赵永强，王之宇，张 磊，陈保国

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 前言

预应力混凝土管桩具有抗压强度高、污染少、施工方便等优点，被广泛地应用于各类构造物、建筑物基础中[1-2]，但预应力管桩抗侧弯能力较弱，稍有不慎便发生倾斜，甚至出现裂缝断裂[3-4]，导致管桩承载力效果大幅降低.

有专家针对管桩偏斜所带来的工程问题及解决方案进行了深入研究与探讨.方延强等[5]针对施工中预应力管桩偏斜受损程度的不同，分别提出了相关纠偏止损方案.朱李敏等[6]针对深厚软土地区偏斜管桩承载力进行试验分析，考虑预应力管桩的偏斜角度、淤泥质土深度及厚度、管桩直径等对竖向承载力的影响.徐江等[7]进行了大口径钢管偏斜桩竖向承载特性现场试验研究.傅建舟[8]结合实际管桩工程案例，研究了预应力管桩的纠偏以及补强的原理，提出了预应力管桩的施工质量控制办法.

本文以深圳市固戍水质净化厂二期工程为背景，通过数值分析方法研究了开挖方式、堆土荷载、机械荷载三方面因素对管桩偏斜的影响机制，并在此基础上提出了四种控制措施，通过数值模拟分析对前两种控制措施的有效性进行了验证，力争为类似工程提供一定经验参考.

1 工程问题分析

固戍水质净化厂二期工程位于宝安区西乡街道现状固戍水质净化厂一期项目用地以西，位于填海造陆区域，上覆第四系土层主要为人工填土层，全新统冲洪积层，下伏基岩主要为加里东期混合花岗岩.从上至下各土层划分如表1所示，各土层厚度由上至下依次为2.5 m、5 m、4 m、4 m、3 m、10 m.

由于施工场地位于填海区软弱土，不满足地基承载力要求，设计采用静压管桩进行加固.管桩采用PHC桩，外径400 mm，壁厚95 mm，桩长16 m.

在静压桩施工完毕，基坑开挖初期，进行试验开挖，发现部分管桩出现了偏斜，一度超过了规范值.后经勘察论证，判定管桩偏斜原因可能与基坑开挖方式、堆土方式、机械位置等有关.由于场地土强度较低，存在着较为深厚淤泥土层，各种不当的挖土方式、施工荷载均可能造成土体侧向位移，进而影响土体中管桩发生偏斜.本文通过模拟验证上述因素对管桩偏斜影响机制与程度，提出石灰桩加固、分层开挖、禁止施工荷载扰动等技术措施控制管桩偏斜，对比分析处理措施效果.

表1 物理力学参数

2 数值建模

采用数值分析软件Midas GTS建立二维数值分析模型，模型长65 m，高28.5 m，基坑开挖深度5.7 m，土体采用摩尔库伦本构模型、平面应变单元模拟，基坑围护桩及坑内管桩采用弹性模型、梁单元模拟，围护桩与管桩均为PHC桩，桩间距2.3 m，直径400 mm，壁厚95 mm，长度16 m，桩顶标高位于地下1m处.模型底面约束水平和竖向位移，侧面约束水平位移，模型上表面为自由边界(如图1、图3、图5).主要物理、力学参数见表1.

3 管桩偏斜机制

主要分析开挖方式、堆土荷载、机械荷载单一因素对管桩偏斜的影响程度及大小.模拟工况如表2所示.第一次开挖2.5 m至填土层底面，第二次在淤泥层一次性局部不均匀开挖深度3 m，同时考虑开挖临空面附近堆土与机械荷载等影响因素.

表2 数值计算工况

3.1 开挖方式

由于该施工场地位于填海区软弱土地带，表层为素填土，其下为较深厚的淤泥土层.淤泥土体松散、欠固结、含水量高、灵敏度高，基坑开挖前静压桩及围护桩的施工使淤泥土受到扰动，其强度会明显下降.初期施工时使用大型机械一次性开挖较大深度，未能严格按照分层均匀开挖.管桩两侧承受不对等荷载.不均匀开挖深度越深时，开挖临空面高差越大，两边荷载差越大，受卸载作用，淤泥层会加速向临空面位移，挤压管桩产生位移.

图1 不均匀开挖模型

模拟淤泥层一次性开挖3 m深度，如图1所示.管桩最大水平位移沿桩身变化如图2所示.可知，当一次性开挖深度过大(3 m)，且临空面坡度较陡时，管桩桩顶最大水平位移达到87.9 mm，不均匀开挖引起的管桩偏斜主要发生在桩顶以下12 m深度范围内，且管桩水平位移随着深度的增大逐渐减小，到桩身下部偏移量已接近0.

图2 管桩最大位移曲线

3.2 堆土荷载

初期试验开挖时，基坑开挖出的土体直接堆在坑壁附近一段时间，未及时转运走.堆土会在坑壁附近产生直接竖向荷载，加剧开挖临空面边坡不稳定性.淤泥土处于流塑状，直接致使淤泥土向临空面方向挤出，造成管桩偏斜.

保持开挖深度3 m，在坑壁附近设置5 m宽、2 m高堆土.由图4可知，管桩水平位移同样随着深度的增大逐渐减小，管桩发生偏斜的范围主要集中在桩顶以下13 m深度范围内.堆土荷载下管桩最大水平位移为103 mm，相较于无堆土条件下桩顶最大位移增加15.1 mm，增大了17.2%.

图3 堆土荷载影响模型

图4 管桩最大位移曲线

3.3 机械荷载

大型开挖机械其自重较大，同时开挖土体时还会产生一个反作用力.当开挖设备距离开挖临空面距离非常近时，其势必会对坑壁附近土体形成一个极大的竖向荷载，类似于堆土荷载，但远比其大得多，对坑内临时边坡的稳定性造成重大不利影响，导致土体侧向位移，管桩偏斜甚至机械设备沉陷.

图5 机械荷载影响模型

保持开挖深度3 m，模拟坑壁附近施加机械荷载50 KPa，作用宽度3.6 m.由图6可知，管桩水平位移随着深度的增大逐渐减小，管桩发生偏斜的影响范围主要集中在桩顶以下深度9 m内.管桩最大水平位移位于顶部，为218.6 mm，相较于未施加机械荷载时最大位移增加130.7 mm，增大了148.7%，增长幅值较大.

图6 管桩最大位移曲线

4 控制处理措施

在试验开挖初期发现坑内局部管桩偏斜过大后，结合现场地质条件、周边环境，提出了石灰桩加固、分层分区均匀开挖、开挖面附近禁止施工荷载、补桩等多重措施解决管桩偏斜的难题.以简单高效的方式迅速从根本上解决问题，有效控制开挖临空面边坡稳定性以及管桩偏斜，避免了工期延误.

4.1 石灰桩加固

石灰桩加固主要指对流塑性较强的淤泥层采用石灰桩进行预处理，通过生石灰与水发生化学反应，达到快速降低淤泥层含水率，提高土体强度和侧向刚度的目的.软土地层中基坑开挖引起管桩偏斜的原因主要是由于土体侧向位移较大，通过石灰桩固化土体的方式提高土体的强度，增大承载能力，在管桩上部形成一个硬壳层，限制其水平变形，从根本上较大程度地控制了管桩偏斜.

模拟对开挖深度内3 m淤泥层范围进行石灰桩加固.加固后等效土体参数为E=20 MPa，μ=0.3，γ=19.5 kN/m3，c=32 kPa，内摩擦角36°.

如图7所示，保持开挖深度3 m与堆土荷载条件相同，未做加固时桩顶最大水平位移103 mm，加固后最大位移28 mm，减小了75 mm，同比降低72.8%.桩顶以下8 m深度内加固前后位移差异较大，8 m深度以下基本无差异.

图7 管桩最大位移曲线

保持开挖深度3 m与机械荷载条件相同，进行未加固与加固成效对比.如图8所示，加固后的管桩最大水平位移变化规律与无加固措施变化规律一致，但采用加固后的位移值小于无加固措施，桩顶最大位移值减小了约86.9%.结果表明，对管桩桩顶下淤泥层进行石灰桩加固的方案可抑制管桩发生水平位移，是较为有效的加固方案.

图8 管桩最大位移曲线

4.2 分层放坡开挖

上文提到，软土地层中一次性开挖较大深度且坡面较陡时会加剧土体侧向位移致使管桩偏斜.于是通过改进土体开挖方式同样可以控制管桩偏斜.遵循“分层、分区、放坡、留土”施工原则，分层是根据不同土层性质确定不同分层开挖厚度，填土层分层开挖深度不超过2m，淤泥层分层深度不超过1m；分区是根据不同建筑物基面高程不同分成不同开挖区；放坡同样随土层性质不同而调整，填土层开挖坡度可定为1∶2，淤泥层坡度需大幅放缓，接近1∶10；留土即由基坑中间向四周开挖，基坑围护结构附近预留一定距离反压土，减小基坑侧壁位移对坑内管桩影响.

图9 分层均匀开挖模型

图10 管桩偏斜位移曲线

模拟在淤泥地层中单层开挖1 m，如图9所示.由图10对比可知，未分层下管桩最大水平位移87.9 mm，分层放坡条件下该值为23.8 mm，减小了72.9%.结果表明，分区分层放坡开挖的挖土方案可抑制管桩水平位移，是可行的控制措施.

4.3 禁止施工荷载

对于开挖掌子面附近存在堆土与机械设备荷载造成管桩偏斜较大的问题，采取更新挖土设备与土体运输车位置解决 ，即通过调用长达29 m长臂反铲挖机进行淤泥层挖土作业，保持开挖设备距离开挖临空面距离不少于20 m，同时装土运输车辆停在开挖面30 m距离以外，尽最大可能减小施工荷载对管桩偏斜的影响程度.

4.4 补桩

对于桩身已发生严重偏斜甚至断裂的管桩，优先考虑进行补桩.

4.5 其他措施

基坑开挖区域内布置网格化排水系统，施工过程中通过网格排水和晾晒的方法提高浅层地基承载力，通过提高土体强度以间接限制管桩水平位移.

5 小结

1)基坑开挖方式、堆土荷载、机械荷载均会造成管桩偏斜增加，其中机械荷载影响因素权重最大，相较于未施加机械荷载时管桩最大位移增大了148.7%.

2)采用石灰桩加固可有效抑制管桩偏斜，在堆土和机械荷载单一条件影响下桩顶最大位移分别减小72.8%、86.9%；采用分层均匀放坡开挖比局部一次性开挖3 m可减小桩顶最大位移64.1 mm，约72.9%.

3)使用长臂反铲机以实现开挖掌子面附近无施工荷载扰动，设置网格化排水和晾晒提高土体强度，通过简单高效的技术手段实现对管桩偏斜的控制.