。目前，这种方法在国内经济较发达的沿海地区被普遍推广应用，如静压PHC管桩等(杨生彬等，2006)。但挤土桩在施工中会带来负面的挤土效应(阳军生等，1999;姜鹏明等，2000)，造成桩顶上浮、桩身位移，使周围建筑产生不均匀沉降，破坏管线等危害。分析挤土效应的机理有助于理解挤土效应的本质原因，为挤土桩的设计施工及采取防止措施提供理论依据。

1 挤土桩的挤土效应

1．1 挤土效应

挤土桩在沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动，改变了土体的应力状态而产生挤土效应。挤土效应一般表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，挤土效应会引起周围路面和建筑物的破坏，使周围开挖基坑坍塌或位移增大，对已经施工的桩的影响表现为桩身倾斜及浅桩(≤20m)上浮。如果压桩施工方法与施工顺序不当，每天成桩数量太多以及压桩速率太快，会加剧挤土效应。

挤土类桩在沉桩过程中，由于桩自身的体积“占用”了土体原有的空间，使桩周土向四周挤压排开。当桩周土为非饱和土层，在土体受到挤压时，土体的体积会发生收缩，能有效地消散挤压应力。因此，挤土类桩在非饱和土层中的挤土效应不明显，所造成的负面影响也较小;当桩周土为饱和软土时，土体受挤压时体积不会收缩或收缩量极小，挤压应力主要通过土体位移来消减，挤土效应十分显著，因此所造成的负面影响更大。

1．2 挤土效应的影响

挤土桩的挤土效应所造成的影响主要表现在以下几个方面。

(1)沉桩时，由于桩周土层被压密并挤开，使土体产生垂直方向的隆起和水平方向的侧向位移，可能造成近邻已压入的桩上浮，桩端被“悬空”，使桩的承载力达不到设计要求;也会造成桩位偏移和桩身翘曲折断等质量事故;并可使相邻建筑物和市政设施发生不均匀变形甚至损坏。

(2)在打桩过程中，桩周土被挤密压缩，一方面，土的天然结构受到破坏，压缩性增大的同时，土的强度剧烈下降;另一方面，孔隙中的水无法迅速排出，孔隙比大大降低，饱和度上升，使得土体产生巨大的超静孔隙水压力，同时有效应力下降，导致土的抗剪强度降低。

(3)塑性指数越大的土黏性愈大，越不利于孔隙水压力消散，在沉桩过程中孔隙水压力升高，造成土体破坏，未破坏的土体也会因孔隙水压力的不断传播和消散而发生蠕变，导致土体的垂直隆起和水平方向的位移。

2 挤土效应的内在机理分析

在沉桩施工时，桩周围土体内部产生了较大的超静孔隙水压力，导致桩周土产生较大的侧向位移和竖向隆起，同时桩周围土体在沉桩过程中受到一定程度的扰动，导致基桩承载力降低。随着超静孔隙水压力的逐步消散，场地地基将出现大面积沉陷，同时导致工程桩受到负摩阻力的作用，桩基承载力下降。因此，对孔隙水压力的计算能够从理论上估算挤土效应的影响，具体求解过程如下。

太沙基一维固结理论可以求解一维有侧限应力状态下，饱和黏性土地基受外荷载作用发生渗流固结过程中任意时刻的土骨架及孔隙水的应力分担量(华南理工大学，1991;谢康和，1994)。

太沙基一维固结微分方程可表示为如下形式：

式(1)中，Cv为竖向固结系数，值为：

上述固结微分方程可以根据土层渗流固结的初始条件和边界条件求出其特解，当附加应力σz沿土层均匀分布时，孔隙水压力u(z，t)的解答如下：

式(3)中，m为奇正数;Tv为时间因数：

黏性土的孔隙水压力系数，当作用在饱和黏性土体上的压应力产生增量Δσ1和Δσ3时，孔隙水压力的变化可以通过式(5)求得(Skemptom，1925)。

这里假设土体处于三轴状态，即σ2=σ3，同时对于饱和土体B=1，平均有效应力p和偏差应力q(或八面体法向应力和剪应力)为：

p'的增量 Δp'为：

对于饱和黏性土，如果在应力发生变化时，假定无体积变化，那么在知道土的应力、应变关系的条件下，系数A理应通过理论分析得到，假定土体为遵守广义虎克定律的弹性体，那么土体的体积变化ΔV和Δp'之间存在唯一的对应关系：

式(8)中，Ks为土骨架的体积模量，由于ΔV=0，可得 Δp'=0。

如果土体是遵守某个相关联流动法则的弹塑性体，那么在V=0的前提下，可以推导出如下表达式(黄文熙，1989)：

式(9)中，f为屈服函数，A*为硬化系数H的函数，可以由式(5)或式(9)计算得到空隙水压力系数A的表达式：

二维问题中反映流量平衡的微分方程式为：

当然，以上只是到了二维固结的计算，在实际施工过程中存在三维固结，这样可以将三维固结进行一维等效换算来求得。

3 挤土效应的防治措施

为了消除与减轻挤土效应对周边环境的影响，保证周边建(构)筑物的安全，可以根据具体实际情况采用如下措施(林叶榛，2010)。

3．1 优化挤土桩的桩尖

挤土桩桩尖主要有3种形式：十字型、圆锥型和开口型。前两种属于封口型桩尖，沉桩时土体不会进入桩内;开口型桩沉桩后，桩身下部约有1/3桩～1/2桩长的内腔被土塞住，从土体闭塞效果来看，不仅单桩承载力不会降低，而且会减少挤土作用，故宜首选开口型桩尖进行施工。

3．2 设置防挤沟与消挤孔

挤压应力的破坏作用表现为土体水平位移与地面隆起。设置防挤沟可以减少地基浅层土体的侧向位移和隆起，减少对邻近建筑物或地下管线的差异变位影响;而设置消挤孔可以减小地基土体的变形值及其影响范围，减轻对邻近建筑物的变位影响。具体做法如下。

(1)防挤沟宽度根据现场实际空间而确定，以1m～2m宽为宜。其深度则根据土质情况而定，即深度宜大于1m，且以边坡能自稳为妥。

(2)消挤孔设置在2排以上，各排孔口在平面布置上呈“梅花”形交错排列。孔径：400mm～600mm，孔深度：10m ～15m，孔间距：0.5m ～1.0m。孔内可填充稻草等压缩性大、透水性好的填料，以防塌孔。

3.3 减少桩的排土量，降低超静孔隙水压力

在施工中通常是采用掘削、水冲、预钻孔辅助沉桩法来减少桩的排土量，达到降低超静孔隙水压力的目的。具体做法如下：预钻孔的孔径比桩径小100mm～200mm，钻孔深度宜为桩长的1/3～1/2，施工时随钻随打。沉桩标准则根据终压力值加以控制，以减少桩的侧阻力对单桩承载力的影响。

3.4 预钻孔排水

实践证明，开口桩入土时的挤土情况与闭口桩相差不大。因此，在挤土桩桩施工过程中，可以采用一边沉桩，一边掘削的施工工艺，这样可以明显增大桩内土芯量，并显著减小沉桩挤土对地基变位与超静孔隙水压力的影响程度。而如果同时采用预钻孔施工工艺，则效果更佳。

当采用一边钻孔，一边沉桩的预钻孔施工工艺时，一般预钻孔的孔径宜为桩径的70%左右，预钻孔的深度宜为桩长的1/3～1/2。由于超静孔隙水压力的传播与消散也会导致土体水平位移与垂直隆起。所以，有的工程做法是在沉桩区布置适量的钻孔(孔径：300mm ～400mm，孔深：10m ～20m)进行排水，并且在孔内填入透水性能好的填料，如砂、碎石等。除此之外，上述消挤孔也能够起到排水的作用。

3.5 合理安排沉桩顺序

沉桩顺序会影响挤土方向，故挤土方向要与压桩的推进方向一致。先打入的桩对后打入的桩的挤压应力有阻挡作用，故沉桩顺序对土体位移能起到控制作用。施工时要求注意合理安排沉桩顺序，并且遵循以下原则：先中间后周边，由中心逐渐向四周对称施工;先密后疏，先打桩较密集的区域，后打桩较稀疏的区域;当在已有建(构)筑物附近压桩时，应沿着背离建(构)筑物的方向进行。

3.6 严格控制沉桩速率

控制沉桩速率不是一个定量的问题，应根据挤土过程中遇到的不同情况而定。压桩施工采用一次性连续施压到底，则桩的上浮机率大，而如果采用大流水法施工，即轮流将桩施压到底，则桩的上浮机率小。沉桩速率对土体变形的影响作用主要来自于超静孔隙水压力，而土中应力的传递与超孔隙水压力的消散则需要一个时间过程。压桩时，超孔隙水压力增长速度比其消散速度要快得多，而在压桩间隙，超孔隙水压力会明显回落。

3.7 施工过程中加强监测

除了加强对挤土桩施工过程中挤土位移的监测，还需要设置预警值及应急方案。原则是边施工边监测，监测结果及时反馈。其监测的主要内容包括：(1)对周边建(构)筑物的沉降、倾斜、水平位移、裂缝等的监测;(2)对土体内部侧向位移的观测;(3)对已施工桩位的偏移和上浮的监测;(4)对地面沉降值和地面隆起度的观测等。

4 施工实例

4.1 工程概况

某商业住宅楼，基础设计采用PHC-500(100)-C80-15，15静压预应力管桩，桩长30m，桩数为183根，单桩极限承载力标准值为quk=2 500kN，持力层为⑨-3粉土层，本工程送桩深度5.76m。工程拟建场地各土层物理力学指标见表1。

表1 各土层物理力学指标

先期选用ZYZ-600型静压桩机施工，当完成22根桩时，发现其中有6根桩未达到桩端设计标高。经分析研究，施工区域内浅部地层为淤泥质粉质黏土，含水率35.0% ～58.8%，孔隙比0.938～1.550，饱和度100%，液性指数1.02～2.69。深部地层：⑥层为稍密—中密粉砂层，⑦层为中密—密实粉砂层，最薄处6m左右，最厚处达19m。在进行沉桩施工时，因挤土效应对桩周土体产生了较大的超静孔隙水压力，导致桩周围土体产生较大的侧向位移和竖向隆起，并使得土体密实度增加，同时对周围成桩产生侧向挤压力，当侧向挤压力超过桩身抗剪强度时，就会造成桩身开裂甚至断桩。

4.2 采取措施及效果分析

为了消除挤土效应采取了如下措施：首先，将ZYZ-600型静压桩机换掉，施工时改用ZYZ-800型静压桩机施工;然后在施工区域外围设置防震、减震沟渠;并调整施工顺序和走向，预留超静孔隙水压力的释放时间间隔，最终完成剩余的161根桩。

施工结束后，采用桩基低应变检测的方法对其中的61根桩进行了检测，结果为：Ⅰ类桩52根，占所检测桩数的85.2%;Ⅱ类桩7根，占所检测桩数的11.8%;Ⅲ类桩2根，占所检测桩数的3%。无Ⅳ类桩，其中Ⅲ类桩出现在前期桩端标高未达标(截桩)区域，后经补强达到总体设计要求。

由此可见，在此类挤土型桩基施工时，必须认真研究场地地质条件、周边环境条件及桩基设计要求等，分析施工过程中的挤土效应及影响程度，选用适宜的施工机械，制定切实可行的施工工艺及施工方案，以减轻或消除挤土效应对成桩质量的影响。

5 结语

对挤土桩的挤土效应研究的理论起源于土力学的一维固结理论，但该理论在研究时存在较大缺陷，随着计算机的发展，很多复杂的计算程序可以通过计算机来完成，为挤土效应的研究提供了新的思路和方法。当前挤土效应的分析方法主要有：圆孔扩张法(李月健，2001)、应力路径法、有限单元法(朱丽红等，2010)等。沉桩挤土引起的地表位移符合随机过程，应用随机介质理论，提出了预计打桩引起的地表位移与变形的计算公式和计算程序。以小孔扩张挤土理论为出发点，将打桩问题简化为半无限体中的孔洞问题，利用边界单元法，对群桩施工过程中引起土体位移进行计算。

通过研究分析，对挤土效应进行必要的定量计算和预测，从而判断挤土桩施工产生的影响范围和程度，以便采取有效的预防措施减少甚至消除挤土桩施工对工程和环境的不利影响。

《地基处理手册》编写委员会.2000.地基处理手册(第二卷)［M］.北京：中国建筑工业出版社.

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Analysis on driving effect and its mechanism in construction of compacting pile

DING Jin-hai1，2，LI Ji-tao1

(1．East China Geological Exploration Bureau of Nonferrous Metals，Jiangsu Province，Nanjing 210007，China;2．East China Construction Foundational Eugineering Corporation，Nanjing 210004，China)

When the weak foundation was unable to meet the requirements of bearing capacity in the course of foundation engineering construction，consolidation and strengthening treatment of the groundwork foundation were necessary．Soil-compacting pile was a right method，but it would bring about driving effect during construction that would affect the surrounding environment．The authors in the text analyzed the influence and mechanism caused by the driving effect，advanced preventive measures and cited engineering construction cases．

Driving effect;Porous water pressure;One-dimensional consolidation

TU753.3

A

1674－3636(2011)03－0317－05

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．03．317

2011－05－27;

2011－06－03;编辑：蒋艳

丁金海(1964—)，男，高级工程师，主要从事岩土工程及地质灾害治理等方面的设计、研究及技术管理工作，E-mail：jshddjh@sohu．com