管桩桩基工程中应力释放孔的设计及应用

(汉嘉设计集团股份有限公司，浙江杭州 310005)

在预制桩施工中，由于静压法具有施工工期短、质量稳定、承载力高、穿透力强、低噪声、无震动、无污染、运输吊装方便、桩身耗材较低、单桩造价低等特点，近年来已广泛运用。但其对周边环境的挤土效应一直是施工中要注意甚至需特别处理的问题，所以如何减小挤土效应是一个十分急迫和现实的问题。

1 影响及破坏机理分析

静压预制桩属挤土效应桩，对周边环境的影响主要是由于在压桩过程中产生的应力作用下，破坏了土体的相对平衡状态，使得周围土体发生水平挤压位移和竖向剪切位移。影响的范围及程度原因很多，不但与压桩的距离，桩密度、桩数量，压桩速率及施工顺序等有关，更与场地土的性质和分布以及水位埋深等有关，当桩周围土体结构破坏并产生隆起时，对周围建筑或地下管线设施就可能造成损害。

在不饱和的填土层及软土层中，挤压应力的传递主要是通过桩周土体传递的，当挤压应力大于桩周土体抗力时，不可避免地将造成土体较大的侧向位移并向远处缓慢减弱;在饱和软土层中，压桩除了造成桩周土的扰动、位移及强度变化外，由于桩周土渗透性很差，还会产生较高的孔隙水压力及侧向与垂向位移等，造成周边建筑物的不均匀沉降、开裂与破坏。当压入桩后，就能使桩周围一定范围内饱和软粘土中孔隙水压力U＞G(G为上覆土总重)，在此范围之外超孔隙水压力ΔU逐渐减小，这样一方面使得土的有效应力大大降低，甚至液化;另一方面，由于土是非完全弹性体，超孔隙水压力一旦消散，被挤压的土体不能完全恢复原状，土层又重新固结，这样就不可避免地造成了上覆土体的抬起和沉陷，从而导致桩基质量事故以及对周围建(构)筑物形成不利影响，这种影响破坏较为严重，随着建筑物的距离及自重的增大，其影响程度将逐渐减小。

综上所述，造成沉桩区周边地基土体竖向及径向变形的原因，主要是由于土体的挤压及超静孔隙水的作用使得桩周土产生较大的侧向位移和隆起。而在孔隙水压力向四周消散，地基土体的低压缩性及群桩施工中的叠加因素影响下，进一步加强了隆起和位移的程度，并扩大其波及的范围，当积累到一定程度后，即会使得邻近建筑物的侧向位移超限，造成其不均匀沉降、开裂下破坏。但由于地基土的变位特性是由多种因素造成的，要准确预估沉桩造成地基土的侧向位移、沉降和隆起变化及影响范围，只能通过经验来估计。

2 挤土效应释放数量计算理论

1)挤土效应理论计算，很多学者提出了不同的理论计算方法，如基于圆孔扩张理论的CFG桩成桩效应计算分析方法［1］和基于球形扩张理论的源—源镜像法［2］，具体计算理论方法可参考有关文献。

2)现场实测数据反演土体位移计算公式［3］，φ600 PHC桩，共420根，桩长57 m，工程地点为上海浦东，土质条件:粉质粘土。本工程局部为流塑粉质粘土，粘质粉土普遍。与本工程基本类似。单位面积桩地表水平位移曲线，竖向位移曲线见图1，图2。

水平位移计算公式:

竖向位移计算公式:

图1 单位面积桩地表水平位移曲线

图2 单位面积桩地表竖向位移曲线

3 工程实例

3．1 工程概况

该工程项目桩基工程由7幢主楼及其地下车库组成，本工程±0．000相当于黄海高程6．400 m，自然地面黄海高程约－1．5 m。工程桩采用φ500，φ600预应力钢筋混凝土管桩，约2 400根。施工工艺采用静力压桩。该项目桩基工程北面有马路主干道及其配套绿化区域;南面有水景公园，东南面为图书馆及其配套设施，东北面为大型广告牌。其中东南面为图书馆及其配套设施，距离管桩施工场地最短距离只有2．6 m;东北面为大型广告牌，广告牌基础埋深较浅，竖向高度为10 m，往东方向15．5 m为河道。本工程采用静力压桩的工艺施工预应力钢筋混凝土管桩，为挤土桩，挤土效应较大。主楼采用PHC-A600(130)管桩约1 000根，桩长约33 m～37 m，送桩深度约7 m，共计约41 000 m。地下室部分采用PC-A600(100)管桩约300根，桩长约为15 m，送桩深度约7 m，共计约6 600 m;地下室部分采用PC-A500(100)管桩1 100根，桩长为15 m，送桩深度约7 m，共计约24 200 m。施工时总打入数量约为18 210 m3。

3．2 挤土应力释放计算

根据本工程桩位分布情况结合式(1)，式(2)估算，考虑先后沉桩相互影响，主楼桩位密集区域地表隆起量约为0．6 m，水平位移约0．6 m。根据以往施工经验，该场区施工时土进入管内的深度约5 m，则进入管内的土计算方量为:

施工后土体上浮按20%计算，则上浮的土量为:

从总平面布置图上看，本桩基工程临近图书馆及其配套设施。施工时挤密量按10%计算，挤密消耗的土量为:

需要释放的挤土量为:

3．3 设计原则

1)隔断在沉桩施工中应力及超静孔隙水压力的传递路径;2)改变超孔隙水及有效应力的消散方向，加快地基土的应力及超孔隙水压力的释放。

管桩施工造成挤抬土原理的分析:管桩入土致使桩体周边土体压缩，土体压缩后，土体中的孔隙水压力升高。土体孔隙水压力的平衡被破坏后，将导致向孔隙水压力较低的土体释放应力以继续保持土体孔隙水压力平衡。表现出的现象即为:土体间压力高的孔隙水向压力低的四周方向开始渗透;孔隙水流动后，造成周边孔隙水压力低的土体整体方向性位移、隆起。如周边有已建建(构)筑物，则会对已建建(构)筑物造成变形开裂、不均匀上浮等现象。主要表现为地表和墙体开裂;建筑物不均匀上浮、倾斜;地下管线破裂等。

根据现场勘察，本桩基工程北面有马路主干道及其配套绿化区域;南面有水景公园，东南面为图书馆及其配套设施，东北面为大型广告牌。管桩为挤土成型桩，施工时会产生挤抬土现象。挤土将对周围已建建(构)筑物产生影响，影响范围为桩长的1．5倍;其中桩长1倍半径范围内影响较大。本工程管桩入土深度为38 m左右，挤土影响范围较大的预计在46 m左右。施工期间为台风多发季节，大型广告牌基础埋深较浅，容易产生安全隐患;广告牌外侧道路上的管线分布密集;东面图书馆及其配套设施距离桩位最小距离为2．6 m;以上位置估计都要进行防护。如果需要对已建设施进行保护，特别是东面为图书馆及其配套设施、大型广告牌，则靠近已建建(构)筑物46 m左右范围的管桩，都需要采取措施，释放应力，以缓解管桩施工产生的挤抬土对周边已建建(构)筑物的影响。

在需要保护的已建建(构)筑物靠近管桩施工一侧钻一排应力释放孔，切断孔隙水压力的释放，以达到保护已建建(构)筑物的目的。估算需要释放的挤土量约为6 800 m3。暂定施工应力释放孔共计284根，有效孔深25 m，取土量为3 568．5 m3。释放孔孔内安放钢筋笼，钢筋笼周身绑扎毛竹片，以防止周边土体进入释放孔内，达到长期释放孔隙水压力的目的，减少现场取土量。同时采取以下设计和施工措施以减小挤土量:1)距周边建筑15 m左右范围内的预制桩均改为钻孔灌注桩;2)采用在距相邻建筑物4 m处开挖2．5 m深，1 m宽应力释放沟，以减少地基浅层土体的侧向位移对相邻浅埋式建筑物(和地下管线)的差异变位的影响;3)合理安排打桩顺序，应先行施工邻近建筑物的最外侧30根桩，从邻近建筑物处逐步向后施工;4)在邻近建筑物处施工时，控制每天的打桩数量，以使土层中的应力能够逐步得到释放;白天打桩引起的土体位移增加值会在夜晚停歇时有约25%的回落，如夜晚继续打桩，挤土效应引起的土体水平、竖向位移会一直增加不回落。因此，应避免24 h不停歇的打桩安排;5)加强监测，做好对邻近建筑物的沉降及裂缝的监控工作，如有异常时则需采取调整打桩顺序和延后打桩时间等措施，必要时拍好照片。

3．4 应力释放孔施工机械选择及施工顺序

图书馆围墙外1 m～2 m，呈一字形钻一排应力释放孔。应力释放孔孔径800 mm，孔深25 m，间距1 000 mm。大型广告牌以内2 m，呈一字形钻一排应力释放孔。应力释放孔孔径800 mm，孔深25 m，间距2 000 mm。应力释放孔采用钻孔灌注桩施工，将场地内土体利用钻头切成泥浆，形成一个竖向应力释放孔，应力释放孔上部挖一条1．5 m宽，1．5 m深的防震沟，应力释放孔采用跳打方式施工。

针对本工程的特点，施工前具体研究地层的特征和钻进的特点，在施工中采取跳打及相应的应对措施，对可能发生的问题防患于未然。钻孔桩施工采取正循环钻进原浆护壁成孔、清孔的施工工艺。

通过以上的设计和施工措施，至本工程桩基施工完毕后长时间观测未发现对周围的建(构)筑物产生大的影响，达到了预期效果。

4 结语

1)由于本工程属于软土地基区域，周边环境异常复杂，通过采用应力释放孔的专项施工措施，经检测该方案措施达到了预期中的效果，是有效可行的。2)应力释放孔是解决软土地基挤土效应有效的方法，但应注意要充分进行专家论证并形成周密的专项施工方案，在压桩过程中应严格按照该施工方案施工，先施工应力释放孔后静压桩，严禁为了抓工程进度而先静压管桩。3)检测作为信息化管理施工的主要手段，在严格按照专项施工方案施工的同时，应加强监测并及时将检测结果反馈给施工单位和建设单位，如若发现异常应立即联系有关单位采取有效可行的措施，而不是盲目地继续施工，从而有效的实现信息化管理。

［1］唐彤芝，赵维炳．基于圆孔扩张理论的CFG桩成桩效应计算分析［J］．水运工程，2005(4):17-21．

［2］李月健，陈云敏．粘性土地基中群桩施工产生土体内的位移场［J］．建筑结构学报，2001，22(3):88-91．

［3］王兴龙，陈 磊，窦丹若．打桩挤土的现场试验研究及土体位移的计算公式［J］．岩土力学，2003(S2):92-94．