淺析沿海軟土地區(qū)淺層沼氣對(duì)靜壓管樁基礎(chǔ)工程的影響
摘要：本文以一樁基工程為實(shí)例，分析了沿海軟土地區(qū)淺層沼氣對(duì)樁基工程存在的不利影響及施工中應(yīng)注意的問題，為同類工程施工提供參考。
關(guān)鍵字：淺層沼氣，氣體釋放，土體變形，沉降，靜壓管樁，復(fù)壓
我國(guó)東南沿海和長(zhǎng)江、韓江、珠江等水系附近近30萬(wàn)km2區(qū)域均有淺層沼氣分布，近年來(lái)，隨著許多地區(qū)工程建設(shè)的快速發(fā)展，由于事先估計(jì)不足或采取的防治措施不當(dāng)，淺層沼氣引起的工程問題也相應(yīng)增加，對(duì)工程建設(shè)造成了不利影響。下面以一樁基工程為實(shí)例，淺析沿海軟土地區(qū)淺層沼氣對(duì)靜壓管樁基礎(chǔ)工程的影響。
1. 工程及地質(zhì)概況
某四層廠房位于汕頭市某工業(yè)區(qū)內(nèi)，基礎(chǔ)采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，單、雙樁承臺(tái)，采用A型預(yù)制高強(qiáng)混凝土管樁，樁徑分別為400mm和500mm，單樁豎向承載力特征值分別為1100kN和1700kN。
該場(chǎng)區(qū)屬韓江三角洲沖積平原，地基土上部主要由第四紀(jì)淺海灣相沉積土和第四紀(jì)晚更新世內(nèi)河灣相～河流三角洲相沖積、沉積土構(gòu)成，下部（基底）由巖漿巖及其風(fēng)化殘積土構(gòu)成，典型地質(zhì)剖面詳見圖1。
根據(jù)工程特點(diǎn)和地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)單位選取礫砂層做為建筑物的樁基持力層，要求進(jìn)入持力層長(zhǎng)度不小于1m，設(shè)計(jì)終壓值分別為400樁徑2200kN、500樁徑3400kN。
2. 施工及檢測(cè)情況
施工采用的是600噸液壓靜力壓樁機(jī)，由于上部地質(zhì)土層力學(xué)強(qiáng)度較低，持力層礫砂層則層位較穩(wěn)定，分布連續(xù)，施工過程較為順利，部分樁在壓樁穿透22～25m淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層時(shí)，發(fā)生沼氣噴出現(xiàn)象，最終74根樁均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的入持力層長(zhǎng)度和終壓值的終壓雙控條件。
基樁完成后進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載菏試驗(yàn)，加載采用快速維持荷載法，單樁豎向極限承載力400樁徑為2200kN、500樁徑為3400kN。其中一根500樁徑的樁加載至九級(jí)時(shí)沉降突然加大，最大沉降量達(dá)83.95mm,殘余68.95mm，Q-s曲線見圖2。
3. 對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析
根據(jù)地質(zhì)報(bào)告反映，該場(chǎng)區(qū)上部存在厚度較大的淤泥層和松散狀砂土層，其樁側(cè)摩阻力均較低，樁頂豎向荷載主要由樁端阻力承受。從Q-s曲線形態(tài)看，曲線在前八級(jí)都比較完整，隨荷載的逐漸增加而出現(xiàn)平緩過渡段，這表明樁頂?shù)暮奢d已逐漸傳至端部，但因樁端持力層強(qiáng)度不足造成端阻力不足，樁身沉降增大超過極限，所以Q-s曲線突然變陡，沉降不斷增大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
該問題樁自壓樁完成至進(jìn)行靜載試驗(yàn)其間隔時(shí)間為10天，符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）中"Q.0.4：預(yù)制樁在砂土中入土7天后才能進(jìn)行豎向靜載試驗(yàn)"的要求，根據(jù)該工程布樁情況和持力層特性分析，基本排除了擠土效應(yīng)因素；另經(jīng)測(cè)量，其垂直度偏差率為0.05%，未超規(guī)范允許值，低應(yīng)變動(dòng)測(cè)結(jié)果顯示樁身完整，未受破壞。
查閱施工壓樁記錄，我們發(fā)現(xiàn)該樁在壓樁過程中在穿越上部粘土層時(shí)曾遇到沼氣噴出，瞬時(shí)壓力下降的情況，但穿過該層后壓樁情況正常，并未有明顯影響。通過仔細(xì)研究地質(zhì)勘察報(bào)告和對(duì)周邊地區(qū)工程地質(zhì)進(jìn)行調(diào)研、并與勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等參建各方認(rèn)真討論研究后，我們認(rèn)為靜載荷試驗(yàn)出現(xiàn)異常沉降的主要原因，是部分樁端持力礫砂層中含有淺層沼氣。
結(jié)合本地區(qū)實(shí)際，本工程位于粵東沿海韓江水系附近地區(qū)，屬淺層沼氣分布較廣區(qū)域，淺層沼氣主要賦存于第四系淺海相沉積層中，該層以海相的粘性土、砂質(zhì)粘土、砂及礫砂層為主；地質(zhì)報(bào)告中提及在該場(chǎng)區(qū)上部軟土層中富含腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)主要來(lái)源于植物及動(dòng)物碎屑腐敗，是微生物降解過程的最終產(chǎn)物，而在其降解過程中釋放出的沼氣，小部分在粘土層中儲(chǔ)存，形成封閉氣泡，大部分在土層固結(jié)過程中溢出到砂性土層中儲(chǔ)存起來(lái)，這與施工中部分樁遇到沼氣情況相吻合；除此以外，地質(zhì)報(bào)告描述持力礫砂層為“灰黃色，飽和，密實(shí)，粗礫砂為主，含10～20%卵石，但含少量泥質(zhì)”，不排除該層還儲(chǔ)存著自身所含有機(jī)質(zhì)分解所釋放的沼氣；由于土層的復(fù)雜性，特別是砂層中的淺層沼氣多以單個(gè)透鏡砂體存在，地質(zhì)勘察中不一定能被發(fā)現(xiàn)，故持力層中含有淺層沼氣的可能性極大，從地質(zhì)勘察及施工情況看，該處并未發(fā)現(xiàn)氣體連續(xù)的含氣層，基本可推斷該淺層沼氣分布較為分散。
由于本工程基樁以端承為主，故該場(chǎng)區(qū)上部粘土層中含有的淺層沼氣不會(huì)對(duì)樁基工程產(chǎn)生明顯影響，也不會(huì)因此引起基樁較大沉降，與壓樁施工對(duì)軟土層擾動(dòng)引起的再固結(jié)沉降相比，其影響程度不大。但是持力砂層中的淺層沼氣卻會(huì)引起土體擾動(dòng)、基樁不均勻沉降、在樁基中產(chǎn)生負(fù)摩擦力、降低樁基承載力等一系列不利影響，
根據(jù)有關(guān)研究文獻(xiàn)，通過室內(nèi)外孔壓靜力觸探（CPTU）試驗(yàn)，揭示了含淺層沼氣砂層的承載性能隨氣壓緩慢釋放的變化規(guī)律：砂層中的淺層沼氣多以單個(gè)封閉透鏡砂體存在，當(dāng)其表層受外荷破壞后，有壓氣體釋放引起土體固-液-氣三相比例變化，導(dǎo)致含氣砂層壓縮，土體抗剪強(qiáng)度降低，承載力降低；而當(dāng)氣壓緩慢釋放完后，砂土內(nèi)空隙被水充填，因水的漲縮性比氣體小很多，故孔隙壓力降低，相應(yīng)的有效應(yīng)力增大，砂層有一定程度的壓密，而擠密作用還會(huì)使其承載力有一定程度的提高。
這與本工程問題樁的情況基本相符，壓樁時(shí)達(dá)到的終壓值屬瞬間值，壓入樁并未穿過含氣砂體，而靜載荷試驗(yàn)可維持某個(gè)穩(wěn)定的壓力持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間加載，經(jīng)過一定時(shí)間外荷作用破壞了表層砂體，出現(xiàn)了上述土體變化情況，而使基樁發(fā)生較明顯的沉降。
根據(jù)同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)淺層沼氣釋放后含氣層土體變形規(guī)律模擬試驗(yàn)的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):與氣體釋放過程中土樣所產(chǎn)生的沉降量相比，氣體回聚和再次排氣過程所產(chǎn)生的回彈和再沉降量是很小的，就不再分析了。
4. 處理方案及結(jié)果
綜上所述，必須采取有效措施緩慢釋放樁端持力砂層中含有的淺層沼氣，消除基樁非正常沉降，確保承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)多方協(xié)調(diào)制定了復(fù)壓處理方案，由于總樁數(shù)不多且該場(chǎng)區(qū)淺層沼氣分布較為分散，決定對(duì)余下所有樁全面復(fù)壓，復(fù)壓完畢10天后再選取基樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。本工程單樁豎向承載力取值不高，而管樁公司提供的樁身容許承載有較大安全儲(chǔ)備，因此把樁復(fù)壓終止壓力值適當(dāng)提高，400樁徑不高于3000kN、500樁徑為不高于4000kN。
考慮到復(fù)壓對(duì)管樁自身有一定影響，要求施工單位在復(fù)壓時(shí)做好各項(xiàng)措施。○1增加樁機(jī)配重。當(dāng)配重到位，樁機(jī)具有足夠的沉樁能力，壓樁能更好地穿過含沼氣區(qū)并擠密砂層，且能較好地維持樁機(jī)穩(wěn)定，保護(hù)樁頭質(zhì)量不因復(fù)壓產(chǎn)生的樁頂反力受破壞�！�2嚴(yán)格做好終壓控制。由于液壓靜壓樁機(jī)的構(gòu)造特性，對(duì)樁頂施加壓力不能象靜載荷試驗(yàn)一樣維持某個(gè)穩(wěn)定的壓力持續(xù)加載，施壓時(shí)樁尖遇到受壓縮密實(shí)砂層時(shí)壓力會(huì)迅速上升，所以復(fù)壓時(shí)應(yīng)逐級(jí)加載，特別當(dāng)復(fù)壓壓力接近終壓值時(shí)需小心控制，否則可能破壞樁身完整性�！�3對(duì)于送樁較深和進(jìn)行過切樁處理的基樁，復(fù)壓前均應(yīng)做好防護(hù)措施，避免壓壞。
共復(fù)壓71根樁，其中10根樁（8Φ400、2Φ500）出現(xiàn)了異常沉降，復(fù)壓沉降量均超過100mm，最大沉降量達(dá)730mm。復(fù)壓完畢9天后再選取2根樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，最大沉降量分別為18.05mm、28.34mm，殘余沉降量為1.13mm、3.38mm,Q-s曲線無(wú)明顯陡降，s-lgt曲線尾部無(wú)明顯向下彎曲，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
后對(duì)復(fù)壓的71根樁全數(shù)進(jìn)行低應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果其中55根為Ⅰ類樁，16根為Ⅱ類樁，表明樁身質(zhì)量符合要求。該工程已竣工驗(yàn)收備案，建筑物最大沉降為11mm，最小沉降為6mm，其上部主體結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，結(jié)構(gòu)安全可靠。
在與該廠房相鄰的二期工程施工中，吸取了一期的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在施工過程中采取了一系列積極主動(dòng)的措施，包括適當(dāng)提高設(shè)計(jì)終壓值，增加樁機(jī)配重，壓樁時(shí)采取逐步加載多次復(fù)壓方法等等，較好地消除了淺層沼氣對(duì)含氣層樁基工程與其承載性能的不利影響，二期工程施工順利，檢測(cè)結(jié)果也達(dá)到設(shè)計(jì)要求，建筑物沉降均勻，目前也已竣工驗(yàn)收備案。
5. 結(jié)語(yǔ)
通過本工程實(shí)例，我們認(rèn)識(shí)到沿海軟土地區(qū)淺層沼氣對(duì)靜壓管樁基礎(chǔ)工程的影響不容忽視，在工程勘察、設(shè)計(jì)與施工中均應(yīng)引起高度重視。
勘察中如發(fā)現(xiàn)土層中富含腐殖質(zhì)，應(yīng)考慮該片區(qū)可能存在淺層沼氣的情況,由于淺層沼氣的賦存狀態(tài)極為復(fù)雜,工程勘探要準(zhǔn)確判斷其分布范圍有較大難度,因此還要加強(qiáng)對(duì)同地區(qū)土質(zhì)情況的調(diào)研,結(jié)合實(shí)際勘探情況，提交準(zhǔn)確報(bào)告供設(shè)計(jì)與施工決策之用。
設(shè)計(jì)部門應(yīng)慎重選取持力層；充分考慮樁基中產(chǎn)生負(fù)摩擦力的安全設(shè)計(jì)對(duì)策，增加樁基承載力，確保工程的安全儲(chǔ)備；適當(dāng)增加樁長(zhǎng)使樁基穿過含氣層并延伸到持力層一定深度；同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)樁基承載力與沉降的驗(yàn)算，特別是樁基在遭受不同程度的淺層沼氣影響時(shí)，樁基承載力和沉降能否滿足要求。
除前文列舉的施工防治措施外，必要時(shí)還可借鑒石油天然氣部門的經(jīng)驗(yàn)和控制措施，在樁基工程施工前預(yù)先對(duì)淺層沼氣進(jìn)行控制排放，這在許多地下工程施工中已成功實(shí)踐，對(duì)預(yù)防淺層沼氣的不利影響是有效的。
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