浅析邻近罐施工挤土效应预防和控制措施
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摘要：静压管桩沉桩施工时会对周边土体产生挤土效应，对工程桩本身和附近建、构筑物造成危害和破坏，采用综合性的防挤土影响方案往往能起到较好的控制效果。
本文通过对中化南通二期油品储罐扩建项目456#罐组静压桩基施工过程中挤土效应综合性预防措施成功应用的介绍和分析，为同类型施工条件下挤土效应的预防提供参考和借鉴依据。
中化南通二期扩建项目456#罐组桩基罐基础施工工程，新建储罐8.12万立方，其中1万立方储罐两台，0.5万立方储罐10台，0.36万立方储罐2台，0.25万立方储罐2台。储罐施工采用插缝式施工的方法，在原有罐组东侧场地新建，建成后与原有罐组合并为一个罐组；新建储罐与原有储罐近距离施工，储罐间最大间距为14.55米，最小间距只有7.5米。本工程基础形式为高强度预应力混凝土管桩加筏板基础形式，采用静压施工方式，桩型选用PHC-400（90）AB-C80，C型开口桩尖，有效桩长22米至24米；本工程共施工桩基1549根，单桩竖向承载力特征值650KN至980KN，设计桩身均以第 6层粉砂夹细砂层为持力层，要求桩身全截面进入砂层约为2米。库区原有储罐基础形式为复合地基加环墙结构，未进行桩基施工，由于使用时间较长，目前储罐本体已出现明显的锈蚀现象。静压桩基属于挤土型桩基，加之新旧储罐的施工间距较小，因此在新建储罐的施工过程中，必然会对原有储罐的结构产生一定影响，严重时可能会产生重大的生产安全事故，生产和经营将面临重大挑战。
一、挤土效应形成及影响分析
1、挤土效应的形成
静压管桩在沉桩过程中桩身体积占用了土体原有空间，使桩身周边土体向四周排开或挤密，使土体产生竖向涌起和水平的移动，造成周边桩体上浮。静压管桩入土深度较深或地下水位较浅时，在沉桩过程中会产生很高的超孔隙水压力，造成土体破坏。未破坏的土体会因为超孔隙水压力的不断传播或消散而蠕动，导致土体垂直隆起和产生比较大的水平移位。静压管桩沉桩时造成原有土体的结构破坏，沉桩结束后，桩周土体的应力逐步释放，土体重新固结，使桩身产生向下的拉应力，降低桩基的承载能力。
2、456#罐组桩基施工挤土效应影响分析
扩建项目的插缝式施工方式使新旧储罐近距离施工无法避免。静压桩基施工产生的挤土效应对原有储罐的地基和上部结构造成一定程度的破坏，直接影响储罐的使用安全和使用寿命，同时也使生产经营面临巨大挑战。
二、挤土效应的预防和控制措施
1、挤土方案的确定
挤土效应的预防重点在于解决沉桩施工过程中产生的挤土应力对原有建、构筑物以及新施工桩基的破坏和不利影响，确保周边建、构筑特的安全使用，保障工程的顺利开展。考虑挤土效应可能带来的严重后果，项目施工前，在充分考虑新建储罐施工面临的各种不利因素和施工可能带来的风险，先后制定了多套应对方案，其中包括邻近储罐的倒罐作业。经过充分的论证和分析，结合项目实际，最终确定以紧急倒罐为最后保障，多种预防措施相结合的应对方案，以确保项目有序的展开。
2、挤土效应预防和控制措施
长期的施工经验告诉我们，挤土效应有很多种应对措施，包括防挤沟的开挖、设置应力释放孔、合理安排打桩顺序、控制打桩速率等。在施工过程中，结合实际施工特点和现场地质条件，选择适合的应对措施才能最终有效的预防和控制挤土效应的影响范围。
1）设计阶段桩尖类型的选择
储罐基础为群桩基础，根据地基承载力的不同单桩间距会有所有同，456#罐组桩基最终确定的极限承载力值只有1300KN，根据罐容已属于最低限度的承载力极限值取值，桩基的布置较密，间距较小。根据实际地质情况的差异，静压桩基在施工过程中将会产生不同程度的挤土现象，为此在项目的详细设计阶段，设计单位已经考虑了桩基施工可能对周边建、构筑物及其他桩的影响，在桩尖的选择上采用了C型的开口桩尖。开口桩尖的选用可有效的降低挤土效应的产生，在工程施工过程中，一部份土体进入管桩空心部位，有效减少管桩占据原有土体的体积，减轻对周边土体的破坏，减少对周边土体的排开和挤密效应。
2）应力释放孔的设置
本项目原有罐组位于456#罐组的西侧，管桩正式施工前，为消减压桩时挤土应力的传播范围，在新建储罐的西侧离储罐最外侧桩约2米的位置设置了一排应力释放孔，以释放部分深部孔隙水压力和挤土应力。应力释放孔沿南北方向布置，与新建储罐轴线平行，两侧与新建储罐基础边缘平齐。本项目应力释放孔直径φ200mm，间距为1500mm，深度为6000mm，根据土质特点，采用水冲法成孔，孔内未设置支护形式。
3）优化施工路线
合理安排施工路线对减少挤土效应具有十分重要的意义。挤土效应在理论分析中假定桩周围土壤密度是均匀的，但实际施工时，土体往往被挤向阻力小的方向，对这被保护建、构筑物方向沉桩，要比背这建、构筑物方向沉桩挤土效应要明显的多。因此，在456#罐组沉桩施工时，必须从靠近已建罐组一侧的桩位先进行施工（即背向已建罐组施工），以减少对原有储罐的影响。在沉桩施工中，已施工的管桩同样具有一定的阻挡挤土效应的能力，因此背向已建罐组施工，可以较好的利用已施工的管桩消除部分挤土效应，以达到减少挤土对已建罐组造成破坏。
4）采用跳压法施工
桩基施工期间，土中应力的传递和孔隙水压力的消散需要一个时间过程，在群桩施工过程中，延一个方向连续性的进行沉桩施工，将会使桩周土体应力产生叠加效应，加大挤土效应的危害性。因此，为减少群桩施工造成的挤土应力叠加，施工过程中采用隔一压一的跳压方法，间隔的桩等土中的应力传递消散后再进行施工，一般第一天先采用跳压法施工，第二天进行隔桩的补打施工。
5）控制沉桩速率
控制沉桩速率重点在于控制每天的打桩数量，采用不间断连续施工时，同时还需考虑连续施工天数。沉桩速率的控制应严格控制在1m/min内，不可因离原有建、构筑物的间距加大而提升沉桩速率。控制沉桩速率的主要目的，是为了避免超孔隙水压力急剧升高，造成对土体扰动和对周围环境的破坏。如果压桩加载速度大大超过土体中超孔隙水压力的消散速率时，土体含水量会增大。当土体受到剪切力大于其粘聚力时，就会发生膨胀，导致粘聚力降低而内摩擦角增大。随之着压桩的不断深入，各土层侧向部分被压缩，而竖向部分被挤胀。当侧向部分已经不能继续被压缩时，地面将发生隆起，从而产生裂缝。连续沉桩过程中，土体中的超孔隙水压力不断聚集，对土体的扰动也会不断增加，尤其是在压桩后期，由于土体本身已经接近于不可压缩，其位移对沉桩速率会特别敏感，所以在后期更应严格控制沉桩速率。
6）设置偏移和沉降观测
沉降和偏移观测的目地在于及时掌握原有储罐的结构变化情况，当沉降和偏移量超过理论数值时，及时采取应对措施，避免事故的发生。委托专业的观测单位，是监控的重要前提。在桩基施工前，预先在已建罐邻近新建罐一侧的环梁上设置2个沉降、偏移观测点，进行前期原始数据的采集。沉桩过程中，由专业观测单位每天早晚两次进行观测，及时进行数据的整理，及时反馈上报，根据观测单位提供的数据和反馈意见，及时通知现场施工单位减缓压桩速率或停止现场施工作业，以确保原有建、构筑的安全。
7）施工单位施工过程中的配合监测
静压桩基沉桩过程中，充分调用施工单位现有技术力量，加强对已完工桩基的沉降和偏移观测，加强桩基周边土体隆起情况的监测工作，为指导现场施工和判断挤土应力效应提供重要的参考依据。选择已完工的环墙底管桩作为观测点，在桩基背向已完工一侧沉桩时进行偏移及沉降观测，并根据实际偏移及沉降观测情况指导和控制现场桩基施工。
三、综合性预防措施在实际应用中的效果
以4#罐组G-2401#罐为例，该储罐设计罐容0.36万立方，施工预应力管桩69根，桩长23米，桩间距2180mm，单桩承载能力1300KN，新建储罐与原 C-109#罐间距约7.5米。桩基施工前在邻近的C-109#储罐基础上布置了两个沉降、偏移观测点，并进行了原始数据的采集。在新建储罐西侧两米范围，平行与储罐轴线位置设置应力释施孔一排，间距1500mm，孔径200mm。桩基施工期间，累计进行储罐偏移量及沉降量观测18次，储罐累计最大偏移量1mm，累计最小偏移量1mm， 累计最大隆起1.3mm ，最大下沉0.9mm。
通过多种预防措施的应用，原有储罐结构移位及偏移无得到了有效控制，偏差值均在规范允许范围内，储罐结构未出现开裂或变形现象，现场施工管桩未出现明显偏位和沉降现象，桩基周边土体未出现明显隆起现象，项目得到有序顺利的开展。针对不同的工程施工情况和地质条件，采用不同的施工工艺和预防措施，可以较好的保障工程质量，确保在沉桩过程中邻近建、构筑物不受破坏。应力释放孔的设置、控制沉桩速率、合理安排打桩顺序、进行沉降及偏移量观测等综合措施形成的防挤土施工方案，有效的规避了倒罐带来的安全风险和成本增加风险，使生产经营得到正常开展；在不影响施工工期和低施工成本的基础下，保证了项目按期、保质完成。实践表明，采用综合性的防挤土预防措施在456#罐组邻近罐施工过程中达到了预期的目地，可供类似项目的参考和借鉴。
参考文献：
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