预制沉桩穿透滨海粉砂地层施工措施

史怀月，杜梓鹏，张宁

（1.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海 200032；2.上海基础设施建设发展（集团）有限公司，上海 200032；3.浙江天平投资咨询有限公司，浙江 宁波 315000）

1 引言

管桩沉桩过程中高强度的振动将不可避免地扰动附近土体，引起土体挤压侧移和地下水位变化，将发生土体应力重分布，如果地层含水率高，在沉桩深度方向就会存在压力差的特点进而形成超孔隙水压力，这就导致管桩在沉桩作业剪切穿透地层时，在水压作用下牢牢包裹桩身，即发生工程常称的“剪胀”现象，阻碍孔隙水沿桩身上升，影响孔隙水压力释放，形成巨大的超孔隙水压力[1]。剪胀产生后会在桩尖下方形成浮力层，桩尖越深浮力越大，达到锤击动能极限时表现为地面的管桩锤击后弹起。如果反复击打次数过多，管桩容易发生碎裂。所以，针对管桩沉桩过程中超孔隙水压力具有很大研究意义。

国内外学者也针对不同地质条件对PHC 预制管桩施工进行了研究，为实际工程施工提供了大量的技术指导。其中，BANG[2]通过预应力混凝土管桩承载力和弯剪试验对不同地质条件下的管桩进行研究，结果表明土体承载力显著提高。宋杰[3]将PHC 混凝土管桩结合钢桩靴的应用扩展了沉桩的应用范围。陈春雷[4]、赵升峰[5]等结合国内某砂质地层具体工程，进行了单桩竖向承载力静载试验，得出了砂性土沉桩承载力计算公式，并对沉桩过程中出现断桩的现象进行针对性推断，推出来桩尖阻比范围，为施工提供了技术参考。国内很多学者[6-8]针对不同地质条件下沉桩技术的施工展开了试验研究，弥补了国内复杂地质沉管技术施工的空白，也针对性地解决了施工过程中一些施工难点。迄今为止，国内很多研究人员[9-10]针对不同地质条件、施工工艺等对PHC 混凝土管桩的承载力、强度、刚度进行了试验研究，为以后的工程施工提供了很大的参考价值，也为以后研究者们提供了研究方向。

本文依托余姚市大面积厂房软基管桩沉管施工工程，解决管桩在沉桩作业剪切穿透地层时，形成巨大超孔隙水压力的问题，为以后工程施工提供参考。

2 工程概况

本工程位于余姚市小曹娥镇滨海工业区，为微电子集成电路IC 封装测试项目新建厂房。项目总用地面积92 428.4 m2，总建筑面积359 928.62 m2，地下总建筑面积14 983.14 m2。拟建物为框架结构，拟采用桩基础，单柱最大荷载预估为5 000 kN，基础埋深约1.0 m。地基变形允许值为0.002 L（L 为相邻柱基的中心距，单位为m）。目前，正在施工的3 号、4 号、8号单体的直径600 mm 的PHC 管桩设计桩长46～50 m。桩基数量将近3 000 根。典型地层断面物理参数如表1 所示。

表1 土层物理力学性质指标表

PHC 管桩沉桩施工基本以锤击法为主，打桩顺序按照对称、分块、中间向四周的原则采取S 形路线打桩。为减少打桩挤土对周边环境造成影响，沿单体建筑四周布置了防挤沟、应力释放孔，同时在3 号厂房四周布置土体位移监测点、地下水压力监测点。具体检测点布置位置如图1 所示。

图1 监测点布置

经过统计，截至5 月29 日，在3 号、4 号、8 号单体已完成沉桩的2021 根桩基中，共有38 根PHC 管桩发生打桩过程桩头破碎或打不下去的情况，占比1.88%。

3 监测数据

3 号厂房桩基施工期间的监测委托第三方监测公司实施，每日提供一份监测报告，5 月28 日的监测报告如表2 和表3所示。

表2 周边地表竖向位移原始值记录表

表3 孔隙水压力原始值记录表

4 问题分析

4.1 施工方法、施工机械分析

1）本工程桩基施工前，项目部会同勘察、设计、监理、全过程、项管等单位组织实施了设计试桩、工程试桩，根据试桩得到数据制订了桩基施工专项方案，并通过公司审批和监理审批，对桩基作业班组进行了安全技术交底。

2）考虑到3-1b“铁板砂层”难以穿透的特点，余姚滨海地区打桩遵循重锤轻击的原则，选用重型桩锤，克服3-1b“铁板砂层”。从破碎桩基进入的地层数据看，大部分并未发生在3-1b“铁板砂层”，这说明了该方法的有效性。

4.2 桩材分析

1）本工程目前所用管桩由第三方供应商提供，3 家单位都具有合法经营资格，能够提供产品合格证。管桩规格符合图纸要求。

2）4 号厂房深基坑采用的其中一家制造商管桩发生较多打桩破碎问题后，公司工程部对其进行了混凝土现场回弹检测、钢筋直径检测，均未发现超出规范要求。

3）针对4 号厂房深基坑部位有较多管桩打碎的情况，于5月29 日在该区域打了其他两家的2 根管桩，结果都发生破碎。因此，排除管桩质量不好引起破碎的可能性，应为地质原因。该区域破碎管桩共23 根，占全部的60%。

4）目前，发生破碎的管桩的分布情况：从平面上看大部分集中于几块区域，从地层角度观察大部分位于桩尖进入3-2层，分析的重点应放在地质方面。

4.3 地质分析

该地层平均含水率高，且标准差大，最大值高达52.8%。观察本工程5 月21 日—5 月25 日，位于3-2 层的20 m 和26 m深度水压监测数据如表4 和表5 所示。

表4 20 m深度水压kPa

表5 26 m深度水压kPa

可以观测到SYL4 号监测点的水头压力差在20～26 m，最高达194 kPa，而且26 m 深度的水压在5 d 内从290 kPa 增加到326 kPa，增幅达12.4%，这与3 号厂房该时间段沉桩施工不断逼近SYL4 号监测点的趋势一致。而3 号厂房内部的3-2 层孔隙水压力无法释放，会远超监测数据。

由于3-2 层具有含水率高、超孔隙水压力随着沉桩施工快速增长、深度方向存在压力差的特点，管桩在沉桩作业剪切穿透“铁板砂层”时，“铁板砂层”底层的砂土和3-2 黏土在水压作用下牢牢包裹桩身，阻碍孔隙水沿桩身上升，影响孔隙水压力释放。巨大超孔隙水压力，在桩尖下方形成浮力层，桩尖越深浮力越大，达到锤击动能极限时表现为地面的管桩锤击后弹起。如果反复击打次数过多，管桩容易发生碎裂。

由于本工程厂房楼面设计荷载很大，管桩穿越的土层中有多层软弱层，侧阻力较小，桩长受到4-3 砂质粉土层的限制。因此，本工程桩基布置十分密集，进一步加剧了3-2 层超孔隙水压力的增长。根据2017 甬SS-01《宁波市建筑桩基设计与施工技术细则》（见表6），本工程最小桩间距应为4d（d 为桩身设计直径），即2.4 m。而部分群桩承台、深基坑基础的桩间距已达极限具体如图2 和图3 所示。

图2 深基坑基础桩布置

图3 桩承台桩基布置

表6 桩的最小中心距

在短时间内大量密集沉桩、3-2 层超孔隙水压力迅速增长的前提下，水压的自然消散需要较长时间。2-2 粉质黏土、3-1a黏质粉土、3-2 淤泥质粉质黏土的渗透系数都比较小，透水性很差。

4.4 分析总结

通过以上分析，沉桩施工目前遇到困难的根本原因是3-2淤泥质粉质黏土层因大量管桩短时间内密集刺入产生的超孔隙水压力无法有效释放，增加了沉桩阻力。沉桩质量关系到结构安全，应做到“对症下药”，从根本上解决这一问题。

5 应对措施

为保证沉桩顺利进行，要对3-2 超孔隙水压力过大的问题“治本”。因此，制定如下技术路线。

1）优化应力释放措施，应力释放孔穿透“铁板砂层”，进入3-2 地层释放超孔隙水压力。

2）长螺旋引孔施工，采用挖机配合土方运输车，在承台位置填筑1 m 厚塘渣并压实，并1∶2 放坡，以保证桩机安全。根据该工程的地质情况选用2 台长螺旋钻机，根据规范预钻孔孔径可比桩径小50～100 mm，本工程需引孔桩的桩径为600 mm，故引孔机配φ500 mm 的钻杆。

本工程桩有效桩长为46～50 m，根据现场地质及试桩情况，预钻孔深度取20 m，钻孔前对桩位拉十字线做保护桩，钻孔结束之后，将土回填到所引孔内，挖机平整，进行二次定位，再在原先钻好的孔位置进行沉桩施工，将收集到的监测数据与之前进行对比，如表7 和表8 所示。

表7 改造前后周边地表竖向位移对比表

表8 改前后孔隙水压力对表

通过表7、表8 数据对比可知，长螺旋引孔可明显减小桩基施工过程中引起的周边位移并释放大量地下土应力。因此，此方法可行。

6 结论

针对上覆砂层下部为含水量较高的淤泥质粉质黏土地层采用预钻孔沉桩法通过数据对比发现：明显改善挤土效应，地基明显改善，地基土位移可减小30%～50%，超孔隙水压力值可减小40%～50%，并可减少对已沉入桩的挤推和上浮，通过长螺旋钻机引孔也有利于减少桩机噪声对周围环境的影响。