应力释放孔在静压管桩桩基工程中的应用

郭智鹏（中国安能集团华东投资开发有限公司，上海 200040）

常见的刚性桩基础包括钻孔灌注桩、预应力管桩等，预应力管桩是软土地区常见的桩基形式，常用于天然地基浅基础沉降量较大且要求地基稳定性较高的项目中。尤其在城市的建筑工程项目施工过程中，静压法预应力管桩能较好地满足控制环境污染、降低噪音等文明施工的要求。但城市中新建项目周边有很多现有建筑且距离较近，在施工过程中对周边环境的保护非常重要。在预应力管桩沉桩施工的过程中会对周围土体造成挤压，并引起桩周土体应力状态的改变，应力释放后重新达到新的应力平衡状态。为此，必须对预应力管桩施工过程中对桩周土体的破坏机理进行深入分析，并采取积极有效的应力释放措施使桩周土体短时间内达到平衡状态，避免其应力变化对周围地形地貌地物造成破坏和不利影响。

1 工程背景

上海中泰城市建设发展有限公司开发建设的“中泰广场”项目建筑面积64686.93㎡，本工程基础形式为桩筏基础，桩基设计等级为甲级，抗浮设计等级甲级，地基土层物理力学指标见表1。桩基采用预应力混凝土(PHC)管桩，桩基单桩竖向抗压承载力设计值为1700kN～2400kN，抗压最大承载力加载值为3600kN～4800kN。单桩竖向抗拔承载力设计值为500kN～585kN，抗拔最大承载力加载值为1170kN，采用1台GZY-800静压桩机和1台ZYC-1200B-B1静压桩机施工。

表1 地基土层物理力学指标

静压预制桩施工具有质量稳定、进度快、无泥浆污染、施工噪音低等技术优势，且桩身耗材和单桩造价均不高，但是静压预制管桩桩基施工会对周边建筑物、地下管网、道路等既有结构造成破坏，压桩过程中所产生的挤土效应对周围环境造成的影响始终是工程施工过程中应特别关注的问题，必须采取有效措施减小挤土效应。在类似工程实践中，也逐渐探索出避免静压预制桩挤土效应对周边环境破坏的预防措施，即通过增设应力释放孔将压桩施工过程所产生的孔隙水压力通过应力释放孔得到消散，缓解其对土体的挤压[1]。

2 挤土效应释放相关分析

2.1 破坏机理分析

静压预制桩在压桩施工过程中所产生的应力会破坏周围土体平衡，导致土体发生横向挤压和竖向剪切破坏，至于静压预制桩挤土效应的影响范围主要受到压桩施工距离和速率、桩密度、桩间距、施工顺序、土质、水位埋深等因素的影响。对于不饱和填土层和软土地层，挤压应力主要通过桩周土传递，当挤压应力超出桩周土抗力，便会引发桩周土体出现大范围侧向位移；对于饱和软土地层，压桩施工既会对桩周土产生扰动并引起侧向位移变化，还会因桩周土具有较差的渗透性而在孔隙水压力影响下发生竖向和侧向位移，引发建筑物沉降、开裂，甚至破坏，但这种破坏会随建筑物结构自重及与静压预制桩距离的增大而呈减弱趋势。

由分析可知，土体挤压和超静孔隙水的综合作用导致桩周土发生横侧向位移和隆起，这是引发静压预制桩沉桩区桩周土竖向和径向变形的主要原因。孔隙水压力不断向周围扩散，在群桩叠加及地基土低压缩性等的综合作用下隆起和位移程度及影响范围会进一步加深。地基土的位移是多种因素综合作用的结果，包括本工程在内的桩基工程也只能通过经验对沉桩导致地基土侧向位移、沉降、隆起及影响范围等进行估计。

2.2 挤土量计算

本项目工程桩共计883根，其中PHC-600AB(100)型管桩245根，平均桩长26m，送桩深度9m，共计约8575m。PHC-500AB(100)型管桩638根，平均桩长24m，送桩深度9m，共计约21054m。初步估算挤土量（V）为6555m3。

根据布桩方案及周边类似土质工程经验，沉桩施工时土体进入管内的深度约为6m，因此进入管桩内的土体体积（V1）为455m3。

沉桩施工后，土体上浮按25%计算，则上浮的土方量为：V2=6555×25%=1639m3。

本项目桩基工程临近现有商业综合体建筑及市政道路，桩基施工时土体挤密量按15%计算，则挤密消耗的土方量为：V3=6555×15%=983m3。

综上，本项目桩基工程释放的挤土量为：

2.3 应力释放孔设计

本项目因建筑场地限制，所以施工过程中必然会对周围既有建筑产生扰动和影响，甚至破坏，为有效控制这种不利的影响，应在桩基施工开始前在待保护建筑物一侧增设应力释放孔，以转变应力消散方向，减少静压管桩所产生的挤压应力和孔隙水压力，并加速地基土应力和超孔隙水压力的提前释放。

在静压预制管桩周围设置应力释放孔主要目的在于通过彻底阻断沉桩施工中应力和超静孔隙水压力的传递途径，以调整和转变应力消散走向，并加速应力释放。静压预制管桩插打入土后会造成桩周土压缩以及土体内孔隙水压力升高，并由此打破周围土体内压力的平衡状态，孔隙水压力会通过扩散并向四周土体释放的方式以寻求新的压力平衡状态。这种孔隙水压力的扩散会造成桩周围压力较低土体的位移、隆起和变形以及周围既有建筑物的上浮、沉降、开裂、倾斜等。结合本工程施工组织设计，本工程静压预制管桩施工对桩周土的影响范围为设计桩长的1.3～1.7倍，在桩长1倍范围内影响最为严重[2]。为保证桩周土影响范围内既有结构物的安全与稳定，应采取应力释放孔的做法释放应力，有效缓解静压管桩施工对桩周所施加的挤土效应。由于上部土层主要为压缩性大且渗透系数小黏土层，孔隙水压力消散过程缓慢，挤土效应持续时间较长，为避免静压管桩插打施工所产生的挤土效应加速应力释放孔压缩闭合过程，从而阻隔孔隙水顺利排出，必须在应力释放孔施工完毕后立即将中粗砂回填入孔内，以维持孔形，便于因沉桩产生的桩周土孔隙水压力通过应力释放空中的粗砂消散。

在项目四周距离红线4m处，按照1.2m间距布置2排孔径500mm、孔深15m的应力释放孔，并使其呈梅花形布置，共计608孔，共计取土量（V5）为1790m3。根据类似土质施工经验可知，当应力释放孔取土量达到桩基释放土量的50%时，采取的应力释放措施得当且能满足应力释放的要求[3]。通过以上估算，桩基施工释放的挤土量（V4）为3478m3，应力释放孔取土量（V5）为1790m3，V5/V4=51%，故可初步判断本项目采取的应力释放方案得当。

同时，在两排应力释放孔的上方开挖宽2m、深2.5m的应力释放沟，以避免因浅层土体发生侧向位移而导致周围浅埋式建筑差异变位。在设置应力释放孔措施之外，还应采用控制工程桩沉桩数量的辅助性措施使周围土体内应力逐步释放。根据相关统计，施工过程中所导致土体位移的增加量会在夜间停工过程中释放25%[4]左右，因此要避免全天不停沉桩施工。

3 应力释放孔施工

3.1 沉桩及设置应力释放孔

因本项目东侧距离现有商业综合体建筑地下室较近，故静压桩施工顺序由东北方向向西南方向推进，并采取调打施工，严格控制沉桩速度，平均每天沉桩18根，并确保每天桩基施工间歇8h。

应力释放孔通过直线拉距方式定位后，测量员进行其中轴线测放，再由施工人员严格按照施工图孔位间距定出孔位。本工程采用长螺旋钻头回转成孔施工工艺，由螺旋式刀片旋切土体，并顺刀片将土体螺旋挤出，待开挖成孔至设计深度后提钻出剩余土，将四周绑扎好毛竹片的钢筋笼安放在应力释放孔孔内，以避免土体进入影响孔隙水压力释放。通过人工方式在钻孔内回填黄砂至地面高度，并将钻机移动至下一孔位继续开孔。在钻孔过程中应加强定位放线、成孔、填砂等环节的质量控制。在钻孔前应量取钻具长度和钻头直径，符合设计要求后将桩机就位，并缓慢匀速下沉钻头开挖。

为保证所设置的应力释放孔效果的充分发挥，应当改进和优化打桩次序。先压入桩的周围土体发生固结后会增加土体和桩周土之间的摩阻力，从而起到抑制后压入桩土体隆起的作用。也就是说，土体的隆起通常发生于压桩推进方向，所以，打桩时应向背离既有建筑物的方向施打，先压长桩，后压短桩，并降低压桩施工速度，以便压桩过程所产生的挤压应力和超静孔隙水压力能得到充分消散。

3.2 变形监测

在沉桩施工过程中还应在应力影响范围内设置监测点，进行各测点水平位移增量及竖向位移增量等的定期监测，并根据所取得的数据绘制监测时间、位移变动量等曲线，结合监测及分析结果进行应力释放孔的增加及施工方案的调整，以保证静压灌装桩基施工过程中应力释放孔作用的有效发挥。

本工程静压桩施工过程中监测单位进行周围建筑物裂缝、变形、沉降等的跟踪监测，根据监测结果，本工程预制沉桩施工期间四周建筑物垂直变形累计最大值仅为9.2mm，比设计及监测方案所规定的±20mm的预警值小，且在建筑物外墙等处均未发现墙皮脱落、既有裂缝增大、沉陷、变形等状况。充分表明，本工程静压预制管桩应力释放孔设置科学合理，并对静压预制管桩施工所造成的挤土效应释放效果良好。

4 结语

本工程设计及施工结果表明，静压法预制高强度预应力混凝土管桩沉降施工无泥浆污染，且施工噪音较小，满足环境保护和文明施工等方面的要求，且混凝土管桩均工厂化预制，管桩质量有保证，管桩单位承载力造价在各种桩型中也较低，经济效益优于其余桩型；沉桩施工后也无混凝土养护方面的要求，可立即进行上部结构施工，并能直观地实现对压桩系数和压桩力等参数的控制及对单桩竖向承载力的判断，施工质量有保障。但是在静压法预制混凝土管桩沉桩施工过程中会对桩周土产生挤压效应，并对周围建筑物和既有管线造成不利影响。实践证明，应力释放孔是解决软土地基静压法预制管桩桩基沉桩施工所产生挤土效应破坏程度的有效措施，为保证施工方案的切实可行及施工效果，必须在施工前经过周密的方案设计、论证及可行性分析，并在压桩及应力释放孔钻孔过程中严格按照设计方案执行。实践证明，应力释放孔缓解静压桩挤土效应的效果主要受设计孔深、孔距、孔径等因素的影响，通过加强对上述参数取值的合理控制，以保证取得最佳的施工效果。