静力压桩在穿越粉质黏土夹砂层过程中的研究与运用.pdf

建筑施工第45卷第10期1953静力压桩在穿越粉质黏土夹砂层过程中的研究与运用吴启明中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200063摘要：以华东某岛室内船坞底板PHC管桩桩基的静力压桩施工为例，对静力压桩在粉质黏土夹砂层中所出现的问题予以分析研究，并初步提出了解决的办法，为今后类似土层沉桩工艺的选择提供了借鉴。关键词：静力；夹砂；比贯入阻力；沉桩中图分类号：TU753 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-1953-03 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.003Research and Application of Static Pressure Pile in Process of Passing Through Silty Clay Sand Inclusion LayerWU QimingChina Shipbuilding Ninth Design&Research Institute Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200063,ChinaAbstract:Taking the static pressure pile construction of PHC pipe pile foundation at the bottom plate of an indoor dock in East China as an example,the problems that occur in the static pressure pile in the silty clay sand inclusion layer are analyzed and studied,and a preliminary solution is proposed,which provides reference for the selection of similar soil layer pile sinking technology in the future.Keywords:static force;sand inclusion;specific penetration resistance;pile sinking 管桩高压旋喷桩21 000800水域+9.50 m防汛墙+4.00 m +9.50 m13.00 m原地表图1 桩基与防汛墙位置剖面示意桩，先行施工169根，后续施工170根，采用静力压桩方式沉桩1，所选用的设备为ZYJ1060B型。根据地勘报告可以看出，拟建场地在标高约53.98 m以上分布的土层为全新统（Q4）土层，在标高约53.98 m以下分布的土层为晚更新统（Q3）土层。拟建场地地基土主要分布如下：第1-1a层杂填土，第1-1b层素填土，第1-1d层吹（冲）填土（砂质粉土）层，第1-2a层灰褐色淤泥质粉质黏土，第1-2b层灰黄色黏质粉土，第1-2c层灰褐色黏质粉土与淤泥质粉质黏土互层，第1-3层灰黑色浜底淤泥，第1层灰黄色粉质黏土，第3-1层灰色砂质粉土，第3-3层灰色黏质粉土夹淤泥质粉质黏土，第层灰色淤泥质黏土，第层灰色黏性土层，第1-1层灰色黏土，第1-2层灰色黏土，第3-1层灰色粉质黏土夹粉性土，第3-2a层灰色粉质黏土与砂质粉土互层，第3-2b层灰色砂质粉土夹黏性土，第层灰色粉砂，第层灰色含砾粉砂。1 工艺选择背景静力压桩是利用机械自身质量及人为增加配重所形成的静压荷载将预制PHC桩逐节压入土体的沉桩工艺。相比传统通过桩锤击打沉桩，具有施工时无噪声、无振动、无污染等特点，对周围环境干扰小，适用于软弱土地基、城市中心或建（构）筑物距离较近处的桩基础工程。对于是否能够在含有夹砂层的黏（粉）土土质中运用，一般认为夹砂（粉砂交互）层超过2 m以上就不宜采用。本工程船坞基坑底板桩基施工前，应长江防汛主管部门要求已在邻近坞口处建造了标高9.5 m的江堤防汛薄壁墙，其结构桩基部分采用了灌注桩高压旋喷桩进行止水围护，鉴于目前原泥面标高在4.0 m左右，而坞口底板下桩顶标高在13 m左右，送桩长度约17 m（图1），存在较大的拔桩安全风险，故考虑使用静压桩机沉桩，可以很好地避免锤击应力对原防汛墙桩基结构的破坏及桩机自身拔桩风险。2 沉桩概况坞口沉桩区域共计需要沉桩339根800 mm的PHC管作者简介：吴启明（1987），男，本科，工程师。通信地址：上海市杨浦区河间路1280号（200063）。电子邮箱：收稿日期：2023-07-12地基基础FOUNDATION BED&FOUNDATION202310Building Construction1954根据以上地勘报告研究分析可以得出，此工程坞口区域所处地质情况比较复杂，土层分布较多，有黏质粉土、粉质黏土，砂质黏土、黏土、粉质黏土与砂质粉土互层、砂质粉土与粉质黏土互层等14个土层，杂土、黏土、砂土、交互层等穿插分布，土层厚度不均，各个土层比贯入阻力、标贯击数、土体强度差异较大，管桩需要穿越61 m土基，桩底端需要到达3-2b层持力层，其中3-2a层、3-2b层土体压缩模量超过7 MPa，强度指标达到了26.5，标准贯入击数达到32击，比贯入阻力超过6.05 MPa，给沉桩施工带来较大的困难。3 施工技术3.1 主要施工方法在静压桩机进场前首先做好三通一平工作，因静压桩机自重和配重要求，对场地地基承载力提出了更高的要求，利用挖掘机、压路机先对场地进行平整压实，压实后的地基承载力应大于10 MPa，以确保静压机安全施工。在符合要求的场地上进行测量放线的同时，组装设备并配置足额的施工配重，与此同时进行预制管桩的采购及进场，机械验收合格后就位，开始利用自身携带的起重臂杆吊桩入孔，夹具夹住管桩缓慢定位沉桩，第1节管桩压到离地面1 m时开始与第2节管桩进行焊接，在焊接时要注意管口对齐、清理管口污染物、焊缝饱满，焊缝完成后一般冷却8 min，直至完成所有管节施工压到基桩标高，在管节下沉过程中需及时观测桩身垂直度，随时调整桩身。3.2 无法沉至标高原因分析本工程坞口区域PHC管桩沉桩共169根，从开始施工到全部施工结束前后历时2个月，远远超过了计划工期，其间有26根压不到施工标高，与设计桩底标高相差最少的0.9 m，最大的9 m，大部分标高差在35 m，结合地勘报告，此沉桩区域均存在36 m厚的夹砂层，沉桩情况与土层分布厚度基本相符。在桩机静压过程中，经现场实时观测，从第1节桩压入较为顺利到第2节桩缓慢压入，至最后一节桩的最后45 m压入较为困难，压入力陡增直至把桩机顶起，经过静压桩机上下反复拔压无法继续下压，立刻停止压桩施工。沉桩过程中沉桩阻力主要包括桩端阻力和侧摩阻力，根据文献2，无论是桩端还是侧摩阻力都会随着沉（送）桩深度的增加而显著增加，在土质相似的土层中沉桩阻力呈线性增大，而各层土质分布不一致时，其沉桩阻力总体呈线性不规则增大。研究指出，基桩沉桩速率对桩阻力的影响相对很少，施工过程中及时接桩连续下沉完全可以避免因速率导致无法沉桩，反而低速沉桩可以最大限度地减少对周围土体的挤压剪切，研究结论：越是接近砂层或持力层，沉桩阻力越大。本工程土层分布较多，土质类别多，直接导致随着管桩沉入相应深度的土层，端桩阻力呈几何式增大，使得管桩无法下沉，极难穿透各土层。从现场第1次施工沉桩顺序来分析，竖向沉桩阻力是导致无法继续下沉的主要因素，而在砂性土层中与软土土层中，水平阻力也有很大的区别，在夹砂层中，由于基桩连续施工，桩间土的挤压力也迅速增加，随着沉桩的进行，砂粒液化后用较小的时间重新排列，使砂层更加趋于密实，造成后续下沉管桩越来越难以沉桩到设计标高。4 沉桩遇阻采取的措施经过对沉桩受阻原因分析后得出，一方面是由于土层中含有36 m夹砂（互）层，标贯锤击数已超过32击，比贯入阻力在各个土层中较大，其中含砂层已超过6 MPa，按照相关规范已不适宜采用静压方式沉桩了，但受场地施工面狭窄、濒临周边建筑物较多等制约，还是继续采用静压方式施工，在先前完成沉桩的169根PHC管桩中，143根达到设计标高进入持力土层。另一方面，桩机配重不足，桩机（ZYJ1060B型）配重达到770 t的总应力基本上可以穿透3 m左右厚度的夹砂层，继续将标箱配重加到950 t即可将直径800 mm的管桩顺利压入5 m的含砂（互）层，此时桩机配重已无法继续增加了，并在第2次施工过程中调整了沉桩顺序，由桩基中心位置向四周并间隔进行静压，随后施工的170根管桩成功达到设计标高的有166根，仅剩4根管桩相差设计标高均在2 m以内，可以采用补桩或高压水气举的措施继续施工。结合先前经验，采用补桩方式因含砂层较厚，后续在相邻位置补桩效果不佳，仍然无法顺利沉至设计标高进入持力层，故采用了高压水气举起的方式，利用高压水和气通过管桩桩孔将桩端砂层人为冲散，降低标高击数和桩端阻力并通过桩孔将孔内砂土气举排除，此方法虽然节省工程造价，但对场地环境有一定的要求，需要在现场设置足够的纳泥坑，并注意及时排水。在采用气举水冲工艺时，要用厚8 mm钢板制作适合气举水冲工艺的桩尖，并在桩尖上设置回水孔和出水孔、回水活塞，防止混合物进入桩体内腔，依靠高压水气冲开压力阀门。桩穿过土层到达夹砂层遇阻时，从桩顶向桩内腔插入水气组合管件，并向组合管输入高压水和压缩空气，高压水、气冲开桩尖阀门，高压水直接冲刷到桩尖前端的夹砂层，射水冲散的砂石与水混合成为砂石混合水，气举法将该混合水沿桩空心腔自下而上从桩尖排出，沉桩阻力大减，此时，用较小的压桩力即可将桩压入砂层，如此反复一边射水排出砂石，一边静压将桩穿过夹砂层。桩尖穿过夹砂层达到桩尖持力层后，压桩力上升到设计的终压力，停止水冲排砂石，沉桩顺利结束。吴启明:静力压桩在穿越粉质黏土夹砂层过程中的研究与运用建筑施工第45卷第10期19555 完工检测效果及注意事项本工程坞口沉桩根数339根，先行施工169根，后续施工170根，完工后经过高低应变检测，低应变100%类桩，选取3根进行了7 d高应变检测，承载力均超过6 000 kN，达到了设计承载力要求。本次沉桩虽然最后取得了理想的效果，但在以后相应复杂的土层状况下施工还是需要注意以下几点：1）静压桩机在安装完毕后，要检查液压系统元件接头油管是否松动、损坏、漏油，检查油箱是否有足够的液压油，油箱出油阀门必须打开，并将螺母拧紧；对压桩的高压油泵压力表仪器进行计量测试，计算是否符合要求。2）对含砂层超过5 m的黏土层要严格制定沉桩先后顺序并间隔下沉，控制好沉桩速率，不宜过快也不宜过慢，防止土层沉桩阻力人为增大。3）在采用高压气举水冲法时，为防止高压水冲压力过大对最终持力层的持力（单桩承载力）造成影响，压力应控制在0.41.0 MPa，并根据沉桩静压力大小、速度等情况及时调整，以静压力为主、水冲为辅的原则进行控制。4）对夹砂层厚度分布不均、起伏较大的土层沉桩后，吴启明:静力压桩在穿越粉质黏土夹砂层过程中的研究与运用为避免以后桩基对上部结构产生较大的不均匀沉降导致出现裂缝，加之采用气举水冲的工艺使得原地面较为泥泞，在及时排水的情况下，应在桩基施工完毕后留够28 d的桩基静止期，方可开始上部混凝土结构的施工。6 结语一般规范认为含砂交互层超过2 m时不宜使用静力压桩工艺，但在工程周边建筑的制约条件下，应根据地勘资料认真分析含砂层的厚度、标贯、比贯入阻力等指标，足额配重并采用一些辅助措施，可对含砂层较厚、地质较为复杂的土层进行静力压桩。以上经验受沉桩深度、数量等客观因素限制，仅供后来施工人员参考。1 王鸣佳.预应力管桩水冲辅助沉桩的施工与控制J.福建建筑,2005(6):294-295.2 肖昭然,王艳林,赵宪强,等.砂土地基中静压桩沉桩及其承载特性 室内试验研究J.建筑结构学报,2022,43(11):294-302.（上接第1952页）支护桩252002512510400支护桩桩顶冠梁桩顶冠梁双层18200250450500双层双向82001 000800图8 刚架梁板配筋大样密仪器对基坑进行监测，及时反馈监测数据及预警，以预留充足补救时间，尤其是邻近建筑的北侧及东侧，需着重注意。该基坑监测项目包括支护桩深层水平位移、坑顶沉降与水平位移、地下水位、管线及周边建筑等。设计双排桩支护侧坑顶水平位移不超过45 mm，坑外沉降不大于30 mm，警戒值按控制值的80%确定7。基坑施工回填完毕，通过现场监测反馈资料显示，基坑变形未超过35 mm，监测值小于计算值，表明双排桩支护结构在该工程中的适用性。5 结语以理正深基坑支护设计软件及Plaxis有限元软件，分别采用弹性地基梁法及有限元法对双排桩支护结构进行设计计算与模拟分析。结果表明：弹性地基梁法计算结果较有限元法偏保守，基于HS模型的有限元法可较好地反映基坑变形数值特征及影响范围，依据设计结果加强前排桩配筋及刚度，梁顶采用直通整体浇筑刚架梁板刚度更大，抗变形能力更强，监测结果表明双排桩支护结构应用效果较好。1 龚晓南.深基坑工程设计施工手册M.北京:中国建筑工业出版 社,1998.2 应宏伟,初振环,李冰河,等.双排桩支护结构的计算方法研究及工 程应用J.岩土力学,2007,137(6):1145-1150.3 中国建筑科学研究院.建筑基坑支护技术规程:JGJ 1202012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.4 BRINKGREVE R B J,BROERE W.Plaxis Material Models Manual M.Delft:Plaxis BV,2016.5 赖鹏程.弹性地基梁m法在深基坑支护结构中应用J.中国水运(理论版),2006(11):61-63.6 李琳,杨敏,熊巨华.软土地区深基坑变形特性分析J.土木工程学 报,2007(4):66-72.7 济南大学.建筑基坑工程监测技术标准:GB 504972019S.北京:中国建筑工业出版社,2012.