PHC管桩挤土效应环境监测与分析

贾志刚，张瑞敏，李 科，曾红彪

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074;2.黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000)

预应力高强混凝土管桩(以下简称PHC管桩)以其优良的特性在工程建设领域得到了越来越广泛的应用。作为一种预制桩，在桩体沉入土层时桩周土的结构受到扰动［1］，土体应力状态也随之改变，产生挤土效应。工程事故表明［2］，预制桩施工过程中发生断桩、桩位偏移及上浮主要由沉桩产生的水平位移与超孔隙水压力造成。因此，目前研究的热点主要集中在群桩内水平位移与超孔隙水压力的分布规律上。但是，在城市建设过程中，由于建筑物比较密集，群桩施工产生的水平位移与超孔隙水压力势必会影响到周围建筑物及地下管线的安全，已经逐渐引起诸多关注。

目前尚无理论方法可以计算群桩外部水平位移和超孔隙水压力的大小［3］，为此，在某实际工程中从周边建筑物的角度进行了现场监测。通过对实测资料的分析，讨论了桩群外水平位移与超孔隙水压力的分布规律和影响范围。这些结果可为进一步的理论研究和机理探讨积累资料和经验，也为类似工程改进施工序和减少桩基施工危害提供依据。

1 工程概况

本工程属于驻马店市某城中村改造工程，采用静压管桩基础，桩型采用PHC－A500(100)，初步设计桩长为20 m，有效桩长为17.5 m，桩间距均为1.8 m，为3.6倍桩径，呈正方形布置。压桩施工方案如下:7#楼，总桩数为241根，压桩的主方向为由西向东;11#楼，总桩数为393根，压桩的主方向为由东向西;13#楼，总桩数为344根，压桩的主方向为由东向西，3栋楼的压桩日期均为3月10日至4月5日。工程涉及到的土层主要有7层，从上到下依次分布如表1所示。桩端刺入⑦黏土最大深度为1.3 m。

表1 土层基本参数Table 1 Basic parameters of soil strata

为确保在静压管桩及后期基础工程施工阶段的安全，及时发现事故前兆，避免周边既有建筑物过量变形带来的安全事故，对7#楼与11#楼南侧的2栋(某居委会、八中教学楼)、13#楼西侧1栋居民楼，进行了静压桩施工、基坑开挖降水施工期间挤土效应监测。监测过程一共设置了6个沉降观测点、3个水平位移观测点(测斜孔)和3个孔隙水压力监测点，具体布置详见图1。测点(测斜仪与孔隙压力计)1，2，3与对应压桩区边界线的距离L分别为5，7，6 m，同一测孔孔隙压力计沿深度的的埋设位置分别为4，12，20 m。采用CX－03C型测斜仪，且只测量与基坑坑壁垂直的位移分量，并规定指向基坑内部的水平位移为负，反之为正。选用电测法振弦式孔隙水压力计，压力观测采用频率接收仪测读。

图1 监测平面布置Fig.1 Layout of monitoring instruments

2 监测结果与分析

本次监测工作主要是从保护周边建筑物的角度展开，因此未在压装区域内部布置测点。监测周围建筑物的沉降，可以利用差异沉降来分析建筑物的损伤以便进行施工预警，同时建筑物沉降也是地表隆起效应的间接反映。本工程沉降观测点通过膨胀螺栓设置在建筑物离地1.2 m高的位置，监测结果显示，每个测点的竖向位移均未达到设定的预警值。因此，关于沉降问题本文不作详细论述。

需要说明的是，在13#楼的压桩过程中，考虑到其西侧居民楼的特殊性，于3月25日在13#楼压桩区边界线西3 m处开挖了1条卸压沟，深度为2 m，宽度为1 m，卸压沟位于监测点东侧(内侧)。监测结果也证实该卸压沟在一定程度上的有效性。

2.1 水平位移

水平位移监测的正常频率为1次/d，若发现日变形速率或总变形接近报警值时，缩短监测间隔时间，增加为每天早、晚监测2次，并以2次数值中较大检测值作记为当日检测值。为了清楚地表达水平位移随深度的变化规律，对每个测斜孔，选取水平位移有较大变化检测日的数据进行整理，具体结果见图2所示。其中1#孔位、2#孔位与3#孔位数据结果分别见图 2中的(a)，(b)，(c)。结合图2，分析如下:

(1)总体上看，1#孔位与2#孔位处的水平位移沿深度变化规律相似，即表层土体位移较大，随着深度的增加，水平位移逐渐减小，桩端附近几乎为0。其中4月5日，1#孔位最大位移量为11.3 mm，2#孔位最大位移量为14.4 mm。地表浅层土体大的主要原因是沉桩挤压作用使得桩四周的土体向着压力较小的方向产生位移，地表浅层土体受到的上覆压力小，土的弹性模量也小，受挤压后而导致的变形较大。

(2)在1#孔位与2#孔位处，随着压桩数量的增加，浅层土体位移累计值均逐渐增大，且桩端附近水平位移量一直维持在很小的值，但2个孔位处的水平位移日均增加量却有明显差异。1#孔位水平位移日均增加量呈现先小后大的特点，3月24日之前较小，如深度为－1 m处日均增加量为0.29 mm/d，3月24日之后明显加大，深度同为－1m处日均增加量则为0.65 mm/d;2#孔位水平位移日均增加量呈现先小后大再变小特点，3月18日之前较小，如深度为－1 m处日均增加量为0.28 mm/d，3月18日至26日明显加大，深度为－1 m处日均增加量为1.01 mm/d，3月26日之后又变小，在深度为 －1 m处日均增加量为0.38 mm/d。

图2 不同日期土体水平位移随深度变化曲线Fig.2 Curves of soil’s horizontal displacement vs.depth on different date

造成1#孔位与2#孔位处水平位移增长规律差异的原因主要是压桩的施工方向。参照图1可知，从压桩开始到压桩中期，1#孔位与2#孔位都可看作处于迎桩面的位置，随着压桩的前进，孔位与压桩点的距离越来越小，其水平位移日均增加量逐步增大，直至压桩点与测斜孔位平行时达到峰值。过了该位置以后，测点孔位则处于压桩背向面的位置。随着压桩的前进，处于背向面的孔位与压桩点的距离会越来越大，且背向面的土体位移量值和速率均小于迎桩面，因此，2#孔位水平位移日均增加量必然由峰值逐渐减小。7#楼的走向使得处于背向面时1#孔位与压桩点的距离逐渐减小，在一定程度上抵消了背向面与迎桩面位移增加的差异，并使得1#孔位水平位移日均增加量反而微弱增大。

(3)3#孔位处的水平位移沿深度的变化规律较为复杂。3月24日开挖卸压沟之前，水平位移沿深度近似线性变化，与其他2个孔位的情况类似。但位移累计值与日均增加量都较小，如深度为－1 m处分别为1.4 ，0.12 mm/d。3月24日之后，水平位移从地表沿深度近似线性增加，在深度－8 m处达最大值，而后水平位移沿深度近似线性减小。如4月5日时，－8 m处的位移值为4.9 mm，至－1 m处，位移逐渐减小为1.1 mm。且4月1日至5日期间水平位移日均增加量为0.8 mm/d。

现场监测数据进一步表明，桩基施工后水平位移随时间逐步回弹。基坑降水之前土体回弹缓慢，基坑5 d降水期间土体回弹较快。如2#孔位基坑降水前3 d的最大回弹量为1.4 mm，随时间的增长，土体的回弹速率明显变小，基坑降水前6 d的最大回弹量为2 mm，基坑降水期间最大回弹量为8.1 mm。

2.2 超孔隙水压力

在饱和黏性土中沉桩，桩周土体中会产生很高的超孔隙水压力。依据本工程土层资料可知，桩周土体属于低渗透性土，超孔隙水压力的消散也就很慢。随着压桩数量的增加，测点超孔隙水压力也在逐渐增加。从超孔隙水压力对周边建筑物地基土的影响程度看，显然，压桩过程中出现的超孔隙水压力最大值有重要意义。因此，为了描述特定测孔内超孔隙水压力随深度的变化规律以及相同深度处不同测孔内超孔隙水压力随测孔与压桩区距离的关系，进行数据整理，具体见图3与图4。结合图3、图4分析如下。

图3 不同测点△u/σe随深度变化曲线Fig.3 Curves of△u/σevs.depth at different measurement points

图4 不同埋深△u/σe随距离变化曲线Fig.4 Curves of △u/σevs.distance at different depths

(1)对于3个测点而言，其超孔隙水压力与上覆有效压力比值(△u/σe)均随深度近似线性增加，测点KX3直线的斜率最小。也即说明同一测点的超孔隙水压力值随深度逐渐增大，且深度越大，超孔隙水压力值越接近上覆有效土压力比值。其中测点KX3在埋深 4 m 处，△u/σe为 0.56，在埋深 20 m处，△u/σe为 0.64，△u/σe沿深度的增加率为0.005/m，是3个测点中最大的。

(2)平面位置上，在相同深度处的各测点，随着离开沉桩区距离的增大，其测得的超孔隙水压力均不断减小，并且与离沉桩区的距离近似呈线性关系，回归拟合方程见表2。同一深度处，随着离开沉桩区距离的增大，各测点测得的超孔隙水压力衰减很快。如对埋深4 m处的回归方程进行求解可得，离开沉桩区边界线大于12.3 m的地点，静压桩施工产生的超孔隙水压力已小于5 kPa，离开沉桩区边界线大于14 m的地点，超孔隙水压力已为0 kPa。工程上通常只考虑△u≥5 kPa时超孔隙水压力对桩周土体的影响［4］，所以取△u≥5 kPa时离开沉桩区边界线的距离为超孔隙水压力影响半径。求解回归方程可得，在埋深12 m处、20 m处影响半径分别为14.6 m和16.1 m。可见，超孔隙水压力影响半径随深度的增加逐步增大，最大影响半径约为桩直径的29倍。

表2 压桩过程中超孔隙水压力值与影响范围Table 2 Values of excess pore water pressure and its influence scope during piling

(3)在沉桩20 d后，超孔隙水压力消散率都达到了60%以上，但不同深度处超孔隙水压力值差异较大。埋深4 m处，各测点的超孔隙水压力消散的很快，其值均小于5 kPa。相反地，埋深20 m处，各测点的超孔隙水压力下降很小，保持在一个相对较高的值。主要原因是由于该土层为黏土，天然含水量高，透水性低，渗透系数比上层的粉质黏土的低2个数量级，所以该土层消散较慢。另外还可发现，距离沉桩区近的测点的超静孔压消散较慢，且同一测点，超静孔压消散速度随深度的增长逐渐缓慢。

3 讨论

(1)群桩的挤土效应机制与单桩明显不同。本桩基工程中桩间距均为3.6倍的桩径，远小于文献［1－2］给出的临界桩间距，沉桩过程中超孔隙水压力也会由于“水裂”作用增大到有效上覆压力即基本趋于稳定。在桩群内部，埋深相同的各点稳定值基本上一致。在桩群外部，现场实测数据表明，超孔隙水压力与群桩边界线的距离近似成线性关系，这与基于圆柱扩张理论得到的单桩超孔隙水压力与距离呈对数衰减［4］显然不同。

实测的水平位移值与距离的变化关系与单桩的情况也并不完全类似。对于单桩来说，测点与桩之间的距离越大，测点的水平位移值就越小。对于群桩的水平位移值，由图2可知，1#孔位处的最大水平位移值小于2#孔位处的最大水平位移值。但是，1#孔与7#楼压桩区域边界线的距离却小于2#孔与11#楼压桩区域边界线的距离。原因可能如下，7#楼的总桩数约为11#楼的2/3，相比而言，7#楼压桩区总排土量小于11#楼总排土量。所以，尽管1#孔位与压桩区距离近，但最大水平位移却相对较小。另外，7#楼压桩速度比11#楼快，在一定程度上也影响了水平位移的变化规律。这说明群桩的挤土效应远比单桩复杂，受沉桩方法等众多因素影响。

(2)卸压沟减轻沉桩挤土效应的有效性。从图2(CX3)可以看出，3月24日在13#楼西侧开挖卸压沟前后该测点的土体位移随深度变化曲线发生了明显的变化。开挖卸压沟前表层土体水平位移较大，随深度近似线性减小;开挖卸压沟后，在深度6 m以上土体水平位移呈现了近似线性的反向分布，至表层土体时水平位移已很小。据此可推断卸压沟对水平土体位移的影响深度约为其开挖深度的2倍。从表2中测点KX3的数据看，不能判断出卸压沟的设置对该测点超孔隙水压力有明显的影响，且卸压沟的影响深度相比桩长有限。从桩承载力时效性受整个桩长范围内超孔隙水压力状态影响的角度考虑，卸压沟的设置对超孔隙水压力、桩承载力时效性影响有限。

此外，压桩机对土体的位移有很大的影响［5］，其作用首先表现在，其纵向行走机构在静压桩沉入土体过程中对土体位移的限制。桩机纵向行走机构是由很厚的钢板焊接而成，刚度很大，从现场可以看到，其沉降是整体一致的。刚度大、上部荷载又大，必然会限制土体在垂直于其轴线方向的运动(竖向的隆起和水平向的挤出)，而由于垂向受到限制，土受挤位移将在平行于纵向行走机构的方向加大，这与通常所假定的轴对称情况是不相同的。

4 结语

群桩挤土效应机制复杂，以可能受到影响的周边环境考虑，这种影响的强弱不仅取决于检测点与群桩边界线的距离，还受到施工方法、桩的数量、桩径(挤压作用)、桩间距、土体物理力学参数(密实度、渗透性)等众多因素影响。就本工程而言，可以得出如下结论:

(1)在群桩外，超孔隙水压力值随着群桩边界线距离的增加近似呈线性减小，且超孔隙水压力影响半径随深度的增加逐步增大，最大影响半径约为桩直径的29倍。

(2)水平位移的总体特点表现为，表层土体位移较大，随着深度的增加，水平位移逐渐减小，桩端附近几乎为零。且水平位移受到卸压沟的显著影响，有效影响深度约为卸压沟深度的2倍，在此深度以上水平位移近似线性反向分布。

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