【摘 要】目前,桩基工程引发的环境问题日益增加,造成的不良后果日益严重,受到越来越多人们的关注,施工过程中挤土桩的挤土效应会对邻近建筑物和地下管线造成影响。本文结合工程实践介绍和讨论减少打桩对环境影响的几种工程措施,对深层搅拌桩和钻孔灌注桩同样可根据工程实际采取一定的方法进行处理,以减少对周围环境的影响。
【关键词】桩基工程;挤土桩;深层搅拌桩;钻孔灌注桩
当前环境问题已经受到人们越来越多的关注,对于挤土桩而言,无论采取防治措施与否,只要施工过程中存在挤土作用,沉桩时都会对周围环境产生影响,除常见的噪音、震动影响外,还会使土体受到一定程度的挤压,致使土中空隙水压力升高,引起地面隆起和土体产生水平位移,因而会对周围原有建筑物、道路和地下管网设施带来不利影响。重者会使建筑物基础被推移,墙体开裂,地下管线破损或断裂,严重影响附近居民的正常生活和人身安全。
1. 一般挤土桩施工引发的环境问题及防治措施
1.1 挤土桩施工引发的环境问题。
工程实践表明,在挤土桩施工过程中经常对周围环境产生一些不利影响。一般来说,地基土中沉入的桩数越多,土向四周的扩张压力和位移就越大。这种挤土作用往往造成对已建的建(构)筑物或地下管线的破坏[1～3]。例如宁波市一工程,在沉桩施工过程中,造成距离该工程施工现场13米处的一住宅楼F8柱上抬11mm的同时,该柱向西南偏移25mm,地梁上面的墙体出现3～5mm的垂直裂缝两条。经分析认为住宅楼地梁开裂是由于该工程桩间土体挤压造成的,具体原因有:(1)施工过程中沉桩速率较快,根据记录得知住宅楼地梁开裂时施工现场的沉桩速度达9根/d;(2)施工现场的防护措施不充分,防挤沟过浅;(3)施工过程违反了先深后浅、先高后低的正常施工程序,也是造成事故的一个客观原因。
1.2 挤土桩环境影响的防治措施。
常见的减少挤土桩挤土效应引发的环境问题的措施有:
1.2.1 帷幕保护法。
帷幕保护法是指在桩和管线之间一定的宽度和深度范围内设置隔离帷幕,以隔离打桩引起的土体位移,保护帷幕另一侧的地下结构。帷幕分为柔性帷幕和加强帷幕两类。柔性帷幕通过降低土的强度、刚度和密度达到吸收体积变形,减小挤土位移和打桩振动的作用。柔性帷幕的作法一般有防挤沟、钻孔排等。
(1)防挤沟。
这种方法只能消除打桩施工对土体的浅层影挤压作用。由于防挤沟不能做得太深,所以无法隔断深层土的挤土作用,将它用在保护浅层地下管线有一定效果。防挤沟底标高应位于保护对象的基础底面以下,对邻近的被保护物体效果更好。但根据地形,商应注意打桩引起沟壁坍塌的危险。例如某工程工地东北角5m外,围墙外人行道下就有7根电缆,这种情况下,如果围墙开挖防挤沟,围墙就会倒塌,所以施工时这部分就没设置防挤沟
防挤沟宽度一般采用1.2~2m,深度一般采用2~2.5m,可根据工程实际情况确定。
(2)钻孔排。
与挤土沟相比,钻孔排有如下优点:施工操作简便;钻孔可以达到沟槽无法达到的深度;钻孔排可以根据工程现场的特殊情况灵活布置。其特点如下。
一定间距的钻孔帷幕具有明显的隔离位移和降低孔隙水压力的作用;由于钻孔的存在解除了大量的侧向约束力,使帷幕内侧的水平位移加大;钻孔排的隔离效果与被保护结构和隔离帷幕之间距离有关,隔离深度基本和帷幕深度一致。
(3)设置隔离槽或控制桩。
在桩位线和要保护的建(构)筑物之间开挖挤土缓冲沟即隔离槽或控制桩,其与桩长的关系式为:H≧h0[ l+ al×tg(45。+φ/2)-a-b]
图1 隔离槽示意图
在沟内回填砂或者其他松散材料,这种防护沟对减少地面表层位移的效果较好,特别是对于浅埋管线能起到一定的保护作用。
为保护各种管线,可在缓冲沟中每隔2m钻一直径0.5m、深15m的取土孔(15m为沉桩挤土效应的影响深度)。
1.2.2 降低孔隙水压力。
陈桩施工对周围土体来说,可近似地认为是一个不排水挤土过程。随着入土桩数量不断增加,土体中孔隙水压力急剧上升,这时超孔隙水压力很难消散,就会破坏土体的天然结构强度,引起土体的隆起和位移。设置排水砂井和塑料排水板等人工排水通道,可加速孔隙水压力的消散,是减少沉桩影响的有效且较经济的之一。尤其是在地下有浅埋含砂性土层时,效果更为明显。排水砂井是在打桩区的四周或者群桩内部,挖出一定桩径和桩深的桩体空间,内部填砂或埋置塑料排水板。沉桩过程中,可以看到砂井满水现象。工程实测发现,砂井对孔隙水压力的减压作用平均达40%左右,在孔隙水压力出现峰值时,作用发挥得最好(可减压50~60KPa),一般情况下可减压10~20KPa。在桩区内打设1~2排砂井,可使地面水平位移减少1~2cm。实践证明排水砂井对消除孔隙水压力效果显著,相比之下塑料排水板效果一般。
排水砂井宜采用出土灌砂挤压成孔工艺,沙井深度及间距视具体情况而定。目前常用的砂井深度一般为10m左右,间距为1.5~2.0m,井陉0.4m(宜用小直径),在陈庄区四周一般设置2或3排,按梅花形布设。此类方法主要目的是要尽快使打桩引起的超孔隙水压力消散,实践证明此法对土体的体积变化率的效果并不很显著。 1.2.3 预钻孔取土成孔后打桩。
预钻孔取土法是预先在桩位处或在打桩区域内钻孔取土,基本概念是用这部分取出的土量去抵消一部分桩的挤土量,以减少在打桩施工过程中对周围土体的挤压力及扰动。但挤土影响并非沿桩体长度成比例减少挤土量,实际情况是,在桩区内和近距离的土体减少挤土量相对较多(约25%~40%),因此预钻孔取土法是减少预钻孔深度范围内挤土较直接的有效手段之一,特别是可以减少浅层的挤压作用,但上部的取土并不能改善深层土体的侧向挤压。
预钻孔取土也可以打在非桩位上。这种措施的作用相当于增加了塑性区内土的体积压缩变形。孔隙水压测试资料表明,该方法的挤土效应效果明显,对周围土体的扰动及挤压应力明显减小。
一般为保证打入桩的承载力,预钻孔的直径一般不大于桩径(或折算直径)的2/3,深度H宜为桩长的1/2~2/3。
桩位预钻孔是一种有普遍适用性的控制挤土桩挤土作用的措施。为有效保护地下管线,预钻孔的深度需结合土层条件认真考虑,一般地下管线埋深在2m内,若管线之下有较厚的硬土层(如粉质粘土),能部分隔离下部软粘土的位移,则钻孔深度只需达管线下3~5m;若无硬土层,管线下部为厚淤泥质土层,则钻孔深需达10余米。这是由于在单桩周围沉降,浅层土的位移大于深层土,而且浅层土已竖向位移为主,深层土则主要是侧向位移。如何选取预钻孔的深度,要求根据桩基地质和工程的下列情况决定:(1)浅层土体强度和压缩模量;(2)桩的直径;(3)桩的密度和数量;(4)管线埋深;(5)管线和桩的间距;(6)管线的强度和变形性能。
1.2.4 控制桩施工方式。
(1)合理安排打桩流水。
打桩流水并不减少总的挤压影响,而是改变它们的分布方式。先打入桩周围土的扰动以及随后再固结和触变恢复,使桩土间产生抗位移阻力,在竖直向更大。于是土朝打桩前进方向挤去,所以对邻近建筑物的影响也循此规律。此外还应该注意,最早打入的桩受挤压影响最大,因此施工中常采用分区沉桩的方法,用区域内大跳打及区域内小跳打相结合的施工顺序可防止孔隙水压力在某一区域的过量积累,从而使周围建筑物、管线等设施的各部分变形趋于均衡,可减小其变形差。因此一般应分区对称施工,若存在边坡挡墙等薄弱区域,或者邻近有保护物时应仔细权衡利弊。
另外,在工程桩密度较大时,对同一排桩按一定的间隔沉桩也是防治措施之一。为了保证打桩工程质量,防止周围建筑物受挤压土体的影响,打桩前应根据桩的密集程度、桩的规格、长短和桩架移动方便等选择对周围环境影响小、压桩效率高的顺序。
(2)控制沉桩速度。
打桩速率是指每天的打桩数,每天入土的桩数越多,孔隙水应力的积聚越快,对土的扰动越严重。特别是在打桩后期,打入区内入土的桩数已达一定数量,土体的可压缩性逐渐丧失,因此打桩数率对土体的影响特别敏感,如不适当加以控制,危害相当严重。
在软土地基中,压桩施工进度过快,不但会显著增加孔隙水压力值,促使邻近土体剪切破坏,增大地基土体的变形值,而且扩大了超孔隙水压力的地基变位的影响范围,所以施工过程中应严格控制每天压桩的数量,其目的是使挤土引起的超孔隙水压力有足够的时间消散,从而有效地减小挤土效应。打一定数量桩后稍加停歇,孔隙水有一个消散的时间过程,可以减少孔隙水压力值。如南京长江大厦,施工中观察到挤土效应显著后,适时控制了打桩速度,基本控制了挤土效应。
为减少挤压影响,应严格控制打桩数率,包括日沉桩数和连续沉桩天数,但涉及到工期和施工单位的经济效益。单从减少影响的角度出发,每天沉桩数量越少越好。速率控制多少应根据工程的具体情况以及周围建筑物的反应而定。
2. 深层搅拌桩施工引发的环境问题及其防治措施
深层搅拌法是利用水泥等材料为固化剂,通过特制的搅拌机械,在地基深处就地将软土和固化剂搅拌。由于固化剂和软土间产生一系列物理化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土,从而提高地基强度和增大变形模量[4、5]。长期以来认为其可最大限度地利用原土,搅拌时不会使地基侧向挤出,因而对周围环境没有影响。但是最近在某些基坑工程围护止水桩(深层搅拌桩)施工的监理过程中,发现了其施工队周围土存在挤土效应而使得地基土产生垂向隆起等现象,进而造成了地面变形和煤气管线挠曲[6]。
对深层搅拌桩施工造成的环境问题可采取如下措施:
(1)减少每次连续成桩数量,减缓成桩数率;
(2)在可能的情况下,先施工外排桩,再施工内排桩,以达到一定的屏蔽作用;
(3)在被保护对象与桩之间挖设卸压槽,以减少挤压力,阻隔其隆起;
(4)进行连续施工监测,根据检测资料调整施工部署,当隆起值过大时暂时停工,待隆起值降低到一定程度后再行施工。根据监测数据,调整至最佳施工参数。
3. 钻孔灌注桩施工对环境的影响及其防治
钻孔灌注桩虽可以避免振动影响,但当桩穿过砂层时,若未能及时用泥浆护孔,就会造成孔内涌砂、塌孔等,对周围已有建筑物构成威胁[7]。
钻孔灌注桩造成的另一个环境问题是泥浆对环境的污染问题。
钻孔灌注桩的泥浆是桩孔施工冲洗液,主要作用是清洗孔底、携带钻渣、平衡地层压力,以及护壁防踏、润滑和冷却钻头等。
由于采用泥浆作业,特别是在易于自然造浆的粘土层钻进,往往会产生大量的高粘度、高密度的废泥浆,加上排除的大量钻渣,如果处理不当很容易造成附近水质污染。
近些年来,国内外有关科研和施工部门致力于研究废浆钻渣的处理,取得了很大进展,能够比较有效地处理这些施工废弃物,控制对环境的污染。目前常用的方法有如下几种:
(1)机械处理。
使用专门的泥浆分离设备对废浆、钻渣进行分离处理。这类泥水分离设备有机械振动筛、旋流除砂器、真空式过滤机械、滚筒或带式碾压机及大型沉淀箱等。使用时,通常将上述几种机械联组成一套废浆钻渣处理系统,进行泥浆分离联合处理,形成含水量不高的湿土和符合排污标准的污水。最后湿土装车外运,污水从下水道排走。这类处理方法的主要不足是占用场地较大,动力消耗增加,处理量一般不超过15m3/h,不能适应大量废浆及时处理。
(2)化学处理。
使用化学絮凝剂进行絮凝沉淀,使泥水分离,然后清出沉淀的泥渣。由于这类絮凝剂的价格很高,而使用量往往有比较大,所以处理费用也较大;此外,为防止有害化学元素对地下水、邻近地面水或土的污染,对使用化学絮凝剂也作了比较严格的限制,故在施工中单独使用化学方法对废泥浆的处理也比较少。
(3)机械化学联合处理。
这种方法采用较多。首先用振动筛将废浆中大颗粒的钻渣筛出,再加入高效的高分子化学絮凝剂对细小的钻渣进行絮凝沉淀,然后送至压滤机或真空过滤机进行泥水分离,最后将分离出的湿土和污水分别清出排走。
(4)重力沉淀处理。
这种方法比较简单,主要依据场地条件设置数个沉淀池,泥浆中的钻渣靠自身的重力沉淀,形成含水量较大的浓稠状废浆,装入槽罐车运走。
参考文献
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[2] 胡军.临近桩基施工造成新建住宅开裂事故的分析与处理.工程质量,2000(4):38～39
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[5] 程鉴基.水泥土深层搅拌桩设计与施工,建筑技术,2001,32(3):172
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