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摘要:预制桩具有施工工期短、质量较直观以及无泥浆污染等优点，在沿海软土地区城市建设中应用已相当广泛。但在城镇密集建筑群中间打桩施工时，对周围环境的具有很多影响，如负摩擦力、水平位移和上浮等。本文介绍了预制管桩施工监控技术与防护措施的效果分析。
关键词
预制桩 挤土效应 现场监测 环境影响 防治措施
中图分类号： TU473.1+3文献标识码： A 文章编号：
1引言
随着城市基本建设的发展，城市中的建（构）筑物、道路越来越密集，且大量的市政设施埋置在地下，如污水渠道、煤气和供水供电系统、通讯系统等等。预制桩由于具有施工工期短、质量较直观以及无泥漿污染等优点，在沿海软土地区城市建设中应用已相当广泛。
图1 软土中打桩产生的挤土效应
预制桩属挤土桩，在沉桩过程中，桩周表土体会隆起，桩周土受到强烈挤压扰动，土体结构被破坏。尤其是在饱和软土中沉桩，在桩表面周围土体中产生很高的超孔隙水压力。当桩贯入土中时，桩尖周围的土体被排挤，就会出现竖直方向和水平方向位移。在城镇密集建筑群中间打桩施工时，对周围环境的影响主要表现在以下4个方面：沉桩时桩周土体被挤裂；沉桩使桩周土体中的应力状态发生改变；沉桩过程中桩周土体被重塑和扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质与沉桩前相比有很大的改变；沉桩后桩周土体再固结，可能使桩侧受到负摩阻力的作用[1,2]。另外，沉桩产生的土体挤压与超静孔隙水压力还将使已施工就位的桩产生水平位移和上浮，继而造成桩基质量事故（图1）。大量土体的移动常导致领近的建筑物开裂、倾斜、道路路面损坏、水管爆裂、煤气外泄、边坡失稳等一系列事故[3]。由于我国东部沿海地区用地紧张，在密集建筑群中建造建（构）筑物，挤土桩施工所造成的邻近建筑物和地下公用设施破坏的事例就会时有发生，因此挤土桩施工对周围环境的影响问题必须引起重视。
本文介绍在我国东部某市安置房小区进行的预制管桩施工监控技术与防护措施的效果分析。
2预应力管桩施工对周边环境的影响和防挤措施
2.1 对周边环境产生的影响
预应力管桩为挤土型桩，沉桩使桩周土体结构受到扰动，改变了土体的原始应力状态，产生挤土效应，如施工安全措施不严密，其施工可能会给周边环境造成一定程度的影响，主要表现在以下几个方面[4,5]：
（1）压桩使土中产生超静孔隙水压力，造成土体破坏，或者向远处传播，造成周围一定距离的土体垂直隆起和水平位移。
（2）压桩时桩周土被压密或挤开，使土体产生水平位移和竖向隆起，可能造成邻近已压入的基桩产生上浮、偏位、桩身翘曲折断等，也可使邻近建筑物破坏、管线断裂、道路损毁等。
（3）压桩过程中桩周土体被剧烈扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质发生改变。
（4）压桩后桩周土体中超静孔隙水压力会缓慢消散，土体发生再固结，可能使桩侧受到向下的负摩擦力的作用，周围建（构）筑物的变形会有一定程度的恢复。
2.2 防挤土效应措施
预防预应力管桩挤土的方法很多，主要有挖防挤沟、设置排水砂井、设置应力释放孔、控制成桩速度、合理安排成桩次序等。考虑周围环境条件及经济高效安全的原则，结合本工程特点，采取了以设置防挤沟为主，同时控制成桩速度和合理安排成桩次序的防护措施。
（1）设置防挤沟
本工程在打桩施工场地东面用挖掘机开挖了一条防挤沟，宽度为1.5m，深度2m。由于地下水位较高，防挤沟内充满了地下水。开挖防挤沟可以及时消散预制管桩施工过程中土体产生的应力。
（2）控制打桩进度
本工程的打桩施工速率控制由当日现场监测结果来确定。打桩施工速度在施工初期控制要求较低，后期控制比较严格。此外打桩进度的控制还与打桩区的土体性质及具体施工的实际情况有关。
（3）合理安排沉桩施工顺序
因为挤土效应对周围建筑物影响的大小与打桩施工顺序有密切关系，本工程施工采取分区施工方法，以减少连续打桩造成的土体隆起和超孔隙水压力。对于9、10号楼，打桩自东向西进行；为方便施工，三幢楼桩基施工统一安排，沿东西向轴线施工，但是同一轴线必须保证先施工东侧的桩。
3对工程的现场监测与分析方法
本工程项目为安置房小区建设，由9幢12-14层的高层建筑群组成，满堂地下室一层，场地土属二级场地，二级地基，区域构造稳定。经过技术经济指标比较，基础型式采用预制桩基础方案，采用锤击打桩法施工，施工设备为3台4000kN重型液压步履式柴油锤击桩机。表1列出了在桩基施工平面范围内土层的各项物理力学指标。
表1 地基土层物理力学指标
3.1现场监测点布置
图2 监测点平面布置图
为了确保周边建筑物的安全和现场指导压桩施工，对9、10号楼的桩基施工进行了现场监测。由于东侧与相邻的建筑物及道路、地下管道等构筑物非常接近，成为了工程桩基施工中因挤土效应而产生土体位移监测重点。本工程在桩基施工场地与东侧建筑物间布置了如下监测项目：测斜管3根（CX1~CX3），其中CX1埋深为28米，CX2、CX3埋深均为20米； 点若干，布置在周边建筑物上。测斜管具体布置如图2所示。
3.2 现场监测方法
在饱和软土地区，沉桩挤土效应对周边环境的影响实质就是附近地基土的水平和竖向位移，而现场监测的主要对象也就是对位移随空间和时间的变化。对于土体水平位移的监测，测斜管的基点应选择埋设在一定深度范围内的土层内，土体水平位移监测的计算结果是根据测斜基点，由测斜管中的上、下各相邻测点的相对水平位移，而累积计算出土体水平位移沿深度的变化。可以及时地获得邻近建（构）筑物基础由沉桩施工引起的累积变形量及其变化速率等信息，再适时地采取各种防护措施，使得挤土效应的不利影响得到有效控制，从而最终实现对邻近建（构）筑物不受损害的工程监测目的。
3.3 现场监测数据分析
（a）CX1测斜管水平位移—深度关系变化曲线
（b）CX2测斜管水平位移—深度关系变化曲线
（c）CX3测斜管水平位移—深度关系变化曲线
图3 土体水平位移—深度关系变化曲线
由图3所示的监测数据资料分析可得到：
（1）在该场地，打桩的挤土效应主要对地表下15m以上范围内的土体产生较大的影响，而对地表下15m以下的土体影响较小。
（2）沉桩区域附近一定范围内，地表至以下2m，土体水平位移均较大。
（3）地表以下17m左右属于粉砂夹淤泥土层，相对上、下层均为淤泥的土质而言，物理力学较好，部分限制了土体的水平位移。
（4）在沉桩过程中，沉桩区域附近土体水平位移速率均较大甚至超过了警戒值5mm/d。但经监测东面道路及附近民房，未发现有异常情况，这主要是因为在距离东面民房10m处开挖了一道宽2m的隔振沟，起到了明显的隔振和防治挤土效应作用。
4本章小结
软粘土中的沉桩挤土效应是一个很复杂的课题，本工程中，由于提出了较为合理的现场监测方案，采取了有效地减少沉桩挤土效应影响的措施，沉桩施工场地四周建（构）筑物的不均匀变形量、变形速率等均控制在变形允许范围之内而未受到明显的损害，取得了预期的工程效果。
（1）土体浅层水平位移的大小与设置的防挤沟有关，水平位移变化速率与打桩速度有关；施工结束后，深层水平位移变化较小，超孔隙水压力逐渐消散。
（2）现场监测过程中，土体深层水平位移变形速率较大或累计变形较大时，通过调整打桩顺序，减少日打桩量或停止打桩的措施，取得了良好的效果，土体深层水平位移基本控制在允许范围之内。
（3）预制桩施工在软土条件下采用设置防挤沟、控制成桩速度、合理安排成桩次序的防挤土施工方案具有造价较低，不影响施工工期，对周围环境影响较小等优点。实践表明，采用本方案达到了预期目的，可供类似工程参考。
参考文献：
[1] 龚晓南，李向红. 静力压桩挤土效应中的若干力学问题[J]. 工程力学，2000，17(4)：7-12.
[2] 卞立民，徐海波，徐建平. 沉桩挤土效应研究综述[J]. 华中科技大学学报，2002，19(3)：68-72.
[3] 胡中雄. 土力学与环境土工学[M]. 上海：同济大学出版社，1997.
[4] 黄院雄, 许青侠, 胡中雄. 饱和土中引起桩周围土体的位移[J]. 工业建筑,2000, 30(7), 15-19.
[5] 蒋建平, 高广运. 挤土桩施工的环境问题及其防治措施[J]. 施工技术,2004, 33(1), 9-11.
作者简介：
第一作者简介：李文碧，1976年6月，男，汉族，本科，山西省高平市，助理工程师，地质工程专业，运城市水利勘察院，主要从事岩土工程勘察、施工工作
第一作者简介：张晓东，1985年4月，男，汉族，本科，山西省运城市，助理工程师，水利水电工程专业，运城市水利勘察院，主要从事岩土工程勘察、施工工作
第二作者简介：冯沛涛，1971年2月，男，汉族，本科，山西省运城市，工程师，水利水电工程专业，运城市水利勘察院，主要从事岩土工程勘察、施工工作
关键词
预制桩 挤土效应 现场监测 环境影响 防治措施
中图分类号： TU473.1+3文献标识码： A 文章编号：
1引言
随着城市基本建设的发展，城市中的建（构）筑物、道路越来越密集，且大量的市政设施埋置在地下，如污水渠道、煤气和供水供电系统、通讯系统等等。预制桩由于具有施工工期短、质量较直观以及无泥漿污染等优点，在沿海软土地区城市建设中应用已相当广泛。
图1 软土中打桩产生的挤土效应
预制桩属挤土桩，在沉桩过程中，桩周表土体会隆起，桩周土受到强烈挤压扰动，土体结构被破坏。尤其是在饱和软土中沉桩，在桩表面周围土体中产生很高的超孔隙水压力。当桩贯入土中时，桩尖周围的土体被排挤，就会出现竖直方向和水平方向位移。在城镇密集建筑群中间打桩施工时，对周围环境的影响主要表现在以下4个方面：沉桩时桩周土体被挤裂；沉桩使桩周土体中的应力状态发生改变；沉桩过程中桩周土体被重塑和扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质与沉桩前相比有很大的改变；沉桩后桩周土体再固结，可能使桩侧受到负摩阻力的作用[1,2]。另外，沉桩产生的土体挤压与超静孔隙水压力还将使已施工就位的桩产生水平位移和上浮，继而造成桩基质量事故（图1）。大量土体的移动常导致领近的建筑物开裂、倾斜、道路路面损坏、水管爆裂、煤气外泄、边坡失稳等一系列事故[3]。由于我国东部沿海地区用地紧张，在密集建筑群中建造建（构）筑物，挤土桩施工所造成的邻近建筑物和地下公用设施破坏的事例就会时有发生，因此挤土桩施工对周围环境的影响问题必须引起重视。
本文介绍在我国东部某市安置房小区进行的预制管桩施工监控技术与防护措施的效果分析。
2预应力管桩施工对周边环境的影响和防挤措施
2.1 对周边环境产生的影响
预应力管桩为挤土型桩，沉桩使桩周土体结构受到扰动，改变了土体的原始应力状态，产生挤土效应，如施工安全措施不严密，其施工可能会给周边环境造成一定程度的影响，主要表现在以下几个方面[4,5]：
（1）压桩使土中产生超静孔隙水压力，造成土体破坏，或者向远处传播，造成周围一定距离的土体垂直隆起和水平位移。
（2）压桩时桩周土被压密或挤开，使土体产生水平位移和竖向隆起，可能造成邻近已压入的基桩产生上浮、偏位、桩身翘曲折断等，也可使邻近建筑物破坏、管线断裂、道路损毁等。
（3）压桩过程中桩周土体被剧烈扰动，土的原始结构遭到破坏，土的工程性质发生改变。
（4）压桩后桩周土体中超静孔隙水压力会缓慢消散，土体发生再固结，可能使桩侧受到向下的负摩擦力的作用，周围建（构）筑物的变形会有一定程度的恢复。
2.2 防挤土效应措施
预防预应力管桩挤土的方法很多，主要有挖防挤沟、设置排水砂井、设置应力释放孔、控制成桩速度、合理安排成桩次序等。考虑周围环境条件及经济高效安全的原则，结合本工程特点，采取了以设置防挤沟为主，同时控制成桩速度和合理安排成桩次序的防护措施。
（1）设置防挤沟
本工程在打桩施工场地东面用挖掘机开挖了一条防挤沟，宽度为1.5m，深度2m。由于地下水位较高，防挤沟内充满了地下水。开挖防挤沟可以及时消散预制管桩施工过程中土体产生的应力。
（2）控制打桩进度
本工程的打桩施工速率控制由当日现场监测结果来确定。打桩施工速度在施工初期控制要求较低，后期控制比较严格。此外打桩进度的控制还与打桩区的土体性质及具体施工的实际情况有关。
（3）合理安排沉桩施工顺序
因为挤土效应对周围建筑物影响的大小与打桩施工顺序有密切关系，本工程施工采取分区施工方法，以减少连续打桩造成的土体隆起和超孔隙水压力。对于9、10号楼，打桩自东向西进行；为方便施工，三幢楼桩基施工统一安排，沿东西向轴线施工，但是同一轴线必须保证先施工东侧的桩。
3对工程的现场监测与分析方法
本工程项目为安置房小区建设，由9幢12-14层的高层建筑群组成，满堂地下室一层，场地土属二级场地，二级地基，区域构造稳定。经过技术经济指标比较，基础型式采用预制桩基础方案，采用锤击打桩法施工，施工设备为3台4000kN重型液压步履式柴油锤击桩机。表1列出了在桩基施工平面范围内土层的各项物理力学指标。
表1 地基土层物理力学指标
3.1现场监测点布置
图2 监测点平面布置图
为了确保周边建筑物的安全和现场指导压桩施工，对9、10号楼的桩基施工进行了现场监测。由于东侧与相邻的建筑物及道路、地下管道等构筑物非常接近，成为了工程桩基施工中因挤土效应而产生土体位移监测重点。本工程在桩基施工场地与东侧建筑物间布置了如下监测项目：测斜管3根（CX1~CX3），其中CX1埋深为28米，CX2、CX3埋深均为20米； 点若干，布置在周边建筑物上。测斜管具体布置如图2所示。
3.2 现场监测方法
在饱和软土地区，沉桩挤土效应对周边环境的影响实质就是附近地基土的水平和竖向位移，而现场监测的主要对象也就是对位移随空间和时间的变化。对于土体水平位移的监测，测斜管的基点应选择埋设在一定深度范围内的土层内，土体水平位移监测的计算结果是根据测斜基点，由测斜管中的上、下各相邻测点的相对水平位移，而累积计算出土体水平位移沿深度的变化。可以及时地获得邻近建（构）筑物基础由沉桩施工引起的累积变形量及其变化速率等信息，再适时地采取各种防护措施，使得挤土效应的不利影响得到有效控制，从而最终实现对邻近建（构）筑物不受损害的工程监测目的。
3.3 现场监测数据分析
（a）CX1测斜管水平位移—深度关系变化曲线
（b）CX2测斜管水平位移—深度关系变化曲线
（c）CX3测斜管水平位移—深度关系变化曲线
图3 土体水平位移—深度关系变化曲线
由图3所示的监测数据资料分析可得到：
（1）在该场地，打桩的挤土效应主要对地表下15m以上范围内的土体产生较大的影响，而对地表下15m以下的土体影响较小。
（2）沉桩区域附近一定范围内，地表至以下2m，土体水平位移均较大。
（3）地表以下17m左右属于粉砂夹淤泥土层，相对上、下层均为淤泥的土质而言，物理力学较好，部分限制了土体的水平位移。
（4）在沉桩过程中，沉桩区域附近土体水平位移速率均较大甚至超过了警戒值5mm/d。但经监测东面道路及附近民房，未发现有异常情况，这主要是因为在距离东面民房10m处开挖了一道宽2m的隔振沟，起到了明显的隔振和防治挤土效应作用。
4本章小结
软粘土中的沉桩挤土效应是一个很复杂的课题，本工程中，由于提出了较为合理的现场监测方案，采取了有效地减少沉桩挤土效应影响的措施，沉桩施工场地四周建（构）筑物的不均匀变形量、变形速率等均控制在变形允许范围之内而未受到明显的损害，取得了预期的工程效果。
（1）土体浅层水平位移的大小与设置的防挤沟有关，水平位移变化速率与打桩速度有关；施工结束后，深层水平位移变化较小，超孔隙水压力逐渐消散。
（2）现场监测过程中，土体深层水平位移变形速率较大或累计变形较大时，通过调整打桩顺序，减少日打桩量或停止打桩的措施，取得了良好的效果，土体深层水平位移基本控制在允许范围之内。
（3）预制桩施工在软土条件下采用设置防挤沟、控制成桩速度、合理安排成桩次序的防挤土施工方案具有造价较低，不影响施工工期，对周围环境影响较小等优点。实践表明，采用本方案达到了预期目的，可供类似工程参考。
参考文献：
[1] 龚晓南，李向红. 静力压桩挤土效应中的若干力学问题[J]. 工程力学，2000，17(4)：7-12.
[2] 卞立民，徐海波，徐建平. 沉桩挤土效应研究综述[J]. 华中科技大学学报，2002，19(3)：68-72.
[3] 胡中雄. 土力学与环境土工学[M]. 上海：同济大学出版社，1997.
[4] 黄院雄, 许青侠, 胡中雄. 饱和土中引起桩周围土体的位移[J]. 工业建筑,2000, 30(7), 15-19.
[5] 蒋建平, 高广运. 挤土桩施工的环境问题及其防治措施[J]. 施工技术,2004, 33(1), 9-11.
作者简介：
第一作者简介：李文碧，1976年6月，男，汉族，本科，山西省高平市，助理工程师，地质工程专业，运城市水利勘察院，主要从事岩土工程勘察、施工工作
第一作者简介：张晓东，1985年4月，男，汉族，本科，山西省运城市，助理工程师，水利水电工程专业，运城市水利勘察院，主要从事岩土工程勘察、施工工作
第二作者简介：冯沛涛，1971年2月，男，汉族，本科，山西省运城市，工程师，水利水电工程专业，运城市水利勘察院，主要从事岩土工程勘察、施工工作