浅析沿海软土地区浅层沼气对静压管桩基础工程的影响

　　摘要：本文以一桩基工程为实例，分析了沿海软土地区浅层沼气对桩基工程存在的不利影响及施工中应注意的问题，为同类工程施工提供参考。
　　关键字：浅层沼气，气体释放，土体变形，沉降，静压管桩，复压
　　
　　我国东南沿海和长江、韩江、珠江等水系附近近30万km2区域均有浅层沼气分布，近年来，随着许多地区工程建设的快速发展，由于事先估计不足或采取的防治措施不当，浅层沼气引起的工程问题也相应增加，对工程建设造成了不利影响。下面以一桩基工程为实例，浅析沿海软土地区浅层沼气对静压管桩基础工程的影响。
　　1. 工程及地质概况
　　某四层厂房位于汕头市某工业区内，基础采用静压预应力管桩基础，单、双桩承台，采用A型预制高强混凝土管桩，桩径分别为400mm和500mm，单桩竖向承载力特征值分别为1100kN和1700kN。
　　该场区属韩江三角洲冲积平原，地基土上部主要由第四纪浅海湾相沉积土和第四纪晚更新世内河湾相～河流三角洲相冲积、沉积土构成，下部（基底）由岩浆岩及其风化残积土构成，典型地质剖面详见图1。
　　根据工程特点和地质情况，设计单位选取砾砂层做为建筑物的桩基持力层，要求进入持力层长度不小于1m，设计终压值分别为400桩径2200kN、500桩径3400kN。
　　2. 施工及检测情况
　　施工采用的是600吨液压静力压桩机，由于上部地质土层力学强度较低，持力层砾砂层则层位较稳定，分布连续，施工过程较为顺利，部分桩在压桩穿透22～25m淤泥质粉质粘土层时，发生沼气喷出现象，最终74根桩均能达到设计要求的入持力层长度和终压值的终压双控条件。
　　基桩完成后进行了单桩竖向抗压静载菏试验，加载采用快速维持荷载法，单桩竖向极限承载力400桩径为2200kN、500桩径为3400kN。其中一根500桩径的桩加载至九级时沉降突然加大，最大沉降量达83.95mm,残余68.95mm，Q-s曲线见图2。
　　         
　　                                    图1典型地质剖面                                                    图2Q-s曲线
　　3. 对检测结果的分析
　　根据地质报告反映，该场区上部存在厚度较大的淤泥层和松散状砂土层，其桩侧摩阻力均较低，桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受。从Q-s曲线形态看，曲线在前八级都比较完整，随荷载的逐渐增加而出现平缓过渡段，这表明桩顶的荷载已逐渐传至端部，但因桩端持力层强度不足造成端阻力不足，桩身沉降增大超过极限，所以Q-s曲线突然变陡，沉降不断增大，达不到设计要求。
　　该问题桩自压桩完成至进行静载试验其间隔时间为10天，符合《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中"Q.0.4：预制桩在砂土中入土7天后才能进行竖向静载试验"的要求，根据该工程布桩情况和持力层特性分析，基本排除了挤土效应因素；另经测量，其垂直度偏差率为0.05%，未超规范允许值，低应变动测结果显示桩身完整，未受破坏。
　　查阅施工压桩记录，我们发现该桩在压桩过程中在穿越上部粘土层时曾遇到沼气喷出，瞬时压力下降的情况，但穿过该层后压桩情况正常，并未有明显影响。通过仔细研究地质勘察报告和对周边地区工程地质进行调研、并与勘察、设计、施工、监理等参建各方认真讨论研究后，我们认为静载荷试验出现异常沉降的主要原因，是部分桩端持力砾砂层中含有浅层沼气。
　　结合本地区实际，本工程位于粤东沿海韩江水系附近地区，属浅层沼气分布较广区域，浅层沼气主要赋存于第四系浅海相沉积层中，该层以海相的粘性土、砂质粘土、砂及砾砂层为主；地质报告中提及在该场区上部软土层中富含腐殖质，腐殖质主要来源于植物及动物碎屑腐败，是微生物降解过程的最终产物，而在其降解过程中释放出的沼气，小部分在粘土层中储存，形成封闭气泡，大部分在土层固结过程中溢出到砂性土层中储存起来，这与施工中部分桩遇到沼气情况相吻合；除此以外，地质报告描述持力砾砂层为“灰黄色，饱和，密实，粗砾砂为主，含10～20%卵石，但含少量泥质”，不排除该层还储存着自身所含有机质分解所释放的沼气；由于土层的复杂性，特别是砂层中的浅层沼气多以单个透镜砂体存在，地质勘察中不一定能被发现，故持力层中含有浅层沼气的可能性极大，从地质勘察及施工情况看，该处并未发现气体连续的含气层，基本可推断该浅层沼气分布较为分散。
　　由于本工程基桩以端承为主，故该场区上部粘土层中含有的浅层沼气不会对桩基工程产生明显影响，也不会因此引起基桩较大沉降，与压桩施工对软土层扰动引起的再固结沉降相比，其影响程度不大。但是持力砂层中的浅层沼气却会引起土体扰动、基桩不均匀沉降、在桩基中产生负摩擦力、降低桩基承载力等一系列不利影响，
　　根据有关研究文献，通过室内外孔压静力触探（CPTU）试验，揭示了含浅层沼气砂层的承载性能随气压缓慢释放的变化规律：砂层中的浅层沼气多以单个封闭透镜砂体存在，当其表层受外荷破坏后，有压气体释放引起土体固-液-气三相比例变化，导致含气砂层压缩，土体抗剪强度降低，承载力降低；而当气压缓慢释放完后，砂土内空隙被水充填，因水的涨缩性比气体小很多，故孔隙压力降低，相应的有效应力增大，砂层有一定程度的压密，而挤密作用还会使其承载力有一定程度的提高。
　　这与本工程问题桩的情况基本相符，压桩时达到的终压值属瞬间值，压入桩并未穿过含气砂体，而静载荷试验可维持某个稳定的压力持续较长时间加载，经过一定时间外荷作用破坏了表层砂体，出现了上述土体变化情况，而使基桩发生较明显的沉降。
　　根据同济大学实验室对浅层沼气释放后含气层土体变形规律模拟试验的结果分析发现:与气体释放过程中土样所产生的沉降量相比，气体回聚和再次排气过程所产生的回弹和再沉降量是很小的，就不再分析了。
　　4. 处理方案及结果
　　综上所述，必须采取有效措施缓慢释放桩端持力砂层中含有的浅层沼气，消除基桩非正常沉降，确保承载力达到设计要求。经多方协调制定了复压处理方案，由于总桩数不多且该场区浅层沼气分布较为分散，决定对余下所有桩全面复压，复压完毕10天后再选取基桩进行静载荷试验。本工程单桩竖向承载力取值不高，而管桩公司提供的桩身容许承载有较大安全储备，因此把桩复压终止压力值适当提高，400桩径不高于3000kN、500桩径为不高于4000kN。
　　考虑到复压对管桩自身有一定影响，要求施工单位在复压时做好各项措施。○1增加桩机配重。当配重到位，桩机具有足够的沉桩能力，压桩能更好地穿过含沼气区并挤密砂层，且能较好地维持桩机稳定，保护桩头质量不因复压产生的桩顶反力受破坏。○2严格做好终压控制。由于液压静压桩机的构造特性，对桩顶施加压力不能象静载荷试验一样维持某个稳定的压力持续加载，施压时桩尖遇到受压缩密实砂层时压力会迅速上升，所以复压时应逐级加载，特别当复压压力接近终压值时需小心控制，否则可能破坏桩身完整性。○3对于送桩较深和进行过切桩处理的基桩，复压前均应做好防护措施，避免压坏。
　　共复压71根桩，其中10根桩（8Φ400、2Φ500）出现了异常沉降，复压沉降量均超过100mm，最大沉降量达730mm。复压完毕9天后再选取2根桩进行竖向抗压静载试验，最大沉降量分别为18.05mm、28.34mm，残余沉降量为1.13mm、3.38mm,Q-s曲线无明显陡降，s-lgt曲线尾部无明显向下弯曲，均能达到设计要求。
　　后对复压的71根桩全数进行低应变动测试验，结果其中55根为Ⅰ类桩，16根为Ⅱ类桩，表明桩身质量符合要求。该工程已竣工验收备案，建筑物最大沉降为11mm，最小沉降为6mm，其上部主体结构未发现可见裂缝，结构安全可靠。
　　在与该厂房相邻的二期工程施工中，吸取了一期的经验教训，在施工过程中采取了一系列积极主动的措施，包括适当提高设计终压值，增加桩机配重，压桩时采取逐步加载多次复压方法等等，较好地消除了浅层沼气对含气层桩基工程与其承载性能的不利影响，二期工程施工顺利，检测结果也达到设计要求，建筑物沉降均匀，目前也已竣工验收备案。
　　5. 结语
　　通过本工程实例，我们认识到沿海软土地区浅层沼气对静压管桩基础工程的影响不容忽视，在工程勘察、设计与施工中均应引起高度重视。
　　勘察中如发现土层中富含腐殖质，应考虑该片区可能存在浅层沼气的情况,由于浅层沼气的赋存状态极为复杂,工程勘探要准确判断其分布范围有较大难度,因此还要加强对同地区土质情况的调研,结合实际勘探情况，提交准确报告供设计与施工决策之用。
　　设计部门应慎重选取持力层；充分考虑桩基中产生负摩擦力的安全设计对策，增加桩基承载力，确保工程的安全储备；适当增加桩长使桩基穿过含气层并延伸到持力层一定深度；同时要加强对桩基承载力与沉降的验算，特别是桩基在遭受不同程度的浅层沼气影响时，桩基承载力和沉降能否满足要求。
　　除前文列举的施工防治措施外，必要时还可借鉴石油天然气部门的经验和控制措施，在桩基工程施工前预先对浅层沼气进行控制排放，这在许多地下工程施工中已成功实践，对预防浅层沼气的不利影响是有效的。
　　参考文献
　　1. 软土环境工程地质学.人民交通出版社
　　2. GB50007-2002建筑地基基础设计规范.中国建筑工业出版社
　　3. JGJ106-2003J256-2003建筑基桩检测技术规范.中国建筑工业出版社
　　4. 孔令伟等.浅层天然气井喷对地质的损伤影响与桩基工程危害分析，防灾减灾工程学报2004,12
　　5. 郭爱国等.孔压静力触探用于含浅层生物气砂土工程特性的试验研究，岩土力学2007,08