【摘要】 文章通过对预应力高强混凝土管桩挤土原理进行分析，结合某港口铁路站场软基处理工程大面积采用该桩型加固的实例，根据施工前期出现的明显挤土效应对周边建(构)筑物及工程自身产生的不利影响及损坏情况，经分析研究，采取了有针对性防治措施，最终取得了良好效果，可供同类工程施工参考。

【关键词】 预应力;混凝土管桩;挤土原理;

预应力高强混凝土管桩(后简称PHC管桩)具有工厂化生产造价低、品种规格多、适用范围广;运输方便、接桩快捷、工效高;可静压法施工、对环境影响小;桩身混凝土强度高、穿透能力强;检测方便、桩身质量可靠、承载力高等优点。自上世纪90年代以来，PHC管桩在国内沿海较发达地区被普遍使用，尤其是近十年来，随着管桩生产企业的增多、管桩施工工艺的逐渐成熟，加上沉桩设备的更新，该种桩型近年来在许多项目中已取代传统桩成为桩基工程中的主流桩型，应用前景广泛。但任何事物都有不足之处，PHC管桩施工时产生的严重挤土效应是该桩型主要不足之一，会对工程自身及周边建(构)筑物产生影响甚至危害，严重时可能导致前期已施工的桩基产生浮桩、倾斜、便位、断桩，引起周边建(构)筑物的位移、沉降、开裂，造成周边道路隆起，危、旧结构倒塌等严重后果。

1 PHC管桩的挤土效应

1.1 挤土效应产生的机理及主要表现

PHC管桩施工分锤击和静压两类，但不论哪种方法，均属于挤土类型桩。施工时虽然可通过选择开口型桩，让部分土体进入管桩内部来减轻挤土效应，但很难做到完全消除。在我国沿海地区，由于地下水位较高，水中富含腐蚀性离子浓度较大，为了避免成桩后地下水沿管芯内壁渗流到管桩接头位置或者反渗至桩顶承台内部，造成管桩焊接接头或承台内部钢筋受腐蚀而造成破坏;另外为了确保沉桩顺利、精确控制桩位和垂直度，因此在沿海地区，大多采用闭口型桩。沉桩时因桩周土体结构受到扰动，改变了土体原有的应力状态，尤其是在低强度的软土区域，由于土体含水量高，具有低透水性。当桩在软土中快速下沉时，土体中水无法迅速排走，土体不能快速在原位被压缩稳定，先沿管桩径向扩张，随后再在沉桩影响区域内发生向上移动，具体表现为地面附近的土体向上隆起，而在地面以下较深层的土体，因上部覆盖土层的重力作用便产生明显的径向挤压，往周边扩散。尤其是在大范围高密度的群桩施工时，因单桩迭加效应，地基土中沉入桩越多，土向四周的扩张压力和位移就越大，地表土的隆起也越明显。这种挤土作用常伴有对已有结构物、在建工程和环境的损坏，主要表现为:

(1)已施工的桩发生偏位或倾斜:因后施工桩的挤土迫使附近先施工桩发生径向位移。根据施工经验，桩越密，施工面积越大，施工区域软土层厚度越厚，土体含水率越高，桩周土体产生的位移或倾斜就越大，桩头开挖后发现因挤土引起桩顶偏位10～20cm是常有之事。

(2)先沉入的桩出现浮起桩、失效:管桩施工挤土引起土体向四周扩张不仅仅发生在水平方向，同时也发生在竖直方向。由于桩端处于较厚较硬的持力层中，持力层地层又往往压缩性较小，深层土在径向位移受限的情况下，因地表为自由面，所以土的竖向扩张只能表现为向上移动，进而出现地面隆起，造成先沉入的桩随着土体一并上浮。当桩侧土上浮产生对桩的上浮力导致桩端压力降低或转为拉力、产生负压时，造成地下水向桩端集中，造成持力层软化、强度降低。只要桩体所受的上拔力大于桩体自重及桩体所受向下摩擦力共同作用时，桩会持续上浮，导致桩端传递竖向压力的能力丧失，更严重时会出现接桩不好的接头被拉断，留下严重的质量隐患。

(3)对已施工的桩产生致命破坏:由于地质的天然分层特性，不同土质的土挤土强弱不同，如上下土层地层特性明显差异的情况，受挤土作用造成已施工的桩所受的侧向力和位移的差别较大，所以倾斜和弯曲在不同地层的土质中并存，更甚者因为管桩不同截面上所受剪力不同，会出现断桩情况，导致前期自检合格的桩在抽检时出现不合格的严重后果。

(4)挤土区域内已有的建(构)筑物受到影响或破坏:PHC管桩沉桩挤土对周边影响的大小受管桩规格、土的性质及状态、沉桩速度、桩的流水施工、沉桩区与周边建筑物的距离等影响。因桩周土体产生的水平位移和隆起，致使对挤土影响区域内周围地面、地下管道和其它结构产生影响。造成沉桩区域附近地面开裂，十分常见;因挤土造成邻近建(构)筑物开裂而发生纠纷和索赔也是常事;因挤土造成邻近管道断裂也屡见报端。不过，随着施工经验的积累，因挤土效应可能会发生各种不良后果，施工单位通常都高度重视，提前采取相对应的措施或加强过程控制，避免出现严重后果。

1.2 挤土效应的影响范围

根据经验，沉桩过程中土体的位移状态往往跟土的性质密切相关。灵敏粘土在管桩施工中会产生软化，土体从桩周边挤出地表隆起高度较大;非灵敏粘土(如硬粘土、细砂、粗砂等土层)土体隆起量就比较小;软土地基因天然含水量高、土体压缩性强加上承载力低，而且有触变、流变、低透水性和低抗剪强度等特性，因此决定了软土相对于其它土质所产生的挤土效应影响会更加明显。当桩周为松散土或非饱和土，土体一旦受到挤压，土体体积便会发生较大的压缩，这种土质可以有效的抵消挤土压力，挤土效应的影响相对较小;当桩周土为松散或中密砂土时，挤土影响范围为4～5倍桩径范围;当土体为一般的粘性土或者密实的饱和砂土时，在沉桩区及10～15倍桩径范围内，土体侧向位移与隆起高度将达到较大值，随着距离的增大而逐渐减小，影响区域在2倍桩长范围内。当土体为饱和软土受到挤压后，体积不会收缩或者收缩量很小，挤压应力主要通过土体位移来消减，挤土效应十分显著，地表隆起影响范围可达50m远。

2 工程实例

2.1 工程简介

某港口铁路站场位于罗源湾南岸滨海滩涂位置，站场软基加固处理面积约0.13km2，设计采用PHC管桩加固，管桩总数8562根，总长250321延米。管桩采用正方形布置，桩长14～44m，间距2.3m，每桩桩顶各设一1.4m×1.4m×0.35mC35钢筋砼桩帽。

本工程周边环境:软基处理区域南北两侧大面积范围内为民房、村办企业及学校等公共设施，其中村办海带加工厂、学校紧邻施工区域，海带加工厂厂房距离沉桩区域最近距离仅有5.3m，小学、幼儿园距离施工区域最近距离3.2～15m，加固区域南侧约二十户民房距离沉桩点20～30m;软基处理区域东西向被已有框架涵洞分割，将加固区域划分为6个区域，具体如图1所示。

图1 施工环境平面示意图 下载原图

本工程于2013年12月开始进行试验段桩基施工，因试验段选取在较为空旷地带，远离周边民房、村办企业、学校及既有框架涵洞等，且因实验桩施工期间沉桩数量较少，未出现因挤土效应产生的种种不利影响。但自2014年1月开始大面积施工以来，不到一周时间，先后发现海带厂老旧简易厂房、既有框架涵洞出现不同情况位移、变形，同时沉桩周边施工便道、村道等出现隆起、开裂等现象。

2.2 工程地质及水文地质条件

2.2.1 地形地貌

本工程加固场地所处地貌为冲海积平原(Ia)，地势平坦开阔，站场位置铁路建设前多为养殖塘，局部为旱地，后因铁路建设征用回填，表层为素填土。

2.2.2 地层岩性

场地地质勘察最大深度为48.7m，根据钻探揭示，各层地基土的地质时代、成因类型、分布情况如下:

(1)素填土，杂色，松散，稍湿，成份为抛石、黏土等，碎块石成份为弱风化花岗岩，σo=85kPa，层厚0.2～4.50m，Ⅰ级松土。

(2)淤泥，流塑，深灰色、浅灰色，局部呈软塑，属高压缩性土，以黏粒为主，含贝壳碎片，有机质含量4.8～10.3%，局部夹薄层粉细砂、淤泥质粉质黏土，σo=45kPa，层厚4.2～39.80m，Ⅱ级普土。

(3)1圆砾土，中密，饱和，灰色、浅灰色，砾石母岩成分以弱风化状的花岗岩为主。σo=250kPa，层厚1.20～5.00m，Ⅲ级硬土。

(4)粉质黏土，硬塑，灰黄色、浅灰白色，以黏、粉粒为主，局部夹碎、砾石，σo=160kPa，层厚0.30～6.0m，Ⅱ级普土。

(5)1花岗岩(W4)，全风化，褐黄色、灰白色，σo=250kPa，Ⅲ级硬土。

(6)2花岗岩(W3)，碎块状强风化，褐黄色，灰白色，σo=500kPa，Ⅳ级软石。

(7)3花岗岩(W2)，弱风化，灰白色、浅肉红色。σo=1000kPa，Ⅴ级次坚石。

2.2.3 水文地质

地表水主要为养殖塘水。地下水共2层，第1层为赋存于浅部填土、淤泥中的孔隙潜水，富水性差，埋深浅;第2层主要为赋存于(3)1圆砾土中的孔隙水。

地下水具有硫酸盐侵蚀，环境作用等级为H1、具有二氧化碳侵蚀，环境作用等级为H2、具有氯盐侵蚀，在干湿交替条件下的环境作用等级为L2，在长期浸水条件下为L1。

2.3 挤土效应对本工程及周边环境的影响

在未采取消减挤土效应的措施之前，除发现海带厂老旧简易厂房、既有框架涵洞出现不同情况位移、变形，沉桩周边道路出现隆起、开裂等现象;还发现本工程场地内前期已施工的管桩出现不同程度的上浮，上浮量4～15cm不等;局部桩头开挖后，发现桩位出现了明显偏差，偏差量8～14cm。场地内主要表现为桩基施工平台填筑砂垫层较薄区域，出现施工平台下部流塑状淤泥翻出，冒出地表，淤泥质土层深厚区域局部发生大面积的地表隆起，其次是淤泥层厚较薄、粘土地质区域局部发生较小隆起。总体来看，虽然场地上部分布新近素填土、砂垫层施工平台，土体收缩时抵消了部分挤压，但影响范围同样达到30～50m。

3 挤土效应的防治措施

针对本工程发生挤土效应的现象，为了尽快消除与减轻挤土效应对工程自身及周边建(构)筑物的严重影响，确保施工安全，根据现场实际地质条件及周边环境情况，经详细研究分析后采取以下各项措施，终于在后续施工中有效地控制住挤土效应带来的不利影响。

3.1 现场设置消除挤土效应的沟槽

通过仔细查看现场，发现邻近学校操场区段管桩施工时未对操场场地产生挤土效应，学校操场地面没有出现隆起或者开裂现象，而操场对称一侧的村道出现了明显的开裂与隆起，分析原因得出，因操场与沉桩区域之间有一条地方排污排洪沟渠贯穿而过，排污排洪沟渠宽2m，沟深1～1.5m，进一步分析认为正是这条既有沟渠，抵消了管桩对学校操场产生的挤土效应。根据这一启示，在现场其余具备开挖沟槽的区域立即开挖消挤沟槽，具体做法如下:(1)消挤沟槽根据现场实际空间而定，沟宽以1～2m为宜，沟深根据地质情况确定，原则应≥1m，在确保边坡能自稳前提下尽量增加沟深;(2)挤土效应显著且条件允许的区域，可设置双排或者多排消挤沟槽，两沟槽中心距离以3～5m为宜。

3.2 有针对性的进行管桩桩尖选择

通常厂制成品管桩桩尖的形式主要有3种，即十字型、圆锥型和开口型(个别项目存在根据现场实际进行自制桩尖情况)，十字型与圆锥型属于闭口桩尖，闭口桩尖沉桩时土体不能进入桩内。而开口型桩尖在沉桩时，桩身下部约有1/3～1/2桩长的内腔被土体塞满，消除了进入管桩内部的土体对周边的挤压作用，减小了超孔隙水压力的影响，而且从土体闭塞效果来看，单桩承载力也不会降低。故在挤土效应比较显著、距离周边建(构)筑物较近的、地质条件适宜开口桩施工的区域，首先选择使用开口型桩尖进行施工，明显减轻了挤土效应带来的弊端。

3.3 对成品铁质桩尖进行改良

某些地层使用开口型桩尖施工，管桩穿透力较差、容易出现桩位偏、垂直度难以控制，甚至无法达到设计承载力和桩长要求、出现断桩等现象，必须使用闭口型桩尖沉桩时，本工程对成品桩尖进行了改良，在成品铁质桩尖上打孔，孔径为5～7mm，孔距10cm，呈三角形布置，根据地勘资料揭示，地下水主要为富集于(3)1圆砾土中的孔隙水，利用带有改良后桩尖的管桩，结合现场部分区域持力层恰恰是圆砾土层的特点，将该种桩作为自然的排水通道，从而达到降低超静孔隙水压力的目的，减轻了沉桩时的挤土效应。

3.4 预钻孔排水

虽然使用了开口桩或者对桩尖进行了改良，但是开口桩入土时的挤土情况却与闭口桩相差不大，同样改良后桩尖的排水作用也不太明显。因此在沉桩区域，预钻设排水孔能明显减小沉桩挤土对地基变形与孔隙水压力的影响程度与范围。当采用预先钻孔后沉桩施工工艺时，预钻孔的孔径宜为桩径的7/10左右，预钻孔的深度不超过桩长的一半。所以，本工程的做法是在沉桩区域布置适量的钻孔(孔径:30～40cm，孔深10～20m，梅花形布孔，孔间距根据现场地质情况及含水量确定)进行排水，并且在孔内填入透水性能好的沙砾。预钻孔可设在前述消挤沟槽内，将消挤沟与周边排水沟连通后，消挤沟可兼作排水渠道。

3.5 科学、合理安排沉桩流水作业

沉桩流水作业会影响到管桩的挤土方向，因此挤土方向要与压桩的推进方向一致。先打入的桩对后打入的桩的挤压应力会起到阻挡，所以沉桩顺序对土体位移能起到一定的控制作用。因此，本工程的压桩施工特别注意科学合理安排沉桩顺序，总体遵循先施工线路中心管桩后施工两侧管桩，由线路中心逐渐向两侧对称施工;先施工横断面上布桩多的位置后施工横断面上布桩少的区域;建(构)筑物附近沉桩时，由近及远背离构筑物进行施工。

3.6 严格控制沉桩速率及沉桩数量

控制沉桩速率与数量应结合现场实际，根据施工区域不同的水文地质特点，因地制宜。按照施工经验，压桩施工若采用一次性连续压桩到底、或者连续沉入大量桩基，则桩上浮概率较大、挤土效应也非常明显，如果采用长距离“之”字型大面积流水缓慢施工，不仅桩基上浮概率较小，且挤土效应也不明显。沉桩速率与数量对土体变形的影响作用主要来自于超静孔隙水压力，其次是管桩体积增大对土体的挤压，土中应力的传递与超孔隙水压力的消散往往需要一个过程。沉桩过程中，超孔隙水压力的增长速度比消散速度快很多，但在沉桩间隙，超孔隙水压力会明显下降。因此，控制沉桩速率与沉桩数量对于保护邻近建(构)筑物与工程自身桩体不受损坏非常关键。结合现场实际，本项目通过有计划地控制单桩一次性沉入时间及日沉桩量，综合统筹考虑施工进度。根据试验，沉桩速度按2～3m/min控制，按每日沉桩数量控制在15根之内，以利于土体受挤压后缓慢向外扩散，给扰动后土体及超孔隙水压力充裕的回落及消散时间。另外，针对加固区域不同地质情况，结合监测数据实时调整沉桩速度，确保既不因沉桩过快造成大的挤土效应，又不因沉桩过慢耽误施工进度。

3.7 加强施工过程监测

针对本工程复杂的周边环境，结合前期施工中已出现的种种因挤土效应产生的不良后果，本工程在后期施工中，除采取以上措施外，还加强了对既有建(构)筑物的日常监测，根据相关规范设定了监测预警值及应急处理预案。现场做到监测与施工同步，用监测数据指导现场施工。监测数据一旦出现异常，立即停止施工，分析原因，采取有针对性措施，消除影响后方能继续施工。具体制定了对既有框架涵的位移、沉降、倾斜及伸缩缝处开裂的监测;对海带厂老旧厂房的裂缝、位移、沉降进行观测;对学校教学楼、操场、沉桩区域周边既有村道进行沉降、位移及裂缝的监测;对前期已施工的桩基进行水平位移、沉降监测。

3.8 沟通、协调进行变更设计

对采取以上几条措施后，仍无法避免挤土效应对已有建(构)筑物产生损坏的，通过协调、进行变更设计，将既有框架涵洞两侧5m范围内管桩变更为高压旋喷桩，确保投资不减少的情况下，结合框架涵台背的特殊性，增大高压旋喷桩的布桩密度，对邻近民房和学校教学楼等部位的管桩变更为钻孔灌注桩。

4 防治措施的效果检验

本工程自采取上述各项防治措后，施工期间再未发生浮桩及既有框架涵、周边道路、附近房屋产生位移、隆起及开裂等现象，达到了预期的目的，确保了安全有序施工;未发生因挤土造成周边群众房屋受损要求索赔、阻工或其他影响施工的纠纷;后期自检小应变及静载试验显示所施工桩基全部合格，I类桩比例高达97.6%;第三方检测及质量监督站抽检均一次性通过，合格率均为100%，得到了参见各方的一致认可，证明了本工程采取的种种防治措施不仅切合实际、科学合理，而且效果显著。

5 结语

综上所述，近二十年来，我国改革开放和经济建设的快速发展，PHC管桩逐渐扩大到工业与民用建筑、市政、冶金、港口及码头等众多领域，PHC管桩作为一种新的桩型，已成为一个富有朝气的新兴产业。但PHC管桩施工时产生的严重挤土效应是该桩型的主要不足之一，尤其是在沿海滩涂、深厚淤泥地质区域采用群桩加固软土地基，挤土效应会对工程自身及周边环境产生影响甚至危害，虽然在多年的实践中工程人员积累了许多有效的对策，但仍未从根本上解决PHC管桩施工产生挤土效应的问题，有待于我们进一步去总结、探讨。

参考文献

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