静压法沉桩对周边环境的影响及其控制措施

2016-11-24盛晔

城市道桥与防洪 2016年3期

关键词：构筑物沉桩静压

盛晔

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

静压法沉桩对周边环境的影响及其控制措施

盛晔

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

在饱和软土中采用静压法进行沉桩施工时会产生明显的挤土效应，从而对沉桩区域周边环境造成不利影响。现分析沉桩挤土效应对周边环境的影响及其作用机理，并结合工程实例提出有效降低沉桩挤土效应对周边环境影响的控制措施。

静压法沉桩；挤土效应；环境影响；控制措施

1　静压法沉桩对周边环境的影响及其作用机理

静压桩具有无振动、无噪声、无泥浆、施工工效高、工程造价低等优点，近年来被广泛运用于地基与基础工程中。预制桩在静压力作用下贯入土层时，占用了土体原有的空间，使得桩周土体受到挤压而向四周排开。当桩周土体为饱和软土时，土体受到挤压时体积不会收缩或收缩量很小，土体挤压应力主要通过土体位移来消减，会产生明显的挤土效应，如处理不当，会引起沉桩区域周边的环境问题，严重的甚至会引发工程事故。以下从4个方面介绍沉桩挤土效应的影响及其作用机理。

1.1桩周土体性状

在静压沉桩过程中，桩周土层被压密或挤开，使土体产生水平位移或竖直隆起。此外，桩周土体因受到径向挤压和竖向剪切作用而产生剧烈的扰动和重塑，土的原始结构遭到破坏，应力应变状态发生很大的变化，土的工程性质也随之改变，桩周土体的抗剪强度明显降低。

图1给出了沉桩过程中土体的主要位移图示，并根据土体变化状况进行了分区：

A区：强烈重塑区。此区域紧靠桩身，在沉桩过程中土体扰动最为剧烈，土体的原始结构被完全破坏，在强大的挤压作用下瞬间形成急剧上升的超静孔隙水压力。

B区：塑性区。此区域土体因受到辐射向压力作用而产生较大的位移和塑性变形，并在与A区的交界处形成强度软弱面。

C区：弹性区。此区域土体受沉桩影响不明显，土体基本保持弹性变形，可观测到的侧压力和超静孔隙水压力数值较小。

D区：非扰动区。此区域不受沉桩的影响。

图1　桩周土体的位移与分区示意图

1.2桩周土体孔隙水压力

桩体在静压力作用下贯入土层时，桩周土体受到剧烈挤压，使得土体颗粒发生复杂运动，土体颗粒间的孔隙水被挤压而形成较大的超静孔隙水压力。当土体中的超静孔隙水压力超过一定数值时，土体中某一方向的有效应力可能出现负值，对桩基承载力产生不利影响。

静压沉桩完成后，被扰动的地基土体随着超静孔隙水压力从高孔压区向低孔压区的消散而固结。一方面，桩周土体的再固结可能使桩体受到向下的负摩阻力作用而导致已沉入桩产生回沉；另一方面，地基土体再固结时的沉降量往往大于沉桩时的隆起量，使得沉桩后的地面产生沉降，并扩大了地基土体沉降的影响范围。

1.3既有建（构）筑物

由静压沉桩引起的土体水平位移和竖向隆起，会对沉桩区域周边一定范围内的建(构)筑物和地下管线等造成不同程度的影响，并有可能导致邻近建筑物基础上抬、地坪和墙面开裂、周边道路变形、边坡失稳、地下管线断裂等工程事故。

1.4已沉入的邻桩

同样的，静压沉桩产生的土体水平位移和竖向隆起也会对己沉入的邻桩造成不利影响。一方面，土体的水平位移会使己沉入邻桩受到径向压力，造成其桩身移位、挠曲，甚至折断。另一方面，土体的竖向隆起有可能使己沉入邻桩发生上浮，造成桩尖脱空，产生“浮桩”现象，这将极大地降低端承桩的单桩承载力，严重的影响结构安全。

2　工程概况

星火水厂6万m3/d深度处理及排泥水处理工程，工程内容包括新建水厂深度处理和污泥处理构筑物，改建水厂管道系统和配套的电气、自控系统及水厂总平面。其中新建提升泵房、臭氧接触池上叠臭氧发生器间为PHC400预应力混凝土管桩复合地基，设计桩长20 m，采用静压法沉桩。各土层的一般特征见表1所列。

拟建建筑周边主要为厂区已有建构筑物及厂区道路管线等，如图2所示。其中新建提升泵房、臭氧接触池距离北侧既有综合车间约22 m，距离南侧既有加氯间约13 m，距离西侧2根DN 1000既有铸铁供水管距离约5 m，处于沉桩挤土效应影响范围内。

3　静压法沉桩对周边环境影响的控制措施

3.1防挤土槽

设置防挤土槽，可以减小地基浅层土体的水平位移和竖向隆起，并减小邻近地下管线的差异变位影响。值得注意的是，防挤土槽虽可明显减少槽底深度以上的挤土效应，但对槽底以下的挤土位移场影响很小。故设置防挤土槽对周边地下管线进行保护时，其深度应大于被保护对象的埋深。为有效地减小槽后地基浅层土体位移，以保护槽后地下管线，该工程在既有铸铁供水管东侧3m处设置1.5 m宽，2～2.5 m深的防挤土槽。

图2　拟建建筑与既有建筑构筑物的平面位置示意图

表1　各土层的一般特征一览表

3.2应力释放孔和排水孔

设置应力释放孔和排水孔，一方面可以在一定程度上隔断应力和位移的传递路径，形成新的排水通道，加快超静孔隙水压力的消散速度，有效地释放沉桩引起的挤土压力，明显减小孔后一侧的挤土位移量。另一方面可以通过适当降低地下水位来减小沉桩引起的超静孔隙水压力并加快其消散，提高邻近地基土体的抗剪强度，从而减小土体位移及其影响范围。为减小沉桩挤土效应的影响范围和程度，该工程在既有铸铁供水管东侧与既有加氯间北侧分别设置应力释放孔和排水孔，孔深10 m，间距1.5 m，孔径500 mm，孔内安装排水泵，在沉桩施工期间不间断抽水。

3.3合理安排沉桩顺序

按照先深后浅、先近后远的原则制定合理的沉桩顺序。沉桩顺序与超静孔隙水压力的形成及其水力梯度的大小和方向存在明显的相关关系，且直接影响沉桩区域及其邻近区域土体位移的分布规律。一般来说，因沉桩产生的超静孔隙水压力和土体位移均沿沉桩推进方向增加。根据该工程的实际情况，先施工距离既有建构筑物最近的两排桩即西面和南面的最外侧一排桩，再由距离既有建构筑物相对较近的西面向距离既有建构筑物相对较远的东面施打，由此可在沉桩区域的最外侧形成一道屏障，在一定程度上可以起到遮帘的作用，引导土体位移向远离既有建构筑物一侧发展，从而减小因沉桩产生的挤土效应对既有建构筑物的影响。

3.4严格控制沉桩速率

严格控制沉桩速率，即将在某一时段内沉入的桩数限定在一定范围内。在某一时段内沉入的桩数越多，超静孔隙水压力的积聚越快，土体的扰动越严重。尤其是在软粘土地基中，沉桩速率过快，会使超静孔隙水压力急剧升高，土的不排水抗剪强度快速下降，造成邻近土体的剪切破坏，显著地增加地基土体位移量，并扩大超静孔隙水压力和土体位移的影响范围。为减缓超静孔隙水压力的积聚速度并为其消散提供时间以减小和控制上述不利影响，在实施过程中将该工程沉桩速率限定在200 m/d之内，同时加强施工监测，当管道累计位移超过10 mm时停止沉桩施工。

3.5施工监测

为了及时了解邻近建构筑物和周边地下管线在沉桩施工期间的变形状况，准确掌握沉桩挤土效应对周边环境的影响程度，从而更加科学合理地控制沉桩速率和沉桩顺序，预防工程事故发生，应在邻近建构筑物外墙设置竖向位移监测点和水平位移监测点，在周边地下管线的节点、转角点和变形曲率较大处设置直接监测点，并在沉桩施工期间对其进行不间断的施工监测。