浅析管桩的挤土效应及其应对技术方法

浅析管桩的挤土效应及其应对技术方法
摘要：桩基工程由于其诸多优点而在软土地基的城市建设中获得日益广泛的应用。

但是管桩在沉桩过程中会对桩周土体产生挤压，并产生超静孔隙水压力，从而影响周围建筑物和地下管线等公共设施的安全。

本文将在已有的研究成果的基础上采用新的思路对软土地基中管桩沉桩问题进行了进一步的研究。

关键词：软土地基；管桩；挤土效应；圆孔扩张
引言：随着城市环境要求减少施工污染及静压管桩大力推广和应用。

静压法沉桩由于其有无噪音、无振动、无污染、无冲击力等优点，同时选用高强预应力管桩作为基础，具有工艺简明、技术可靠、造价便宜、检测方便等特点，使得越来越多的建设单位认识到了管桩的优越性和良好的社会经济效益。

以下对管桩入土后产生的挤土效应所引发的一系列问题进行深入探讨，希望对设计、施工、监理有所帮助。

1.概念及其产生机理
静压法施工预应力管桩属于挤土类型，往往由于沉桩时使桩四周的土体结构受到扰动，改变了土体的应力状态，产生挤土效应。

挤土效应一般表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，挤土效应对周围路面和建筑物引起破坏，对已经施打的桩的影响表现为桩身倾斜及浅桩（≤20m）上浮。

某工程同一承台桩间距为1.35m～1.7m，均大于2倍桩径，柱距为7.0～10.0m之间，工程管桩采用PTC-A550(70)-10和PC-AB550(100)-10，且桩长≥45m，在沉桩时，由于桩对土的挤压，在桩周围达1.5倍桩长范围内的粘土层中产生超孔隙压力水，超孔隙压力水随着土体的隆起和侧移而慢慢消失，如果压桩施工方法与施工顺序不当，每天成桩数量太多、压桩速率太快就会加剧挤土效应。

2.挤土桩的分类
首先我们将桩按挤土情况进行分类，在桩挤土的过程中，体积等代率越大，其危害越大。

根据挤土效应的大小，将桩分为三类：排挤土桩通常指预制钢筋混凝土桩、木桩、沉管灌注桩等。

非排挤土桩如挖孔桩，钻孔灌注桩等。

低排挤土桩概念不够明确，排土程度多少没有具体的标准，一般认为如H 型钢桩，开口管桩等。

部分工程人员认为，管桩与开口钢管桩类似，均为管状，如在设计时才用开口桩尖，应属于低排土桩，这是一个误区，根据现场压桩观察分析，开口管桩在入土过程中，会较快地在桩尖处形成一土楔，使其入土时的挤土情况与闭口桩无异。

即便管内入土，由于其管桩型号、桩尖形式、土质情况等问题，管内也只能充填很小一部分地基土。

因此考虑到挤土效应的危害，从更加安全的角度，将钢筋混凝土管桩归类于排挤土桩。

3.挤土效应对实际工程产生的影响
从多个工程实例来看，挤土效应的影响范围和挤土的力是相当大的，对环境
的威胁是不可忽视的，特别是在饱和的软土地区，对基础埋深浅，结构较差的建筑物和对变形敏感的地下管线，如地铁、隧道、煤气自来水管道等危害更大。

经常发生房屋开裂，煤气泄露等事故。

所以，静压管桩施工也是个环境岩土工程问题，它不仅仅是工程本身的问题，而是与周围环境相互作用的问题。

挤土效应对实际工程产生的影响主要表在以下几个方面：(1)桩的抬高、挠曲及折断。

排挤土要置换大最体积的土，特别是桩密集的情况下，打桩区内地面将会隆起或抬高，若在饱和的软土中沉桩，桩周土体中会产生很高的孔隙水压力，这有可能使土液化，进而使先打入的桩浮起。

对于挤土桩而言，有时前桩还没有凝结，便受到后桩的挤土作用发生挠曲或断裂，从而造成工程事故；(2)打桩与基坑开挖相互影响。

基坑开挖时大量卸载，由于桩间土体中贮存着很大的挤土压力在瞬问释放，导致工程桩上抬和产生与挖土方向一致的位移；(3)在边坡或边坡附近沉桩时，由于两边阻力不同，可能会造成桩的位移，继而会影响边坡的稳定性；(4)桩后期承载力变化。

对桩周土体来说，由于沉桩过程是一个不排水的挤压过程，所以桩周土体中存在着很高的孔隙水压力。

当沉桩结束后，孔隙水压力慢慢消散，土体会发生再固结，而再固结导致有效应力增加，桩和土之间的摩擦力也随之增加，因此单桩承载力也随着时间而逐渐增加。

但是，再固结又会导致桩间土土面下沉，使得承台底面与土面脱离，影响桩土的共同工作。

4.根据挤土产生机理，通常有如下途径应对
4.1 设计中对桩间距及桩型的合理选择。

部分工程的挤土危害在设计中就已显现，如一些设计在布桩时仅注意到本承台内的桩距，而忽视了承台之间边桩的间距。

另一方面在设计过程中可以选用稍大一级的管径的桩，适当扩大桩距，减少桩数，以降低压桩引起的地基变形值和超空隙水压力。

对于桩尖的设计，尽可能应用开口桩尖，减小桩的上浮机会，缩小其影响范围
4.2 减少排土量的措施———预钻孔压桩。

减少排土量的主要措施采用预钻孔压桩，将排挤土桩变为低排挤土桩。

具体做法是在原来的桩位上用螺旋出土器预先钻一个孔，然后将桩压入，钻孔的孔径和深度可根据土质情况做适当调整，根据经验一般情况可在桩身体积1/3 左右取值（即孔径占桩径2/3 左右，深度占桩长2/3 左右）。

4.3 增设排水措施———提高土的压缩性。

真实的土体，无论哪种土质，或多或少都具有一定的可压缩性，粘性土的渗透性很低，排水条件不良时，显示不可压缩或低压缩的特性，如果我们在土中设置合理的排水通道，使挤土产生的空隙水压力及时消失，就可以减小桩的贯入阻力，降低挤土效应。

4.4 设置应力释放孔。

在沉桩区内或在沉桩区外，或在被保护建筑物地下管线附近设置一些钻孔，当发生挤土时，可以起到缓解和隔断挤土通道的作用。

孔洞中可以是孔，也可以填充松散材料。

应力释放空的布置比较灵活，可在压桩前后设置。

针对一些施工现场采用挖防挤沟的措施减轻挤土影响，笔者认为其原理与应力释放孔是相同的，但由于挖孔深度所至，只能消除部分浅层挤土影响，对深部挤土起不到作用。

4.5 优化施工流水。

挤土效应的理论分析中假定桩周土是均匀的，但实际上土是被挤向阻力小的方向。

例如，在周围有保护建筑的情况下，对着保护建筑方向压桩要比背着建筑的方向压桩的危害大的多。

实测资料表明，在现场空旷的条件下，为使压桩中各桩的压力阻力基本接近，入桩线路应选择单向行进，且按先中央后周围，由里向外压桩。

占地面积的施工现场可采用分区作业的办法，这样也可以防止超空隙水压在某一区域的过大积累。

4.6 控制压桩速率，合理安排施工流程、速度。

地基变位方向基本与沉桩施工顺序方向一致。

沉桩速度过快，显著增加超静孔隙水压力，并导致邻近土体剪切破坏，应力叠加增加地基土变位。

压桩速率的控制，不是一个定量的问题，可根据挤土过程中不同情况而定。

可以肯定的是，施工采用一次性连续施压到底，则桩的上浮机率大，采用大流水法施工，轮流多次将桩施压到底，桩的上浮机率小。

因此有必要计划控制单桩一次性压入时间和每天压桩数量，因为土中应力的传递，超空隙水压力的消散都需要一个时间过程。

4.7控制施工过程中停歇时间，避免由于停歇时间过长，摩擦力增大影响桩机施工，造成沉桩困难。

同时，应避免在砂质粉土、砂土等硬土层中焊接，制定合理的桩长组合。

桩机施工时应注意同一承台内的群桩，需接桩的接头不宜在同一截面内，应相互错开，避免产生土压力以及水压力效应，对整体桩身产生剪切破坏；同时应认真查看地质报告，了解土层分布情况，合理确定桩体组合长度，避免接头处于土层分界处及土层活动较多处，以防土层活动时对桩身的破坏。

4.8施工人员必须持证上岗，遵照桩机操作规程进行施工。

施工过程中应经常对照地质勘察报告，遇到特殊地质条件或管桩难穿透的粉砂层时，应格外注意沉桩应力的控制。

5.结论
群桩的挤土效应非常复杂，因为它涉及到现场的土质条件。

主要反映在：1）挤土边界条件不断改变；2）土的性质不断改变，如排水裂缝，再固结等；3）应力场和应变场的大小和方向不断改变。

其他因素还包括周围的环境，沉桩的桩形，桩的密度和布置情况，危害程度还关系到周围建筑的类型，埋置深度，建筑物的刚度、保护等级等。

尽管我们竭力去思考措施和方法，还可能有很多不足之处。

因此必须加强全过程的监测工作，保证桩位、桩顶标高、桩身垂直度等各项指标符合要求。

包括周边建筑物是否出现基础上浮、墙面裂缝等现象，必须随时跟踪、随时检测、随时调整。

参考文献：
[1]杨立鹏.静压管桩的挤土效应与预防措施[J]. 中华建设，2010.
[2]方伟江.预应力管桩的挤土效应及预防措施[J]. 科技风，2008.
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