应力释放孔减小预制桩挤土效应的应用研究

雷练武， 吴爱梅， 吴 瑾

(宁波华东核工业工程勘察院，浙江 宁波 315800)

近年来，我国经济高速发展，土木建筑工程也伴随着快速发展, 桩基础在工程建设中被广泛应用。其中静压式是预制桩沉桩的一种主要方式，预制桩具有桩身质量易于检查和保证、施工效率高、价格较低且无泥浆污染等优点(李雪峰，2013)。但在预制桩施工过程中，常常会出现因桩基挤土效应引起周边建筑物、道路、地下管网等不同程度的损坏。因此，在桩基施工区域内布置应力释放孔便是防治挤土效应产生不利影响的一种有效措施(周云东等，2005)。其机理是在桩基施工区域及变形影响范围内合理的布置应力释放孔，使沉桩时产生的超静孔隙水压力消散至应力释放孔内，通过消散孔隙水压力从而大大减小土体变形对周边环境产生的影响(施瑾，2015；俞翔，2012；沈欣等，2009)。

1 土效应对土体的破坏过程

饱和软粘土的不排水抗剪强度很低，它具有不排水时压缩性低及渗透性弱等特点，桩身在挤入土体时，土体初始的应力平衡状态便遭受了破坏，同时沉桩时产生的瞬间挤压应力很大，土体将被压缩，与此同时土颗粒间孔隙内的自由水也将受挤压，超静孔隙水压力便由此产生(高华喜等，2004；屠海青等，2004；吕淼木，2013)。当挤压应力超过临界值时，会造成基桩本身出现裂缝，也可能导致接头错位甚至桩身断裂。同时沉桩时桩要挤开与桩体积相同量的土体，使得地表面隆起及产生侧向位移，变形范围一般为1～1.5倍的桩长，这将破坏周边的建筑物、地下管线等设施(李晓明等，2006；王冲等，2012；方伟江，2011)。

2 工程概况

某教学训练馆A(副馆)项目占地面积共8 000 m2，总建筑面积共23 040.16 m2，结构形式为框架结构，单柱最大荷载标准值约4 000 kN，基础型式采用预应力管桩方案，采用静力压桩法施工。本桩基工程共设计使用104根管桩，平面布桩率为4.5%，其中PHC-500AB 100-b型20根，PHC-600AB 110-b84根，桩长45 m，地基土层物理力学指标见表1。

采用静压沉桩的施工工艺，沉桩区域西侧紧邻某通讯电器制造公司，桩基距离厂房边线很近。根据施工经验可知，若不采取有效的应力释放措施，桩基施工时挤土效应引起的地表隆起及位移将会对西侧厂房造成极大影响，厂房将产生不均匀沉降，最终还将开裂破坏，后果不堪设想。

表1 地基土层物理力学指标

3 应力释放孔的设计与施工

为了释放沉桩过程中产生的挤土压力同时消散超静孔隙水压力，最有效的手段便是设置应力释放孔。据现场勘察，预应力管桩为挤土桩，施工时势必会产生挤土效应，地表的形变将使西侧厂房受到影响，因此在邻近厂房的区域范围内应布置应力释放孔。

3.1 应力释放孔的设计

3.1.1 设计理论

(1)充分调查工程施工区域周边的环境，对施工区域西侧的厂房进行重点保护。

(2)本桩基工程，桩长45 m，预制桩沉桩过程影响范围按1 倍深度计算约 40 m范围，因此工程西侧的厂房将受到影响。通过在桩位与建筑物之间布置应力释放孔，设置防挤槽等方式来确保建筑物的安全。

(3) 选桩: 宜选大直径桩，该类桩承载力高，能将桩数量减少，在沉桩时可降低对周围环境的影响程度。本工程根据现场情况，最终采取了桩径为Φ500～600 mm 的管桩。

3.1.2 设计计算与分析

(1)本工程桩基施工送桩深度约3 m，施工时总打入长度为4 992 m，初步估算挤土量(V)为1327.84 m3。

(2)根据布桩方案，考虑沉桩顺序间的相互影响，根据业内前人总结的经验，本工程地表土体水平位移约0.6 m，隆起量考虑取0.6 m；该场区施工时土体进入管内的深度约7 m，则灌入管桩管内的土体体积(V1)为205.73 m3。

(3)考虑施工后土体将上浮，取值25%计算，则上浮的土体体积(V2)为331.96 m3。

(4)在临近西侧某通讯电器制造公司附近区域，打桩时土体将被挤密，挤密量取15%计算，则挤密消耗的土体体积(V3)为199.18 m3。

(5)通过估算，计算出需要释放的土体体积(V4)为590.97 m3。

(6)在需要保护的西侧厂房靠近管桩施工一侧布置两排应力释放孔，呈梅花形分布，排间距为0.8 m，孔间距1.0 m，孔径为Φ300～350 mm，深度为17.5～18.0 m。暂定施工应力释放孔共计180个，按有效孔深18.0 m计算，取土量(V5)为311.57 m3。

(7)根据软土地区以往施工经验可知，按挤土槽、挤土沟与应力释放孔共同担任取土量任务的原则，当应力释放孔取土量达到沉桩时需要释放土量的50%时，表明采取应力释放措施得当且满足场地应力释放要求。

(8)通过以上估算可知需要释放的挤土量(V4)约为590.97 m3，取土量(V5)为311.57 m3，V5/V4=52.76%>50%。由此可知，本工程采取的应力释放措施得当，同时应力释放孔完成的取土量略高于挤土量的50%，表明应力释放孔布置合理无过多浪费，既经济又合理。

3.2 应力释放孔的施工

(1)沿地下室外墙边3～4 m处挖宽1 m、深2 m的防挤槽，以阻断沉桩过程浅部土体的应力传播，大大减小沉桩过程产生的应力对建筑物的直接水平冲击。

(2)布置两排应力释放孔在场地西侧，呈梅花形分布，排间距0.8 m，孔间距1.0 m，孔径为Φ300～350 mm，深度为17.5～18.0 m。

(3)为防止坍塌，孔内宜放置直径Φ400的钢筋毛竹笼(设计长度为20 m，钢筋笼上密排绑扎宽3～5 cm的毛竹片，毛竹笼箍筋采用Φ12@1500，加6Φ12纵筋固定。)，毛竹笼整体包裹上双层滤布，且适当露出地面20 cm左右，以防止周围土掉入，在露出地面部分的毛竹笼内放置横档固定。

(4)在合理安排沉桩施工顺序的同时控制每天的压桩数量，压桩顺序应从靠近建筑物处开始，然后逐渐远离。控制每天的打桩数量使得土层中的应力可以逐步得到释放。白天沉桩引起的土体位移增量将会在夜晚停歇时有约25%的回落，若夜晚继续进行沉桩，挤土效应引起的土体径向、竖向位移会一直增加而不回落。因此，应避免24 h不停歇的沉桩。

(5)在围墙的四周设置沉降观测点，在基桩施工时加强巡视，同时对影响范围内的建筑物进行观测。根据观测得到的数据，合理调整打桩的顺序、速度及应力释放孔的间距、深度等，以确保周围建筑物的安全。

4 减少挤土效应的效果验证分析

4.1 孔隙水压力的消散

为了解沉桩完成后土体孔隙水压力与时间的关系，采用孔隙水压力测量的方法测量土体孔隙水压力，测得的数据与时间的关系如图1所示。

图1 孔隙水压力随时间变化曲线图Fig.1 The relation curve of pore water pressure with time

由图1可以看出，当沉桩完成后时间较短时，孔隙水压力消散的慢，随着时间的增长，孔隙水压力消散的较快，总体上孔隙水压力随时间增长呈减小的规律，最后趋于稳定即孔隙水压力完全消散。

4.2 变形监测分析

在施工时，应该采取相应的监测措施。由专业人员每天对西侧厂房附近地段进行水平位移及累计沉降量观测，及时掌握不同深度土体变形情况。沉桩时，孔隙水压力达到临界值后应立即停止施工，并采取消散措施后才能继续施工。观测的最大水平位移及沉降结果见表2及图2。

表2 建筑物附近累计垂直变形量

表2表明，本次沉桩过程中，监测到的周边建筑物最大累计垂直变形量为10.5 mm，小于监测单位预计设定的界限值±20 mm。

图2 不同时期X3点的偏移量Fig.2 Offset of X3 measuring point in different periods

从图2可以看出，当时间间隔短时，孔隙水压力降低的小，观测的位移量变化很小；随着时间间隔的增加，孔隙水压力减小的较多，水平位移量得变化较为明显。尤其是在地表浅部表现的更为明显，从12月11日的27 mm减小至1月10日的16 mm。在观测过程中西侧厂房外墙未发现出现裂缝或明显剥落等损坏情况。因此本次预制桩桩基施工，应力释放孔和防挤槽布置得当，有效减小了挤土效应产生的影响。

5 结语

工程位于某市软土地基区域，施工区域西侧紧邻某通讯电器制造公司，给工程带来很大难度。经实践检验，工程采用了设置应力释放孔、防挤槽，使用大桩径减少沉桩数量等多种应力释放措施，从而确保了周边建筑物的安全。

在桩基施工时应严格按照预计方案施工，应力释放孔和沉桩的施工要交替进行，沉桩的施工顺序要按从靠近现有建筑物开始到逐渐远离顺序施工，同时要严格控制每天沉桩数量。

桩基信息化施工管理采用的主要手段为监测手段，在打桩阶段实时跟踪监测并及时提交监测数据，为施工方及时调整打桩速率和其他参数提供依据，从而达到信息化施工的要求。

工程通过实时监测到的沉降与位移数据，表明了采用设置应力释放孔的措施能够有效解决挤土效应问题，工程采取的方案可为解决深厚软土层地区预制桩沉桩挤土效应提供参考。