木桩上浮现象的分析及处理方法探讨

穆方方

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市 200061；2.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海市 200061）

0 引 言

随着生态文明整治力度的不断加大，在水利工程整治中更加注重体现生态性。上海地区位于华东滨海平原，水网纵横，加之城市化程度高，群众对生态环境改善、生态体验需求强烈，在水利工程整治中也更加注重生态护岸的应用[1]。特别是近年来开展的生态清洁小流域综合整治，使河道整治趋于小型化。

木桩护岸生态性强、施工便利，已广泛应用于上海地区中小河道整治中。木桩属挤压桩范畴。本文根据上海地区某中小河道的木桩护岸结构在施工过程中因挤土效应而出现的不同程度上浮、桩端倾斜现象，通过分析木桩上浮效应机理，提出了防止木桩上浮的控制方法，以期为类似木桩护岸设计、施工及采取防治措施提供参考。

1 工程概况

1.1 项目简介

F 河道位于上海市中西部地区，为城郊中小河道。为改善区域水环境、提升水质，对该河道进行整治。根据设计方案，河道总长约1.1 km，设计河口宽度20 m，河底宽度6 m，河底高程0.5 m，河顶高程4.5 m，驳岸采用密排木桩护岸结构。

1.2 地质情况

该工程位于湖沼平原Ⅰ1 区与滨海平原区交界处，根据勘探孔地层情况判定场地地貌类型属滨海平原。岸坡范围自上而下主要地层为：①层素填土，土质松散不均，以黏性土为主，含碎砖、石子等建筑垃圾；②层粉质黏土，松散- 稍密，含云母，夹有机质、黏性土，韧性及干强度低，摇振反应慢，土质欠均匀；③层淤泥质粉质黏土，流塑，含云母及有机质，韧性及干强度中等，稍有光泽，层顶夹粉性土较多，土质欠均匀，分布较厚；⑤层黏土，软塑，含有机质，韧性及干强度高，有光泽，偶夹泥钙质结核，局部为粉质黏土，土质尚均匀。

土层主要物理力学性质参数见表1。

表1 土层主要物理力学性质参数表

1.3 主要护岸结构及木桩规格

该工程采用密排圆木桩结构，桩基采用φ160 mm圆木桩密排，桩长6 m，桩后铺设250 g/m2土工布一层以确保整个结构的反滤效果。桩顶高程3.0 m 至堤顶高程4.5 m 采用1∶2.0 草皮护坡，其上覆盖草皮绿化间种灌木丛，岸顶陆域控制范围为6.0 m，坡肩设栏杆，布置堤顶绿化。桩前设宽0.7 m 种植平台，平台顶高程2.0 m，2.0 m 高程至河底高程0.50 m 采用边坡坡度1∶2.0 自然土坡。

护岸断面型式见图1。

图1 护岸断面结构图（单位：mm）

根据地质分布，该断面密排木桩均位于③1-1灰色淤泥质粉质黏土土层。

1.4 施工工艺及现场上浮情况

该工程桩基长度较短，稍径直径较小，周边进场道路狭窄，为方便施工，采用小型柴油桩锤顺序施打。根据施工单位现场介绍，木桩施打完毕后部分木桩出现不同程度的上浮情况。距初步统计，施打后6 h部分木桩最大上浮约15 cm，施打后12 h 木桩再次上浮2～5 cm，施打24 h 后木桩上浮基本停止。

施工单位选定5 处监测点来监测木桩上浮情况。木桩上浮情况统计表见表2。

表2 木桩上浮情况统计表

2 木桩上浮原因分析

本地区为软土地基，该工程为木桩挡土的生态型护岸，木桩仅做侧向挡土，无上部其他荷载作用。考虑木桩密度小于水的密度，贯入土体后的木桩主要依靠桩身侧向摩阻来抵抗木桩所受向上的浮力。因木桩属挤压桩，当木桩稍径较小、有效贯入长度不足时，桩身侧向摩阻力较小，桩顶无阻力荷载，一旦所受上抬压力大于桩身侧向摩阻力，则发生桩体上浮现象。

研究沉桩对周边土体挤土效应的常用方法为圆孔扩张理论（CEM）[2]。该理论基于如下假设：首先，土体为土质均匀、各方向土层性质相同的理想弹塑性介质；其次，基础土体为不可压缩饱和状态土体；再次，基础土体应满足Mohr-Coulomb 屈服强度准则；最后，当沉桩深入引起桩孔扩张时，土体有效应力各向相同。沉桩深入引起土体内压p 增大，进而造成桩周区域土体由弹性向塑性转变，范围随之扩张。

对于桩柱形孔扩张的平面应变轴对称问题，在极坐标下，其平衡微分方程为：

式中：σr为径向应力；σθ为切向应力；r 为计算半径。

塑性边界满足Mohr-Coulomb 屈服强度准则：

边界条件为：

式中：Cμ为内聚力；Rμ为弹性边界半径；pμ为弹性边界压强。

根据土体总体积不变的假定，可由上述微分方程求出σθ、σr。

采用亨克尔孔压方程，可求出沉桩瞬间造成的超静孔隙水应力Δμ：

式中：β 为有效应力系数；α 为剪应力系数；σ0为有效应力；τ0为剪应力。

挤土桩在沉桩过程中会使桩四周的土体结构受到挤压扰动，改变原土体的应力平衡状态而产生挤土效应，即由于桩身自身的体积“占用”了土体原有的空间，使桩周土向四周挤压开来。根据土层深度不同，挤土效应发生在浅层土体时，常常表现为周边土体竖向隆起；挤土效应发生在深层土体时，常常表现为周边土体横向挤压变形[3]。

此外，木桩周边及桩端所在土层的含水率对木桩位移影响较大。若桩周边土层为非饱和土层时，土体受到挤压从而使周边土体体积收缩，该体积收缩量能快速有效消散挤压应力；若桩周边土层为饱和软土时，桩基深入造成周边土体受压，而周边土体不收缩或收缩量有限，则该挤压应力主要通过土体位移来实现消减，最明显的表现为周边桩身倾斜及相邻浅桩上浮[4]。

该工程场地桩基所在土层普遍有较厚淤泥，密排木桩为顺序施工，木桩入土时引起淤泥和淤泥质土中的孔隙水压力过大，形成超静孔隙水压力。由于淤泥质土层透水性弱，该超静孔隙水压力消散缓慢，遂对邻桩造成上抬压力。

3 改进措施

结合上述木桩上浮原因分析，考虑河道工程场地受限及有利现场施工等因素，本工程通过优化设计和改进施工工艺，有效改善了该工程其他河段的木桩上浮情况。

3.1 设计方面

3.1.1 降低超静孔隙水压力

在沉桩前一段时间设置塑料排水板或袋装砂井；在沉桩结束后一段时间继续保持排水板等排水功能，以达到消除或降低超静孔隙水压力，同时加快土体固结的效果[5]。建议在密排木桩后方1～1.5 m 范围内，间隔2 m 距离插入1 根与木桩等长度的排水板，确有必要时可配合进行井点降水。

3.1.2 采用围檩绑扎

在木桩临土侧桩顶以下约0.5 m 范围设置围檩，围檩长度约5 m；围檩与密排木桩逐根绑扎，以便增加密排木桩整体性，均衡分担竖向力，从而有效降低木桩整体上抬幅度。

3.2 施工方面

3.2.1 跳桩施打

常规密排木桩挡土护岸，为了保持木桩岸线顺直和施工便利，往往采用顺序施打工艺。在木桩顺序施打过程中，常见临近木桩发生前后挤压移位现象，且该位移随着施打深入逐渐加大。考虑到挤压应力消散需空间和时间，本工程建议施工单位采用跳桩施打工艺，具体为间隔2 根桩施打1 根，如此往复直至木桩密排实施完成。

3.2.2 控制沉桩速度

控制沉桩速度是为了防止孔隙水压力瞬间高涨，因为挤压应力消散需要时间周期。根据相关研究[6]，当桩径向距离小于1.5 m 时，沉桩速度大的超静孔隙水压力比沉桩速度慢的大。沉桩过程中，施工单位不得为提高施工进度人为加大沉桩锤击力度。应保证木桩平稳、适度沉入，现场做好沉桩锤击记录，确保单根木桩锤击数为合理范围。常规河道挡土木桩长度较短，结合类似工程经验及参照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）对预制桩沉桩的要求，本工程确定木桩沉桩速度不得大于1 m/min。

3.2.3 预压堆载

所在河段密排木桩施打完毕后，可及时采用袋装土在木桩顶端预压堆载，与桩侧摩阻力共同抵消桩底向上的竖向力。现无有效简便公式来简化计算由挤土效应引起的竖向力，需根据试验确定。本工程结合工程经验，由地勘报告中提供的桩端所在土层桩端端阻力来近似替代挤土效应下木桩向上的竖向合力。

桩顶预压荷载建议不小于木桩桩端阻力的1.0倍。本工程木桩端头直径20 cm，稍径15 cm，每延米范围内约5 根木桩，则稍径面积合计约0.088 m2。结合地勘报告中持力层桩端阻力特征值fp为75 kPa，估算出每延米桩顶预压荷载约6.6 kN。采用该方法，可在一定程度上改善沉桩缓慢上浮情况。

3.2.4 重复施打

待木桩顶预压堆载不少于24 h 后，根据现场复核测量结果，对部分木桩上浮超过设计要求的进行重复施打，直至桩顶高程满足设计要求。不得采用人为锯桩、减短木桩长度的方式来满足桩顶高程要求。

根据施工单位反馈及现场查看，在相邻河道岸段，经方案优化后，按照上述改进措施施打24 h 后，桩顶最大位移小于15 mm，木桩上浮控制效果较理想。

4 结 语

上海地区为河口冲积平原，属软土地基，近些年水利工程采用的生态密排木桩挡土结构，因桩长普遍较短，加之该地区淤泥土分布较厚，木桩施打存在一定的上浮、倾斜情况。

通过分析因木桩挤土效应和超静孔隙水压力造成的木桩上浮原因，本文从设计、施工两方面提出了改进措施。在设计方面，提出了采用排水板和围檩绑扎这2 种措施；在施工方面，提出了跳桩施打、控制沉桩速度、预压堆载、重复施打等措施。根据现场实际情况，这些措施在解决木桩上浮问题上效果显著，可为类似水利工程提供参考。