软弱土地区管桩基础的基坑开挖及桩身偏位修正措施研究

蔡 钟

福建省岩田基建工程技术有限公司

1 施工工艺特点

软弱地基因为有着较大的压缩性和空隙很大，所以抗剪性很小，如果遇到横向的水平的力的情况下，地基会很容易发生变形。当地基受到挤压时，会出现很大的压力，并且在很短的时间之内无法扩散。软弱地基固结系数较小，时间长，所在受到干扰时，复原时间长，而且无法恢复到原来的样子。挤土桩型是预应力管桩主要的使用类型，并且施工速度快，所以在施工区域很容易发生挤土现象。管桩具有很大的抗压性，但是抗弯性很小，不同质地的土层，都会受到水平力，所以很容易出现断裂现象。因此，软弱地基的特性会影响项目的实施。在开挖地基时，严格按照相关规范和标准进行，严格控制应力的释放过程以及土体的位移变化能有效防止地基应力释放过快，土体荷载太大的情况发生。

2 土方的施工过程

2.1 施工步骤

不同的工程围护结构不一样，所以不同的工程建设开挖步骤也很不一样。大部分建设项目的施工是按照以下步骤进行的：平整和加固场地→严格管桩施工→针对不同土层实施开挖和施工→准备施工原材料。

2.2 有效规划挖土作业

根据相关资料得出，一般在软弱地基的施工地区管桩基础的置换率是4%上下，施工之前需要了解工程的现状，结合具体实际情况进行规划布局，进而确定实施方案。地基的开挖，是按照一定的层次进行的。在基坑内尽可能不在软弱土上方布置土方及作业车辆运输的坡道，如果坡道地放坡系数小于1:1.5时就需要考虑采用混凝土进行护坡施工，如果土质情况不是太好，可以增加6.5@200×200钢筋网状结构。在施工过程中尽量避免在坡道两侧设置工程桩，如果无法避免就必须进行喷锚加固或灌芯，也可以用钢结构栈桥来代替土方坡道。尽量避免压桩与挖地基同时进行，开挖地基和桩基的施工时间应该大于15d，最好可以在30d以上。如果若承台区域也等于软弱土质结构，可以采用人工方式开展，这样能把设备荷载对土体产生的影响降低到最小。用该提前考虑安排截桩。挖掘施工前，需要截掉表层的桩。开挖时，分段进行施工。车辆以及挖机尽量选择小型机械设备，避免使用大型机械，比如小于PC100。基坑内的车辆最好在10t以下。基坑挖掘时需要布置好路线，尽量减少机械设备的重复来回碾压。不得在边坡附近堆放土方。

3 基坑的开挖形式

基坑的开挖应该根据围护结构和土层土质的不同情况，可分为三种方式，分别是盆式开挖、中心岛式开挖以及分层式开挖，施工过程中应做到限时开挖、对称、分块、分层。另外，在进行基坑开挖时应该根据五边法进行施工：边砌砖胎膜、边浇混凝土垫层、边铺碎石垫层或片石、边凿超高桩、边挖土。

3.1 基坑内的土方开挖方法

基坑内土方的挖掘一般有3种方法，第一种是大面积进行分层挖土，每一层的厚度小于2m，这种挖掘方式比较适合围护基坑的情况，但是存在一定的缺点，那就是挖掘出淤泥质黏土或者是淤泥的空间需要回填钢质路基板、建筑垃圾或者是塘渣，不然很容易造成施工的机械在软弱土层中陷落，影响施工的正常进行。第二种基坑土方开挖方法是中心岛式分层开挖，也就是说首先在基坑的四周进行分层挖掘，挖掘到土钉墙或者是支撑底的最底排，然后再对中心岛进行挖掘，一般使用多辆反铲接力式将土方传送出基坑直达路面，挖掘的每一层厚度也是小于2m，并且边坡的坡度控制在1/3～1/2 范围内，临时堆土的高度小于0.6m。第三种方法是盆式分层挖土，一般主要是在基坑周围有留置三角土或者是斜撑，起到对基坑围护结构的支承作用。

3.2 基坑下方的土方开挖方法

基坑下方的土方开挖形式有两种，第一种是使用小型反铲挖掘机在支撑的下部进行挖掘，接着采用接力式把土传送到自卸汽车内，这种方法主要用于可挖土层厚度在3m 以上，可以确保挖土机械具有充分地施工作业空间。第二种是采用长臂反铲机在支撑顶部进行挖掘，在挖掘之前需要回填钢质路基板或者是塘渣，另外还需要保证机械底部的土层稳固，防止在施工时因为荷载太大导致支撑被压断。

3.3 保护围护桩墙及工程桩的技术措施

在挖掘时必须对工程桩进行重点保护，特别是抗侧移能力较差的混凝土预应力管桩，更要保护好。具体的保护技术措施如下：（1）标记较大的或者是超高的管桩，高度引起工作人员的注意，在整个开挖过程中道路路面施工尽量避开超高桩。如果管桩的标高大于2m，则需要进行2次截桩，避免挖掘时由于移动土体引起工程桩断裂或者是偏移。（2）基坑的边坡坡度一般控制在小于1/2，如果淤泥土质，则必须控制在1/3以内。（3）避免挖机的铲头与超高工程桩碰撞，首先在靠近机械的一侧进行开挖，然后再挖掘其他三方的土方。（4）挖土机需要旋转180°后把挖土装载到自卸汽车上，这样就必须防止边坡受到过大的压力。（5）如果天气情况糟糕，尽量不要进行施工，仅为雨水会将土层软化，导致边坡发生塌方或者是位移。（6）运土坡道的角度一般保证小于15°，采用建筑垃圾或者塘渣进行铺垫，加大坡道与机械的摩擦力。（7）土方开挖24h之内必须对基地垫层进行砌筑和浇筑，保证维护桩墙的稳定性。（8）严禁撑底超挖，如果支撑下部的空间很小，还要用机械进行挖掘，必然导致超挖现象。基坑挖掘到底板垫层时，立刻用混凝土进行浇捣，接着切割承台地梁位置的垫层，用人工进行开挖地梁和承台的土方。（9）当基坑的落差比较大时，需要使用长臂反铲机挖土，机械需要站在较远一点的位置，离开松木排桩或搅拌桩挡墙。

3.4 人工修土方式

在机械开挖土方之后，仍然需要人工对土方进行清理，因此必须保证足够的劳动力，边运土边清理，清理出来的土方用机械运走，保证土方开挖和基坑支护形成连续的作业，尽量减小坑底的暴露时间。

4 桩身偏位及修正措施

4.1 桩身偏位的原因

在挖土施工过程中若组织不当则可能会产生管桩偏位，如未按照分层分块开挖，其中的主要原因有以下几点。

（1）超静孔压未及时消散。在东南沿海地区，软弱土层多数是饱和的淤泥土或淤泥质土，其渗透性能较差。在管桩沉桩施工时，桩身会发生挤土效应，地基土也会随之发生位移，造成土体内超静孔压较高。若所造成的超静孔压未在基坑土方工程施工之前消散，而土方开挖时造成部分土体卸载，而地基土原本达到平衡状态的应力出现失稳现象，进一步造成土体位移、坑壁失稳、坑底隆起等工程事故，也可能会使得已经打入土体的管桩发生桩身偏斜甚至断桩。

（2）在基坑土方开挖时，应当按照“分层开挖，先支护后开挖”进行，如果未遵循该原则，则部分流动性较强的软弱土在开挖之后，未开挖的土体在自重应力的作用下，会造成深层土体发生位移，而造成管桩偏位。

（3）管桩桩顶的持力层往往并不是水平分布的，而是高低起伏状态，在管桩嵌入持力层后，其桩顶的标高通常会高于管桩的设计标高。如果在这种情况下，挖土机在挖土过程中由于视线限制或操作不规范，可能会造成挖土铲与桩顶发生一定的磕碰，造成管桩的桩身偏位。

4.2 在竖向荷载作用下偏位桩的受力

如图2所示，作用于偏斜桩在竖向荷载作用时，可以将竖向作用力P分解为垂直和平行于桩轴线两个方向的分量Px和Py。

对于桩身偏斜的桩体来说，其单桩承载力Qu同样是极限侧摩阻力Qsu与极限端部承载力Qpu两者的叠加，如果忽略Qsu与Qpu之间的相互影响，则有Qu=Qsu+Qpu。

在进行极限端部承载力Qpu计算时，通常假定地基是若干水平薄层叠加而成，相邻薄层之间不具有相互约束荷载。桩身偏位的桩体与土层之间的作用力不考虑垂直投影面内的影响，而仅仅考虑水平投影面内的相关情况，所以，偏斜角θ会对极限端部承载力Qpu造成影响，随着其不断增大而逐渐变化。

当偏斜角θ为0时，桩身无偏位现象，处于垂直状态，则：

当0<θ<Φ时，则：

式中：

Ap——片伪装的水平投影面积；

qp——桩端单位面积的极限阻力。

当Φ<θ<90°时，极限端部承载力Qpu向Φ 角水平面内投影，则垂直于桩体轴向的投影面内的被动土压力形成极限端部承载力Qpu，即：

式中：

Ap1——水平投影面积；

Ap2——垂直投影面积；

σp——在垂直范围内作用的被动土压力；

γ——被动土的容重；

Kp——被动土压力系数；

z——压力计算点的难度。

从上述计算可知，当θ>0情况下的Qpu比垂直桩的Qpu小，此时偏斜桩的极限端阻力也随之减小。

图1 竖向荷载作用时偏位桩的受力图

图2给出了不同偏位角度的单桩轴力对比情况，从中可以看出：（1）桩身所受的轴向应力均为沿桩轴线方向从下到上逐渐增大，在桩体最下位置上的局部轴力也为大于零的正值，由此说明，桩身偏位的桩体单桩承载力Qu同样是极限侧摩阻力Qsu与极限端部承载力Qpu两者的叠加；（2）在软弱土层内，桩位偏斜的桩体的轴向应力变化较大，桩体下部的侧摩阻力相对较大，而桩体上部的侧摩阻力相对较小；（3）在相同荷载下，偏位角对桩体轴力有较大影响，不同偏斜角度主要是影响桩侧的摩阻力分布。总之，桩身偏位角的增加会导致管桩承载力降低，同时也与上部作用的荷载大小相关。

图2 不同偏位角下单桩受力对比分析

4.3 桩身偏位的修正措施

4.3.1 桩身加固

首先对桩身偏位情况以及桩身完整性进行检测，对出现的偏位甚至断桩的情况，一般采用灌芯补强进行处理，如图3所示。图3中：①螺旋箍与主筋点焊连接；②灌芯混凝土强度等级C35；③型钢长度放置时，应确保裂缝上下2m范围内存在型钢。灌芯前，必须确保桩断裂处桩身无错位情况出现，待灌芯混凝土达到设计强度后，须全部采用低应变法复测桩身完整性。

图3 管桩灌芯加固示意

4.3.2 补桩及承台底板地梁加强

如果局部范围内桩身偏位情况严重，偏斜位移较大，则一般会进行补桩，补桩一般是钻孔灌注桩。如果是多桩承台下部的管桩桩身偏位严重，则可以将单独的承台重新设计为联合承台，具体需要根据上部结构的受力情况来对承台进行计算配筋。同时对于承台上部的地下室底板厚度应当适当增加，可以在承台与下部偏位桩之间增加地梁，地梁的配筋量应根据偏位桩的具体情况适当加大，这样能够很大程度上加强承台与桩体的整体性，建筑物的基础刚度也得以提升。采用上述桩身偏位修正措施，能够很大程度上降低桩身偏位的负面影响。

5 结束语

在东南沿海地区，由于海相、湖相地质广泛分布，地下水补给充足，造成许多施工场地出现大面积、大深度软弱土的情况，而预应力混凝土管桩目前又广泛运用于沿海地区的公用民用建筑工程之中。在实际施工时，混凝土管桩属于挤土桩，其施工特点是工期较短，施工进度快。在管桩迅速打入软弱土体后，土体内的超静孔压未能及时消散，如果在超静孔压消散过程中未能控制好土方的开挖，则容易造成桩身偏位等工程是事故。因此，在进行软弱土地区管桩基础的基坑挖土时应根据软弱土的具体工程性质，全面有效地规划好土方的开挖作业，控制桩身偏位，保证管桩质量。此外，在挖土施工过程中若组织不当则可能会产生管桩偏位甚至断桩等工程病害，应及时采用桩身加固、补桩以及承台底板地梁加强等合理的桩身修正措施。