预制桩沉桩对周边环境影响及防治措施研究现状*

陈 赟, 沈丹祎, 姜叶翔, 羊逸君, 罗敏敏, 胡 琦

(1 浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大学平衡建筑研究中心，杭州 310028；3 杭州市地铁集团有限责任公司，杭州 310018；4 东通岩土科技股份有限公司，杭州 310020)

0 引言

城市化推进导致城市土地资源日趋紧缺,预制桩以施工工效高,可改善地基土性能,提高地基承载力等优势,已经成为工业与民用建筑广泛采用的地基处理方式［1］。预制桩在沉桩过程中需要置换土体,在此过程中会产生侧向挤压,对周边环境产生重大影响。例如,南京金陵饭店预制桩施工,引起场地隆起量达44cm,桩顶水平位移达26.5cm,产生了巨大不良影响［2］。因此,掌握预制桩成桩挤土效应影响因素,厘清其对周边环境的影响,进而提出有效防治措施,对保护邻近既有建(构)筑物安全具有重要的意义。

国内外学者基于试验研究、理论分析、数值模拟等方法对预制桩成桩过程中的挤土效应及其对周围环境的影响开展了大量研究［3-4］。但已有研究大多是基于具体工程案例进行探讨,尚缺少成桩挤土效应对不同类型周边环境的影响及防治措施的系统总结分析。基于此,本文系统梳理预制桩沉桩施工影响因素,挤土效应对建筑、地铁、市政设施、地下管线的影响规律,以及设计、施工、监测的保护措施等方面的相关研究成果,以期为预制桩现场沉桩施工提供一定参考依据。

1 挤土效应影响因素及规律

预制桩沉桩施工会使桩周土体结构受到扰动,当压力超过土体抗剪强度时,会因为发生剧烈变形而破坏。挤土效应造成的影响主要包括以下4个方面［5］：

(1)桩周土体位移。桩周土体随桩产生同向位移,并向外扩展排挤周边土体,周边土体受向上作用力,导致土体产生垂直隆起和水平侧向位移。

(2)桩周土体抗剪切强度。桩周土体发生扰动,导致土体结构改变,抗剪强度下降,沉桩后由于土体固结效应,土体抗剪强度部分恢复。

(3)桩承载力。不同类型预制桩在打桩完成后,随着时间增加,桩基承载力会逐步提高［6］。

(4)孔压分布变化。土中孔压逐渐增大,但受到“水裂”作用,孔压达到一定值后趋于稳定;施工结束后,孔压随之进入消散阶段［7］。

挤土效应的影响因素主要包括土质、桩参数、布桩规模及方式3个方面:

(1)土质。沉桩在不同土体类型中的影响具有很大差异。通常,从松散到中密砂(粉)土中沉桩会引起土体挤密;在密实砂土中沉桩可能导致砂土液化;在结构性软黏土中沉桩会引起土体强度损失［8-9］。此外,在层状土中沉桩会导致软硬土层交界处位移突变,即交界层处软土径向位移增加、硬土层位移受到牵连［10］。

(2)桩参数。随着打桩入土深度增加,土体水平位移增加;随着距离桩水平距离的增大,土体水平位移呈指数形式衰减［11］。H型钢桩压入硬土时排土量为100%,压入黏土中排土量为50%;而钢筋混凝土预制桩压入黏土时排土量仅为30%［12］。

(3)布桩规模及方式。表层中心土体受到四周群桩共同挤压作用隆起量较大;土体隆起量随着径向距离的增加而逐渐减小。此外,间隔跳打桩时,既有桩基础变形小于一次沉桩变形［11］。

此外,根据已有经验,在预制桩沉桩施工后,淤泥质黏土的强度和压缩模量通常会因结构扰动降低,并在施工间歇期得到部分恢复,但大多无法达到原状土强度;粉质黏土的强度和压缩模量一般变化较小;而粉土和砂性土的强度和压缩模量则因挤密效应而增大。

2 沉桩挤土对周边环境的影响

预制桩沉桩挤土效应对周围环境的影响机理复杂,本节分别从沉桩挤土施工对建筑物、隧道、市政设施和地下管线的影响4个方面进行论述。

2.1 沉桩挤土对建筑物的影响

沉桩施工可能会对建筑红线邻近的建筑物产生影响,如导致墙面开裂、结构变形等事故［13］。已有研究表明,沉桩施工对邻近建筑物的影响主要受到其与沉桩点距离、桩相对位置及沉桩速率的影响。

在建筑物与沉桩点距离影响方面,陈挺杉［14］基于工程实例发现,某道路静压桩施工中,附近建筑物产生细微裂缝并逐步发展开裂,压桩部位观测点沉降量增大;压桩结束后,各点沉降量及沉降速率呈总体减小趋势,房屋整体沉降发生收敛。王敏和虞青［15］介绍了沉桩施工造成距离施工现场12.6m的附近车间墙体大面积开裂,车间地面大幅度隆起事故,并通过实例分析了事故发生原因及问题解决过程,总结了经验教训。别小勇等［16］基于某软土基坑预制桩施工全过程监测,提出周边建筑物在预制桩连续压入过程中会同时产生水平和竖向位移,且竖向位移幅度大于水平位移。此外,靠近基坑中部位置位移量大于基坑两端,距离基坑越近,竖向及水平位移量越大。张雪婵等［17］对嘉兴市某PHC管桩施工对建筑物影响的进行了分析,发现压桩会造成周围浅层土体隆起,土体隆起主要发生在桩间土和桩周,进而影响邻近建筑物安全。

在建筑物与桩相对位置影响方面,林金错［18］基于某建筑工程静压桩沉桩施工监测研究,提出距边桩1.0～1.5倍桩长范围内建筑物容易受影响。郭坚波［19］基于某配套用房二期工程,研究发现静压桩挤土效应会导致土体垂直和水平位移增加,引起邻近建筑物开裂和导致桩出现浮升、偏移和扰动,降低静压桩承载力。李文洁［20］研究认为成桩产生的振动会向外发生扩散,引起一定影响范围内的建筑物发生破坏。

在沉桩速率影响方面,林金错［18］提出沉桩速率为6根/d时,沉桩对邻近建筑物的影响较小,但当沉桩速率在20～30根/d时,邻近建筑物极易发生损坏。此外,当邻近建筑物受损时,应暂停沉桩1～2d,并将沉桩数控制在4根/d以下。俞自立［21］基于上海某工程混凝土预制桩沉桩施工,研究发现将压桩速率控制在0.5～0.8m/min,每日沉桩数量不得超过8根,可以最大程度地控制沉桩挤土效应。

总体而言,沉桩施工对邻近建筑物的影响受到多方面因素的共同作用,通常随着与沉桩点距离的增加,对邻近建筑物的影响降低;沉桩速率越快,邻近建筑物受损越严重。目前研究结论大多基于具体的工程经验得到,对于沉桩参数(距离、相对位置、沉桩速率等)与建筑物受影响程度的定量规律方面的结论较为缺乏。在后续研究中可以通过现场监测结合数值模拟的手段,系统开展不同沉桩参数、岩土体参数及建筑物参数下沉桩施工对建筑物的影响研究,并提出邻近建筑物沉桩施工流程建议。

2.2 沉桩挤土对隧道的影响

沉桩挤土对邻近隧道的影响主要包括引起地下隧道的变形、位移和附加弯矩等。已有较多学者从与沉桩点距离、桩长、沉桩速率和桩数量影响等方面开展了大量研究。

在隧道与沉桩点距离影响方面,陈军［22］利用FLAC 3D有限元软件,结合圆孔扩张模拟方法,建立了三维桩-土-隧道模型,研究发现沉桩挤土引起的附加内力随着隧道与桩距离增加呈指数衰减;当桩与隧道净距大于40m时,其挤土效应产生的附加内力大约衰减到原内力值的10%。丁智和张霄［23］利用PLAXIS软件重点分析了单桩沉桩过程对既有隧道变形的影响规律,并考虑了桩-隧道位置关系、隧道埋深、桩与隧道间距、桩径等因素;发现桩侧施工易引起隧道变形,变形随桩与隧道净距增加而发生衰减;并提出,根据施工引起隧道变形,可以划分强、一般和弱三类影响区域。

在桩长影响方面,靳军伟等［24］研究发现,隧道竖向位移会随着桩长增大先增大后逐渐趋于稳定。秦世伟等［25］基于FLAC 3D有限元软件,考虑了桩土间摩擦作用,结合圆孔扩张和位移贯入两种方法,分析了单桩静压沉桩过程对邻近既有隧道结构变形分布规律的影响;发现隧道结构位移随着沉桩深度的增大而逐渐增大,且隧道结构位移以水平方向位移为主。

在沉桩速率方面,张一弛［26］基于徐州中山国际项目,研究发现单桩沉桩挤土使隧道整体处于受压状态,造成隧道变形后形状呈“竖鸭蛋”状;同时,当沉桩速度低于0.1m/s时,隧道最大位移值基本保持不变,当沉桩速度超过0.1m/s时,隧道最大位移值随着沉桩速率增大而增大;微群桩沉桩引起隧道位移值远大于单桩作用结果,迎着隧道沉桩对隧道影响最大,远离隧道沉桩对隧道影响最小。

在桩数量影响方面,贺雷等［27］基于圆柱孔扩张理论及基床系数法,分析了软土区域预制桩沉桩对邻近隧道的影响;发现隧道位移随桩数量增加不断增大,首排桩对隧道影响是最大的,多排桩施工引起的隧道位移为单排桩的1.5倍。但张澄［28］研究认为,在群桩施工过程中,隧道受到的挤土影响随着桩数量的增加而增大,一旦发生过大的水平位移会直接导致既有隧道发生变形破坏。

总而言之,沉桩施工对邻近隧道的影响随着与桩身距离的增加逐渐减小;隧道竖向位移随着桩长的增大先增大后趋于稳定,且最大位移值随着沉桩速度的增大而增大。但是现有研究关于群桩施工对隧道位移影响的结论尚未统一,且缺乏沉桩挤土效应对隧道影响的定量评价方法。随着群桩工程日趋增多,后续研究可以通过室内模型试验和数值模拟相结合的方法,重点关注群桩位置、数量、沉桩速率等对隧道变形的影响,并结合风险管控理论,提出降低隧道变形的群桩施工方法。

2.3 沉桩挤土对市政设施的影响

现有沉桩施工对市政设施影响的研究主要针对邻近道路路基和桥梁,且总体研究较少。

在沉桩挤土对路基影响方面,杨明虎［29］基于金温扩能改造工程,研究发现既有铁路线路基水平位移、竖向位移及水平应力随着压桩数量的增加而增大,随着距压桩区域距离的增加而减小,且变形以压桩区域中线为轴,接近对称分布。吴春武［30］建立了3×3群桩结构物理模型,研究了群桩沉桩过程对高速铁路路基的影响,提出静压桩施工会导致邻近高速铁路路基产生挤土位移和挤土应力;挤土位移和挤土应力会随着压桩数量的增加而增大,随着距压桩区域距离的增大而减小,但变化速率会随着压桩排数的增多而减小。

在沉桩挤土对桥梁影响方面,杨明虎［29］提出不同压桩顺序对既有铁路线桥梁影响大小不同,按距框架桥由近至远顺序压桩比倒序压桩对既有线框架桥影响小,既有线框架桥水平位移在顺序压桩时比倒序压桩时减小10%左右,竖向位移减小20%左右,水平应力减小10%～40%。吴春武［30］研究发现,静压桩施工对邻近桥梁纵向位移和应力的影响很小,静压桩施工主要导致既有桥梁发生横向水平位移和竖向位移,且两种位移由压桩端向远桩端近似直线的减小;此外,静压桩施工对邻近桥梁上部结构的纵向应力也有一定影响,但较位移影响程度要小很多。

综上可见,沉桩施工引起路基水平位移、竖向位移及水平应力通常以压桩区域中线为轴呈对称分布,且与压桩数量呈正相关关系。沉桩施工使邻近桥梁位移发生线性变化,导致横向水平位移和竖向位移由压桩端向远桩端减小。然而,桥梁和道路本身结构的差异性导致其对沉桩施工影响的反馈不同。目前仍缺乏沉桩参数与道路、桥梁位移的定量规律的研究。后续研究中可以综合采用理论分析和数值模拟相结合的手段,研究沉桩挤土对道路、桥梁影响,并提出基于沉桩参数判断扰动程度的方法,为邻近道路、桥梁的沉桩施工工程提供参考。

2.4 沉桩挤土对地下管线的影响

目前关于沉桩施工对邻近地下管线影响的研究大多通过具体工程案例的监测数据,分析地下管线位移与沉桩点距离、沉桩数量和管线埋深的关系。

在地下管线与沉桩点距离影响方面,李富荣等［2］开展了桩-土-隧道室内模型试验,研究了3×3群桩在沉桩过程中对邻近地下管线应变的影响规律。研究结果表明,在沉桩过程中,地下管线的应变逐渐增大;离沉桩区域越近的管线应变越大,出现应变软化现象;此外,应变与管线埋深成正比,与管线直径和抗弯刚度成反比,且当管线距沉桩区域较远时,管线埋深增加会导致应变减小。夏朝娟［31］基于具体工程案例监测数据,研究发现,沉桩施工过程中地下管线整体上抬且向沉桩挤土方向偏移。

在沉桩数量影响方面,张磊等［32］运用FLAC 3D有限元软件,研究了沉桩过程对邻近管道变形的影响。数值模拟结果表明,群桩沉桩导致管道周围土体位移和管道承受应力都较大;这种应力会导致管道接口处的混凝土断裂,并产生裂缝;在极端情况下,管道可能会发生破坏。

在管线埋深影响方面,解廷伟等［33］结合某排污管保护工程,采用ABAQUS软件模拟地下管道两侧分别压入3根预制混凝土空心管桩,研究发现,在沉桩过程中,沉桩深度存在临界值,会引起管道位移;水平位移的临界沉桩深度范围为排污管埋深的0.5～2.25倍,而竖向位移的临界深度范围为排污管埋深的1～3倍。张铭楷等［34］基于有限元模拟了地下管线一侧打入6根实心桩施工过程,研究发现,最大主应力出现在管线远桩侧,应力与位移峰值的位置随着桩贯入位置变化而改变;此外,管线的水平位移随着埋深的增加而增大,竖向位移则减小,最大主应力的影响范围为管线中间往两端各约8倍桩径;同时,随着土的弹性模量的增加,管线在土中的变形协调能力减小。

综上可见,沉桩施工会引起地下管线位移变化,管线距离沉桩区域越近,沉桩数量越多,管线上抬量越大,水平位移量越大,且管线位移存在临界沉桩深度。但是,与沉桩施工对路基、桥梁的影响研究相似,现有研究尚未厘清沉桩挤土与地下管线位移间的定量关系。后续研究应该进一步结合现场监测、室内试验和数值模拟等手段,开展沉桩挤土参数对地下管线影响研究,并提出具体施工建议。

3 挤土效应防治措施

沉桩挤土效应对邻近建(构)筑物有很大负面影响,因此,如何从设计、施工、监测上采取有效措施,降低其影响程度,进而保证工程顺利施工是关键。

3.1 设计原则

在预制桩工程设计中,对于高层建筑,可以采用长桩或稍大一级管径的桩,加大桩距,减少桩数,降低布桩密度,以降低压桩引起地基变形和超孔压;对于裙房,可采用疏桩基础;对于桩尖设计,尽可能应用开口桩尖,减少桩上浮,缩小影响范围。当E/Cu(E为土的弹性模量Cu为土不排水抗剪强度)较大时,可以考虑改用钻孔灌注桩等非挤土桩,或采用开口钢管桩、H或I型钢桩等低挤土桩［35-36］。

在设计前,可以通过室内模型试验和数值模拟预先研究不同设计参数下的沉桩挤土效应,进而指导设计选用桩管径、桩距、桩数、桩尖类型等参数。

3.2 施工措施

在施工前期和施工过程中,可以采取排水法、应力释放法、预钻孔压桩法、隔离法等方法以达到保护周边建(构)筑物的目的。

3.2.1 排水法

黏性土通常具有渗透性低、排水条件差的特点,在施工时通常容易出现低压缩性的特点。施工时,为减小沉桩挤土效应,通常在沉桩区域的附近开挖排水空间,并填充砂或埋置塑料排水板,形成排水通道,促进孔隙水及时排出,减小桩贯入阻力和挤土效应。通常,砂井对孔压的减压作用在40%左右;在孔压出现峰值时,砂井对孔压的减压作用发挥最好(可减压50～60kPa),一般情况下可减压10～20kPa［37-38］。

3.2.2 应力释放法

设置应力释放沟(孔)可以减小沉桩施工对周围建(构)筑物的影响。对于应力释放孔,通常在实际工程中会设置为大于2排,且孔口呈现“梅花”形交错排列的形式。应力释放孔的孔径在400～600 mm,孔深度在10～15m,孔间距在0.5～1.0 m。此外,依据现场经验,在孔内填充稻草等压缩性大、透水性好的填料可以有效防止塌孔。对于应力释放沟,受实际施工深度的影响,通常只用于消除沉桩引起的浅层土体挤压作用。实际工程中,应力释放沟一般为宽1.2～2.0m、深2.0～2.5m［39］。

3.2.3 预钻孔压桩法

预钻孔压桩法主要通过预先钻孔取土的方式降低沉桩过程中挤土量,进而减小对邻近环境的影响。根据工程实测数据,采用预钻孔压桩法后,桩周土体内超孔压可减小40%,位移可减小30%,影响深度达孔底以下2～3m,可见预钻孔压桩法可以有效控制沉桩挤土作用。为了保证桩的准确对位及其承载能力,预钻孔孔径不应大于沉入桩直径,一般为沉入桩桩径的1/3～2/3［37,39］。

3.2.4 隔离法

隔离法是指在打桩顺序垂直方向设置钢板桩、地下连续墙等,减小沉桩挤土作用,进而保护墙体外围建(构)筑物。

由于挤土效应的水平影响范围主要集中在6倍桩径以内,可以在距离排桩5～6倍桩径距离处打入连排钢板桩。该方法的缺点是如果采用可循环利用的钢板桩,钢板桩拔除时会引起桩附近土体扰动,对周围环境造成影响;而采用混凝土地下连续墙则用施工后无法拆除,费用大［39］。

3.2.5 施工控制

施工控制包括合理控制沉桩施工顺序和控制沉桩速率两个方面。

沉桩施工顺序通过改变挤压应力分布方式减小沉桩施工对周围环境的影响。已经施工的桩,会在后续打桩过程中对周围土体起到刚性帷幕保护作用。因此,常采用分区沉桩以防止孔压过大积累,使周围建筑物、管线等设施的各部分变形趋于均衡［39］。

控制沉桩速率包括控制日沉桩量和连续沉桩天数两个方面。一般日成桩数量宜小于10根;在连续沉桩情况下,特别是沉桩后期,土体位移对沉桩速率的影响相比沉桩前期更加敏感。因此,更应该严格控制速率及间歇时间［39］。

具体施工措施的选取通常需要根据周边环境的保护要求确定,目前研究中对于具体施工措施的应用范围较为含糊。后续可以进一步基于数值模拟,开展沉桩中不同施工措施在不同周边环境条件下的应用效果的研究,进而提出施工措施选取建议。

3.3 监测手段

开展沉桩施工过程监测可以及时掌握地面沉降、孔压变化等情况,为保护周围环境提供参考。监测内容通常包括:1)周边建(构)筑物的位移、沉降和裂缝宽度等;2)保护区域建(构)筑物的侧向位移;3)地面沉降及隆起范围;4)孔隙水压力分布及消散情况［40］。

竖向位移可以采用水准仪观测,水平位移一般采用全站仪进行观测［40］。孔压通常通过孔压静力触探试验或采用孔隙水压力计测量［41］。监测过程中,预警指标通常设立总变形量和变化速率两类,当总变形量超过设计限值时,应立即停止施工并启动应急预案。当变化速率超过设定值时,应实时关注该指标的变化趋势,并结合总变形量进行判断。

4 结论与展望

预制桩沉桩挤土会对周围环境产生极大影响,已有研究表明,挤土效应受土质、桩参数、布桩规模及方式的共同影响。沉桩过程中,邻近建(构)筑物均会受其与沉桩点距离的影响;同时,建筑物易受其与桩相对位置及沉桩速率的影响。隧道主要受桩长、沉桩速率和桩数量的影响;市政设施受沉桩数量和沉桩顺序的影响;地下管线受沉桩数量和管线埋深的影响。从设计、施工、监测上采取有效措施降低沉桩的影响,可以在一定程度保障工程安全。但是,由于目前研究挤土桩对周边环境(如隧道、基坑、既有建筑)的影响主要基于具体工程案例分析,尚缺乏系统的归纳和定量分析,在后续研究中应着重考虑以下3个方面:

(1)开展硬黏土、砂土地区沉桩挤土效应研究。已有研究主要关注软黏土中沉桩挤土效应对周边环境的影响,对于硬黏土、砂土中沉桩沉桩挤土特征缺乏了解。可开展不同土体中沉桩挤土影响的现场监测、试验和数值模拟研究,定量分析各类土体沉桩规律,可为采取针对性的防治措施提供参考。

(2)开展沉桩施工对周边环境影响的定量关联规律研究。已有研究主要关注具体工程案例分析,缺乏沉桩挤土效应对环境影响的定量规律的研究。可采取模型试验和数值分析结合的手段,系统研究沉桩参数(桩长、距离、施工顺序等)、土体参数与邻近建(构)筑物变形的关联规律,建立三者之间定量关系,可为沉桩挤土效应评估提供依据。

(3)开展沉桩挤土效应对周边环境影响的动态风险评估。基于监测数据建立预报预警系统,对减小沉桩挤土不良效应具有重要作用,但目前缺乏基于监测数据的动态风险评估研究。在风险界定和识别的基础上,建立沉桩施工对周围环境影响的网络结构,考虑模型和参数的不确定性,提出沉桩挤土动态风险评估模型,可为挤土效应防治提供指导。