群孔效应对周边环境影响的控制措施研究

2020-07-21程雪松

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2020年2期

程雪松

(1.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072)

0 引言

软土具有高地下水位、高含水率、高孔隙比、高压缩性、高灵敏度、低强度、低透水性的特点[1-2]，土体受工程活动影响较大，在我国沿海地区及内陆临江滨湖地区大量分布。在如今工程用地紧张、周边环境复杂、变形控制严格的条件下，钻孔灌注桩成孔、CFG桩钻孔等工程活动引起的周边地层变形已不容忽视[3-4]，在某些条件下甚至成为影响变形的主要因素。

灌注桩施工成孔对周边土体及环境的影响已经得到了一些学者的重视。蒋红心等[5]收集了一些工程实测数据，其中南洋广场的钻孔灌注桩孔径在30 h之后从刚开始时的1 m减小到了0.84 m，直径减小了0.16 m。河南路地铁的钻孔灌注桩孔径更是从刚开始的1 m缩小到了0.7 m，缩径达到了0.3 m。闫静雅[3]设计了2组试验来探索钻孔灌注桩对临近隧道的影响。一组为在临近隧道1 m位置处进行直径1.8 m的灌注桩成孔，另一组为在0.45 m位置处施工相同直径的灌注桩孔。对比2组试验的结果可以发现，1 m处钻孔时引起的隧道变形为1.6 mm，而0.45 m处钻孔时，隧道临近钻孔这一侧的管片发生了向钻孔侧的水平变形，导致隧道水平方向的直径增加了3 mm，而竖直方向的直径减小了2 mm。章荣军等[6]收集了武汉地铁二号线循礼门站桩基施工时的实测数据，实测数据表明，灌注桩成孔引起桥墩的沉降量为10.6 mm，而桥墩的沉降由钻孔灌注桩成孔过程引起的可达47.1%。

图1 群孔效应示意图

当灌注桩或CFG桩作为建筑物的桩基时，一般情况下，在基坑开挖之前自地面开始施工灌注桩及CFG桩，群桩基础的桩顶标高位于基坑底部附近，而施工完成后桩顶至地表的空孔需利用其他土体进行回填。但在实践中也经常存在由于各种原因回填不及时的现象，特别是软土地区桩数多、桩径小、桩孔可能出现坍塌时，回填较为困难，从而造成回填不及时，也有部分工程采用防护盖板、围挡等作为防止机械和人员掉落的措施，从而未对桩孔进行回填。桩孔的回填不及时或者不回填均会在地层中形成大量空桩孔同时存在的情况，称为群孔现象[1]。

目前较为常见的钻孔灌注桩[7]，长螺旋CFG桩[8]在施工时都会留下大量空孔，这种大量空孔同时存在导致应力释放叠加、互相扰动而引起的周边土体较大变形，并随时间变化影响更加明显的现象叫做群孔效应[1]，如图1所示。

目前，由于城市中建筑规模日益庞大，群桩基础动辄由成百上千根钻孔桩组成。例如，上海中心大厦作为一座超高层地标式摩天大楼，主楼采用钻孔灌注桩作为承重桩基，主楼桩总数955根，桩径1 000 mm。其中核心筒下A型桩247根，成孔深度86 m，有效桩长56 m；核心筒外B型桩708根，成孔深度82 m，有效桩长52 m[9]。天津117大厦主塔楼共采用了941根灌注桩，桩径1 000 mm，桩端埋深约100 m，有效桩长约76 m[10]。同时，工程界已经开始认识到大量空孔同时存在时会对周围环境造成不容忽视的影响，部分学者对这一问题进行了探索分析，也收集了一些工程实测数据，例如郑刚等[1]对某施工面积约5 200 m2的基坑工程周边建筑物及土体沉降进行观测。此工程2 000余根CFG桩施工完毕后桩顶上部遗留了8 m深的空桩孔，开挖第一步基坑至2.95 m深度时，基坑周边地表及建筑物沉降严重，其中基坑南部9 m处楼房最大沉降量为55.6 mm。经数值模拟分析发现，群孔效应引起了周边地表及建筑物较大的沉降，其引发的沉降量占群孔效应和第一步基坑开挖总沉降量的50%左右，有的甚至达到近60%，可见由于CFG桩施工桩顶以上部分不能完全及时回填遗留大量空孔引起群孔效应造成的影响不容忽视。

通过上述研究可见，当群孔大量存在时，其对周边环境可能造成的影响相当可观，但目前减小这种影响的措施却还没有得到系统的研究。然而，对于环境控制严格的工程，经济有效地控制群孔对周边环境影响的措施具有非常重要的意义。基于不提高工程造价或造价提高很小的前提，提出了在桩基施工前预先施工围护结构、在群孔外围进行空孔回填以及提前施工第一道支撑这3种控制方法，并分别探索分析了这几种控制措施的效果。

1 围护结构对群孔效应影响的控制作用研究

1.1 有限元模型的建立

图2 正常固结土和超固结土强度对比

为了模拟实际工程中土体不排水强度随深度z逐渐增加的特征，采用如下方法获取模型中土体的初始状态。将初始孔隙比e0设为2.62[11](高岭黏土有效应力为0 kPa时的近似孔隙比)，在地表均布施加150 kPa荷载，忽略土体不排水行为使其在超载下充分固结，加载结束后撤除地表150 kPa荷载，在土体自重应力下重新固结，最终形成的不排水强度沿深度的分布如图2所示，不同深度处的土体不排水强度略大于正常固结土。

此次计算模拟CFG桩施工遗留在地层中的大量空孔，孔内无泥浆护壁。孔径采用0.4 m，空孔深8 m，孔间距取4倍孔径1.6 m，如图3所示。当分析成孔引起的周边土体变形时，定义群孔边界线为距最外排空孔孔心2倍孔径距离。为了减小边界效应，模型边界水平方向距群孔边界至少2倍开挖深度。围护结构采用地连墙，利用板单元模拟，厚0.8 m，深16 m，混凝土重度取25 kN/m3，弹性模量取30 GPa，泊松比v取0.2。地连墙设置于群孔边界线处。模型计算步骤均分为施工地下连续墙(部分工况)和不排水条件下桩孔开挖两步。

图3 群孔及围护结构(单位：m)

1.2 不同工况控制效果对比

为了分析提前施工围护结构对群孔效应导致的周边环境变形的控制效果，分别计算了100孔、225孔、400孔、625孔时不提前施工围护结构和提前施工围护结构2种工况下，群孔沉降观测线上地表沉降和群孔边界面(提前施工围护结构时则为围护结构)的变形。地表沉降具体对比分析如图4所示。

从图4中可以看出，提前施工地连墙与否对地表沉降有较大的影响，未提前施工地连墙时，由于大量空孔同时卸荷导致的坑外地表的沉降呈现出明显的三角形分布，而提前施工地连墙则使地表沉降由三角形分布转化为凹槽形分布。沉降最大值也因此大幅度减小，在100孔的情况下由15 mm骤减至仅1 mm，减小幅度高达90%。而在625孔时也由22 mm减小至8 mm，减小幅度也达到了60%，减小了一半以上。

不同孔数下提前施工地连墙与未提前施工时群孔边界面上的水平位移对比如图5所示。

图4 不同孔数下提前施工地连墙与不提前施工引起的地表沉降观测线上的沉降值对比

图5 不同孔数下提前施工地连墙与不提前施工引起的群孔边界面上的水平位移对比

从图5中可以看出，当未提前施工地连墙时，孔底标高以上的土体由于群孔的卸荷作用向坑内的位移较大，而孔底以下的土体由于与上部土体存在粘聚力及一定程度的摩擦，在上部土体的带动下也会有向坑内土体变形挤压的趋势，但整体而言效果较弱，因此群孔边界面上的土体水平位移在孔底以下下降幅度很快。而提前施工地连墙后，孔底以上坑内土体卸荷导致的周围土体向坑内的变形使得地连墙呈现出悬臂式的变形，孔底以下土体对地连墙的变形有较强的限制作用，由于地连墙的刚度较大，上部土体的变形也因此大幅度减小。总体来说，地连墙的作用使得基坑范围内下部土体和上部土体共同承担了上部土体的卸荷作用，因此最大位移减小。这也是地表沉降大幅度减小的一个原因。

此外，即使提前施工了地连墙，随着孔数增多，地表沉降仍有一定程度的增加，群孔边界处的变形随孔数增加也有一个较为明显的增长，这些都在一定程度上说明了群孔效应的影响。

综上所述，提前施工地连墙对群孔效应引起的周边地表的沉降有着很好的控制作用，且地连墙等基坑围护结构作为后续基坑开挖时不可或缺的工序，其提前施工并不会引起工程造价的变化。

为了更进一步研究提前施工地连墙对群孔效应的影响，在100孔工况下分别分析了地连墙深度8 m、10 m、12 m、14 m、16 m时地表沉降观测线上的地表位移以及群孔边界面处的水平变形。地表沉降及边界面上水平位移如图6、图7所示。

图6 100孔时地表沉降随地连墙深度变化规律

图7 100孔时群孔边界面处水平位移随地连墙深度变化规律

从图6、图7中可以看出，由于孔底以上坑内土体并未完全开挖，因此即使地连墙仅有8 m深，即与空孔相同深度，其对减小群孔效应对周边土体的影响仍有很大的作用，使得地表沉降由没有地连墙时的15 mm减小至6 mm，群孔边界面处的水平位移也大幅度减小，由没有地连墙时的32 mm减小至4 mm。但值得注意的是，虽然8 m深的地连墙大大削弱了群孔效应对周边的影响，但其地表沉降模式仍是三角形分布，而由于没有嵌固深度，其水平变形也呈现出踢脚型变形模式。当地连墙深度大于8 m，即有了一定的嵌固深度后，地表沉降变形模式由三角形分布转化为凹槽形分布。而地连墙的变形模式也由踢脚型逐渐转变为最终的悬臂式。

综上所述，桩基施工提前施工地连墙等围护结构作为一种较为经济的方法，对控制群孔效应对周边环境的影响有很显著的效果，且当地连墙嵌固比较大时这一效果更加明显。

2 提前施工第一道支撑对群孔效应影响的控制作用研究

群孔效应类似于基坑开挖[1]，而在围护结构顶部加上支撑可以大幅度增加围护结构抗侧移刚度，进而减小群孔效应对周边环境影响。

图8 支撑布置图(单位：m)

为了分析提前施工第一道支撑对群孔效应导致的周边环境变形的控制效果，故本节对提前施工第一道支撑对群孔效应的控制效果进行分析。支撑采用点对点锚杆模拟，采用十字正交支撑模式，支撑间距为6 m，EA取4.9×106kN[13-14]，布置方式见图8。

本节分别对比了900孔、1 600孔、2 500孔时无控制措施、提前施工地下连续墙、提前施工地下连续墙和第一道支撑3种工况下，群孔沉降观测线上地表沉降和群孔边界面的变形。地表沉降具体对比分析见图9。

从图9中可以看出，提前施工第一道支撑对地表沉降有较大的影响。未采取控制措施时，由于大量空孔同时卸荷导致的坑外地表的沉降呈现出明显的三角形分布，而提前施工地连墙则使地表沉降由三角形分布转化为凹槽形分布。同时提前施工第一道支撑后，沉降最大值进一步减小。在900孔的情况下，当提前施工地连墙时，地表沉降最大值为9 mm，同时提前施工第一道支撑后，地表最大沉降减小为5 mm，减小幅度达到45%；而在1 600孔和2 500孔的情况下，地表沉降也分别由10 mm、11 mm减小为7 mm、8 mm，减小幅度接近30%。3种工况下群孔边界面上的水平位移对比如图10所示。

图9 施工地连墙及加支撑时地表沉降的变化规律

图10 施工地连墙及加支撑时群孔边界面上的水平位移

从图10中可以看出，当仅施工地连墙时，3种工况下群孔边界面上的水平位移最大值分别为37 mm、40 mm、42 mm，同时施工第一道支撑时，水平位移最大值分别减小为18 mm、24 mm、30 mm，减小幅度分别为51%、40%、29%，减小幅度较大，但随着孔数的增多，提前施工第一道支撑的控制效果越来越弱，这些都在一定程度上说明了群孔效应的影响。

综上所述，提前施工第一道支撑对群孔效应引起的周边土体变形有着很好的控制作用，且第一道支撑作为后续基坑开挖时不可或缺的工序，其提前施工并不会引起工程造价的变化。

3 部分空孔回填对群孔效应影响的控制作用研究

图11 空孔回填示意图

3.1 空孔回填效果分析

群孔效应产生的原因主要是由于桩基施工后坑底至地表范围的空孔未能及时回填，因此及时回填空孔应为减小群孔效应对周围环境影响的一个措施。但大量空孔全部回填在工期较紧的工程中实行起来有一定的难度，且成本较高，这也是实际工程中会出现大量空孔同时存在的一个重要原因。因此，探索出耗时较少，同时又能在一定程度上减弱群孔效应对周围环境影响的回填方法就显得十分迫切且有意义。本节首先针对625孔的工况进行回填的效果分析，回填范围分别为群孔最外围1排、3排、5排空孔，回填示意图如图11所示，具体回填效果变化规律如图12、图13所示。

图12 地表沉降随填孔范围及提前施工地连墙的变化规律

图13 群孔边界面水平位移随填孔范围及提前施工地连墙的变化规律

从图12、图13中可以看出，随着外围回填排数的增加，地表沉降和群孔边界处水平位移逐渐减小，且效果较为明显，当外围空孔回填3排时，其对群孔效应的减弱效果已经接近提前施工地连墙，而回填5排时其效果已经优于提前施工地连墙，不同之处在于提前施工地连墙使得地表沉降变为凹槽型分布，而仅回填空孔变形模式仍为三角形分布。综上所述，空孔回填对减小群孔效应对周边环境的影响有着显著的作用，而且无需回填所有的空孔，仅回填最外围若干排空孔即可取得较好变形控制效果。部分空孔回填的方法经济有效，但具体回填多大范围能达到较为理想的控制效果与土质条件和孔数等有关，在实际工程运用时需要视具体条件进行相应条件下的分析研究。

3.2 不同孔数回填效果对比

上述625孔模型中，当空孔外围回填5排时，空孔回填范围已占所有空孔的较大比例。如今大面积桩基础施工动辄成百上千根灌注桩，当空孔较多时，回填外围一定数量空孔是否可以取到较好效果仍需进行进一步研究。为了分析大量空孔存在时，回填外围数排空孔对群孔效应导致的周边环境变形的控制效果，分别计算了900孔、1 600孔、2 500孔3种工况下回填外围数排空孔时群孔沉降观测线上地表沉降和群孔边界面的变形。

图14 多孔合并示意图(单位：mm)

在上述模型计算过程中，当孔数较多时，为了避免边界效应模型尺寸往往较大，而孔径又较小，因此在网格划分阶段往往需要加密，这就导致模型单元数量巨大，运算速度较慢。且软件的网格划分能力限制了进一步研究更多孔同时存在时的影响。因此，利用有效的简化计算方法显得极为重要。郑刚等[1]提出了多孔合并的方法，以25孔合并为1孔为例，S2=25×S1×γ，其中，S2为合并后单孔的面积，S1为合并前单孔的面积，γ为多孔合并转化系数。通过大量计算得出了多孔合并转化系数与孔径、孔深、泥浆护壁情况、孔净距以及土体强度有关，与孔数变化无关的结论。由于文中采用的土体强度与郑刚等[1]在文章中采用的土质条件并不相同，因此为了得出多孔合并的转化系数进行了大量的模型计算，通过对比分析得出在本文所使用的土质条件下，即前期超载为150 kPa时，转化系数为γ=1的结论，多孔合并示意图如图14所示。由于篇幅有限，计算转化系数的模型计算结果不在此处列出。

采用25孔合并为1孔的方法计算3种工况，空孔回填外围5排或10排时的效果变化规律如图15、图16所示。

图15 不同孔数下地表沉降随填孔范围的变化规律

图16 不同孔数下群孔边界面上的水平位移随填孔范围的变化规律

由图15、图16可以看出，当空孔较多时，回填外围5排空孔后，周边土体沉降和群孔边界处水平位移虽然有了大幅降低，但仍然较大，当回填外围10排空孔时，控制效果更加显著。故随着空孔数量的增多，需适当增大回填排数以更有效地控制周边土体位移。

3.3 同时施工地连墙和部分空孔回填效果分析

由上述分析得，当空孔数量较多时，需要增大回填数量以取得较为有效的周边土体位移控制效果。而回填大量空孔难度大，成本高，故本节对同时施工地连墙和部分空孔回填条件下，群孔沉降观测线上地表沉降和群孔边界面的变形进行分析。

如图17所示，当大量空孔存在时，回填空孔外围少数几排空孔时，对减小群孔效应对周边环境的影响有一定的作用，但土体位移仍然较大，且变形模式仍为三角形分布。当同时施工地下连续墙，3种工况的最大位移分别由9 mm、12 mm、14 mm减小为4 mm、6 mm、7 mm，减小幅度均达到了50%，且地表沉降模式由三角形分布转变为凹槽型分布。

群孔边界面上的水平变形对比如图18所示，当同时采取回填外围数排空孔和提前施工地下连续墙的控制措施时，3种工况下群孔边界面上的水平变形最大值分别由26 mm、31 mm、33 mm减小为20 mm、26 mm、27 mm，虽然变形最大值有所减小，但减小幅度较小，说明围护结构的抗侧移刚度还需增加。