靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在工程應(yīng)用中的研究

陳煥文

(湖南建工集團(tuán)總公司,長沙 410007)

靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在工程應(yīng)用中的研究

陳煥文

(湖南建工集團(tuán)總公司,長沙 410007)

針對城市錘擊送樁噪音控制,使靜壓樁得到廣泛的應(yīng)用。為此對靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用情況進(jìn)行研究,采用靜載試驗(yàn)+PDA高應(yīng)變檢測,對常用的φ400、φ500靜壓預(yù)應(yīng)力管樁,在不同地質(zhì)條件、不同歇后恢復(fù)時(shí)間、不同施工控制參數(shù)下的極限承載力進(jìn)行試驗(yàn)研究。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后提出主要土(巖)層樁的極限端阻力和極限側(cè)阻力指標(biāo),并根據(jù)工程實(shí)際情況,提出靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工控制參數(shù)、質(zhì)量檢測等要求。

靜壓預(yù)應(yīng)力;混凝土管樁;應(yīng)用

1 項(xiàng)目研究主要目的

對城市錘擊送樁噪音的控制,使靜壓樁得到廣泛地應(yīng)用。本課題對靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用情況進(jìn)行研究,采用靜載試驗(yàn)+PDA高應(yīng)變檢測+應(yīng)力應(yīng)變檢測相結(jié)合的方法,對目前使用最多的φ400、φ500靜壓預(yù)應(yīng)力(高強(qiáng))混凝土管樁,在不同地質(zhì)條件、不同歇后恢復(fù)時(shí)間、不同施工控制參數(shù)下的極限承載力進(jìn)行試驗(yàn)研究,深入研究預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的工作狀況,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后提出主要土(巖)層采用靜壓樁的極限端阻力和極限側(cè)阻力指標(biāo),并根據(jù)工程實(shí)際情況,提出靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工控制參數(shù)、質(zhì)量控制要點(diǎn)及質(zhì)量驗(yàn)收檢測方案。

2 研究內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

(1)記錄靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工時(shí)每米的施工壓力值;

(2)記錄施工壓力值達(dá)到計(jì)劃終壓值80%時(shí)的樁長及三次復(fù)壓樁的沉降量;

(3)記錄施工壓力值達(dá)到計(jì)劃終壓值的樁長及三次復(fù)壓樁的沉降量;

(4)靜載檢測

(5)PDA高應(yīng)變檢測

前3步數(shù)據(jù)是為找出“施工壓力值”、“復(fù)壓沉降量”、“承載力”三者之間的關(guān)系?！皬?fù)壓沉降量”是樁在按預(yù)定施工壓力值復(fù)壓時(shí),對綁在樁上卷尺段采用水準(zhǔn)儀器測量計(jì)算所得。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2005年至2007年按照試驗(yàn)方案,共取得45根樁的有效數(shù)據(jù)。其中φ400樁21根、φ500樁20根,φ600樁4根,基樁檢測基本情況見表1。

表1 工地選取預(yù)應(yīng)力管樁的承載力(kN)

2.3 靜壓管樁工作機(jī)理及試驗(yàn)分析

靜壓樁承載力是由樁側(cè)阻力和樁端土阻力組成的,與樁周土的物理力學(xué)性能有著密切的關(guān)系。樁正常使用時(shí)或靜載檢測時(shí)的承載力一般以樁側(cè)阻力為主。靜壓樁的入土過程,是樁在施工壓力作用下克服樁側(cè)阻力,在樁尖土形成沖剪破壞的過程。靜壓樁施工時(shí),樁側(cè)阻力占施工壓力的比例較低,施工壓力主要作用對樁尖土的壓密與沖剪破壞,靜壓樁施工對樁周土物理力學(xué)性能產(chǎn)生了很大的影響。

可見,在樁施工時(shí)施加的力與樁正常使用可提供的承載力之間的關(guān)系非常復(fù)雜。因此,對靜壓樁從施工到正常使用的工作機(jī)理進(jìn)行對比研究,是充分合理利用靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承載力,避免質(zhì)量隱患的根本。

2.3.1 側(cè)阻力的歇后恢復(fù)性能

靜壓樁施工過程中,前面大部分樁長的施工,施工壓力較低,且壓力增加也很緩慢,但到了最后幾米時(shí),施工壓力迅速升高。通過對施工壓力記錄統(tǒng)計(jì)可以看出,最后幾米施工增長的施工壓力占總施工壓力的比例是較大的。樁施工時(shí)樁側(cè)阻力占施工壓力的比例是較低的。

主要原因是:

(1)在壓樁過程中,樁尖將土體側(cè)向擠壓,使樁側(cè)土體形成重塑區(qū),特別是粘性土,土體在擠壓重塑時(shí)產(chǎn)生超孔隙水壓力,擾動了土體結(jié)構(gòu),降低了土體抗剪強(qiáng)度,減少了摩擦力;

(2)成柱時(shí)間較短,樁土間內(nèi)聚力未恢復(fù);

(3)施工時(shí)樁土相對運(yùn)動速度較快,樁側(cè)土給樁施加的阻力是動摩控力。

而在靜壓樁正常使用時(shí),樁側(cè)阻力與施工時(shí)的側(cè)阻力相比有了很大變化;

①隨著時(shí)間的推移,超孔隙水壓力逐漸消散,土體重新固結(jié),土體抗剪強(qiáng)度逐漸恢復(fù)并提高,提高了樁的側(cè)阻力。

②樁土間內(nèi)聚力基本恢復(fù)。

③樁正常使用時(shí)樁土相對運(yùn)動速度很慢,樁土近似相對靜止,樁側(cè)土提供的是靜摩擦力。

因此樁施工時(shí)遇到的土側(cè)阻力于大大低于靜載檢測時(shí)土側(cè)阻力。

由此可見,靜壓樁側(cè)阻力的歇后恢復(fù)性能主要源自于超孔隙水壓力逐漸消散,土體重新固結(jié),土體抗剪強(qiáng)度逐漸的恢復(fù)和提高、樁土間內(nèi)聚力的提高。

靜壓樁側(cè)阻力的歇后恢復(fù)性能影響因素較多,粘性土與砂土的歇后恢復(fù)性能差別也很大。一方面是:砂土不產(chǎn)生超孔隙水壓力,而粘性土透水性差,超孔隙水壓力消散較慢;另一方面是:砂土與樁之間沒有內(nèi)聚力。

a.對于粘性土

由于超孔隙水壓力逐漸消散,土體重新固結(jié),土體抗剪強(qiáng)度逐漸恢復(fù)、提高,樁土間內(nèi)聚力也不斷提高。樁土間內(nèi)聚力一般為10～100kPa,樁土間內(nèi)聚力的提高時(shí)間較長,但其主要部分在1h內(nèi)就完成了恢復(fù)。土體抗剪強(qiáng)度的恢復(fù)和提高所需時(shí)間較長,一般需要20～30d,透水性差的需要的時(shí)間更長。以上就是為什么有的樁承載力長時(shí)間不斷提高的原因,也是有的樁停一停就壓不下的原因。

采用應(yīng)力應(yīng)變研究中的數(shù)據(jù),用歇后90d左右,歇后135d左右的粘性土側(cè)阻力與歇后45d左右的粘性土側(cè)阻力相比,得到樁機(jī)側(cè)粘性土側(cè)阻力的歇后恢復(fù)系數(shù)見下表2。

表2 樁側(cè)粘性土側(cè)阻力的歇后恢復(fù)系數(shù)

b.對于砂土

由于顆粒較大,孔隙比較大、透水性較強(qiáng),在樁施工時(shí)樁側(cè)土不會形成重塑區(qū),也不產(chǎn)生超孔水壓力,砂土的擠密,提高了砂土的抗剪強(qiáng)度,也提高擠壓應(yīng)力σr,根據(jù)式(4-1-5)可知樁側(cè)阻力也提高了。

施工完成后,樁側(cè)擠密的砂土層顆粒結(jié)構(gòu)重組,顆?？紫侗仍龃?逐漸恢復(fù)到施工前狀態(tài),砂土的抗剪強(qiáng)度降低,土的泊松比減小,使土層自重應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)壓力σc和施工擠土產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力σr均減小,減小了樁土間有效壓力也就減小樁側(cè)阻力。

由于顆粒較大,孔隙比較大,使砂土側(cè)摩阻力歇后減小較多且較快。同樣采用應(yīng)力應(yīng)變研究中的數(shù)據(jù),用歇后90d左右、歇后135d左右的砂性土側(cè)阻力與歇后45d左右的砂性土側(cè)阻力相對比,得到樁側(cè)砂性土側(cè)阻力的歇后恢復(fù)系數(shù)見下表3。

表3 樁側(cè)砂性土側(cè)阻力的歇后恢復(fù)系數(shù)

綜合表2、表3中的數(shù)據(jù),各土層歇后恢復(fù)系數(shù)平均值如下表4。

綜合以上數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

a)砂性土層土側(cè)阻力歇后恢復(fù)呈減小趨勢,90d左右已基本穩(wěn)定,砂顆粒越大,孔隙比越大,減小的比例越大,中粗砂土側(cè)阻力減小至歇后恢復(fù)45d時(shí)的80%左右,礫砂土側(cè)阻力減小至歇后恢復(fù)45d時(shí)的40%左右;

表4 各土層歇后恢復(fù)系數(shù)

b)粘性土層側(cè)阻力歇后恢復(fù)呈增大趨勢,相對于歇后恢復(fù)45d時(shí)的承載力有15%～30%左右的增加,但該過程時(shí)間較長;

c)介于以上兩種之間的土,土側(cè)阻力歇后恢復(fù)性能是這兩種土歇后恢復(fù)性能的綜合。如礫質(zhì)粘性土,土側(cè)阻力的變化90d左右已基本穩(wěn)定,該時(shí)的土側(cè)阻力較歇后恢復(fù)45d時(shí)的略有減小。

2.3.2 樁端土阻力

靜壓樁的施工,施工壓力主要作用于樁尖,使樁尖土體不斷壓密,并產(chǎn)生沖剪破壞,將樁壓入土中。靜壓樁由于入土性能較差,一般承載力以摩擦力為主,樁端阻力相對較小。

在靜壓樁的應(yīng)力應(yīng)變研究中可以看出,樁端阻力在樁破壞前及破壞的那一級加載中是不穩(wěn)定的,變化也很大,不同樁、不同的加載分級、不同的加載速度對樁端阻力的影響也很大,因此,對樁端阻力的準(zhǔn)確研究較為困難。

本課題對樁端阻力的研究以定性為主,主要研究靜壓樁的施工控制。

樁端阻力的歇后恢復(fù)性能,靜壓樁施工時(shí)的樁端阻力與正常使用時(shí)的樁端阻力主要影響因素大不相同。

(1)對于粘性土

由于樁下沉速度較快,土體壓密過程來不及排水,產(chǎn)生超孔隙水壓力,盡管孔隙水壓力減少了樁底的有效壓力,但超孔隙水壓力破壞了土體結(jié)構(gòu),降低了土體抗剪強(qiáng)度,在樁端形成塑性區(qū),因此,靜壓樁在粘性土中施工時(shí)的樁端阻力較小,施工貫入度較大。

粘性土抗剪強(qiáng)度較砂性土低,破壞后恢復(fù)時(shí)間較長,且恢復(fù)后的抗剪強(qiáng)度仍會較破壞前低。

(2)對于砂土

樁底壓密過程中,由于顆粒較大,孔隙比較大、透水性較強(qiáng),在樁施工時(shí)不會形成重塑區(qū),也不產(chǎn)生超孔隙水壓力,砂土的壓密,大大提高砂土的抗剪強(qiáng)度,使樁端部底面壓力驟升。在有砂土層的地質(zhì)情況下施工的靜壓樁可以看出,靜壓樁施工進(jìn)入砂土層和穿過砂土層時(shí),施工壓力都可以看到明顯的變化。穿過砂土層進(jìn)入粘性土層后,施工壓力又驟降,基本回到進(jìn)入砂土層前時(shí)的施工壓力。

而在正常使用時(shí),樁端擠密的砂土層顆粒結(jié)構(gòu)重組,該重組速度較快,特別是顆?？紫侗容^大的,重組速度更快,一般1h左右就有明顯變化。所以靜壓樁施工進(jìn)入砂土層時(shí)施工壓力聚升,當(dāng)砂土層較厚、較密時(shí)甚至無法壓入、穿過。但是,停一停后又可繼續(xù)壓入,和繼續(xù)難以壓入,如此反復(fù)。

當(dāng)遇到硬夾層時(shí)、或砂土層雖不厚,但樁徑較大,施工壓力較小時(shí)也會發(fā)生類似情況,不同的是:反復(fù)幾次施壓穿過后,一般會有較大的壓入量。

礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化土(標(biāo)貫擊數(shù)大于30擊的礫質(zhì)粘性土)可看成是粘性土、砂性土的混合體來分析。綜合粘性土、砂性土的情況可知,礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化土的樁端阻力歇后性能是一個減弱的過程。

采用應(yīng)力應(yīng)變研究中的數(shù)據(jù),用歇后90d左右、歇后135d左右的礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化土的樁端阻力與歇后45d左右的樁端阻力相對比,得到礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化土樁端阻力的歇后恢復(fù)系數(shù)見下表5。

表5 樁端阻力的歇后恢復(fù)

表中數(shù)據(jù)5#樁歇后93d的樁端阻力只有歇后45d樁端阻力的23%,分析可能是第一次靜載檢測沉降較大,對樁端持力層的擾動較大造成的。剔除此數(shù)據(jù)可以看出:

①礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化土的樁端阻力隨時(shí)間的推移存在下降趨勢;

②歇后135d左右的樁端阻力是歇后45d左右的樁端阻力的50%左右。

2.3.3 樁施工擠土問題對樁樁端阻力的影響

預(yù)應(yīng)力管樁的施工產(chǎn)生擠土作用,使樁周土體擠壓、密實(shí)度提高。當(dāng)樁布置較密、樁徑較大時(shí),在預(yù)應(yīng)力管樁的施工現(xiàn)場,我們可以看到后施工的樁一般比先施工的樁難以壓入土體;施工后的地面明顯隆起等現(xiàn)象。在個別工程基樁檢測不合格時(shí),由于這些現(xiàn)象的存在,往往把檢測不合格的原因歸咎于樁施工的擠土作用,使樁上浮,從而降低了樁承載力。

3 研究成果

3.1 歇后恢復(fù)性能

3.1.1 對于側(cè)摩阻力的歇后恢復(fù)性能,得出了以下結(jié)論:

(1)砂性土側(cè)摩阻力歇后恢復(fù)呈減小趨勢;90d左右已基本穩(wěn)定,顆粒越較大,孔隙比越大,減小的比例越大,中粗砂土側(cè)摩阻力減小至歇后恢復(fù)45d時(shí)的80%左右,礫砂土側(cè)摩阻力減小至歇后恢復(fù)45d時(shí)的40%左右。

(2)粘性土側(cè)摩阻力歇后恢復(fù)呈增大趨勢,相對于歇后恢復(fù)45d時(shí)的承載力有15%～30%左右的增加,但該過程時(shí)間較長。

(3)介入以上兩種之間的土,土側(cè)摩阻力歇后恢復(fù)性能是上述兩種土歇后恢復(fù)性能的綜合。如礫質(zhì)粘性土,土側(cè)摩阻力的變化90d左右已基本穩(wěn)定,該時(shí)的土側(cè)摩阻力較歇后恢復(fù)45d時(shí)的略有減小。

3.1.2 對于樁端阻力的歇后恢復(fù)性能,得出以下結(jié)論:

(1)礫質(zhì)粘性土、全風(fēng)化土的樁端阻力隨時(shí)間的推移存在下降趨勢;

(2)歇后135d左右的樁端阻力是歇后45d左右的樁端阻力的50%左右。

3.2 設(shè)計(jì)土層極限承載力的選取

(1)提出了砂質(zhì)粘性土的極限側(cè)阻力計(jì)算公式y(tǒng) =13.36x-60.8(x≥8m),建議砂質(zhì)粘性土的極限側(cè)阻力按70kPa取值,從10m開始計(jì),埋深增加1m,極限側(cè)阻力增加13kPa。

(2)提出了礫質(zhì)粘性土的極限側(cè)阻力取值范圍為80～140kPa,建議深度15m時(shí)按100kPa取值。通過應(yīng)力應(yīng)變檢測,還獲得了下列數(shù)據(jù)提供參考。

①人工填土的極限側(cè)阻力為0kPa;

②淤泥質(zhì)土的極限側(cè)阻力為40kPa;

③中粗砂的極限側(cè)阻力為72～75kPa;

④粘性土中砂的極限側(cè)阻力為126～147kPa;

⑤礫砂的極限側(cè)阻力為71～78kPa;

⑥礫質(zhì)粘性土的極限側(cè)阻力為156～195kPa;

⑦礫質(zhì)粘性土的極限端阻力為891～1596kPa;

⑧全風(fēng)化的極限端阻力為1251kPa;

⑨強(qiáng)風(fēng)化極限端阻力為10739kPa。

3.3 預(yù)應(yīng)力管樁的設(shè)計(jì)、施工控制中應(yīng)注意的問題

(1)采用靜壓法施工時(shí),如遇到對承載力不利因素時(shí)應(yīng)提高施工終止壓力,同地,必須使根據(jù)施工情況、地質(zhì)情況及有關(guān)規(guī)范(或經(jīng)驗(yàn))計(jì)算得的樁承載力基本達(dá)到設(shè)計(jì)承載力要求;

(2)避免采用短樁;

(3)避免用砂層或硬夾層作樁端持力層;

(4)當(dāng)砂層或硬夾層的下臥層較弱,穿透時(shí)應(yīng)避免大壓力施工;

(5)注意砂層側(cè)摩阻力減弱問題。

3.4 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的質(zhì)量驗(yàn)收檢測的建議要求

(1)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級的樁基工程和地質(zhì)情況復(fù)雜的乙級樁基工程,應(yīng)采取施工前試樁檢測——施工過程監(jiān)測——驗(yàn)收檢測三個環(huán)節(jié)對質(zhì)量進(jìn)行綜合檢測。施工前試樁采用高應(yīng)變(PDA)監(jiān)控+靜載的方法進(jìn)行,試樁數(shù)量:高應(yīng)變(PDA)監(jiān)控不少于總樁數(shù)的1%,靜載試驗(yàn)根據(jù)高應(yīng)變(PDA)監(jiān)控情況選不少于3根。施工過程中應(yīng)選取一定數(shù)量樁進(jìn)行樁頂位移監(jiān)測。驗(yàn)收檢測可采用PDA高應(yīng)變檢測(檢測比例5%)與PIT低應(yīng)變檢測(檢測比例20%)相結(jié)合也可根據(jù)工程施工情況選取一定數(shù)量的樁做靜載試驗(yàn)。

(2)一般場地的乙級樁基工程和丙級樁基工程,樁身完整性檢測可不做。承載力檢測,錘擊法施工的可采用高應(yīng)變法檢測,靜壓法施工的樁若承載力存在疑問的(如樁短、持力層不穩(wěn)定等)應(yīng)做靜載試驗(yàn)。

(3)對所有樁身質(zhì)量有懷疑的樁及周邊可能影響到的樁勻應(yīng)做PIT低應(yīng)變檢測。

3.5 質(zhì)量問題處理方面存在的問題及其建議

驗(yàn)證檢測與擴(kuò)大檢測的目的就是為了找準(zhǔn)樁產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因。在找準(zhǔn)樁產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因,確保有質(zhì)量問題的樁無遺漏的情況下,驗(yàn)證檢測與擴(kuò)大檢測的數(shù)量應(yīng)盡可能減少。

(1)應(yīng)先分析產(chǎn)生質(zhì)量問題的可能原因,用驗(yàn)證檢測與擴(kuò)大檢測來進(jìn)行證明,并確定有質(zhì)量問題樁的范圍。

(2)應(yīng)引入?yún)^(qū)域批量檢測概念,局部的問題局部評判、局部擴(kuò)大檢測。

(3)擴(kuò)大檢測的檢測方法應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因有針對性地選取。

并對樁身完整性三類樁問題的處理提出了建議,建議一定要驗(yàn)證。驗(yàn)證采用PDA高應(yīng)變檢測或開挖檢測,PDA高應(yīng)變檢測可采用小捶,用挖土機(jī)就可以完成重捶沖擊樁頂工作,可不提供承載力,但可以確認(rèn)是否存在缺陷。如果無法確認(rèn),應(yīng)從嚴(yán)處理。

[1] JGJ94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 徐至鈞,李智宇.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3] 徐至鈞,李智宇.預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2005,10.

[4] 徐至鈞,李智宇.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

20010-01-08

陳煥文(1964-),男,湖南岳陽人,工程師,主要從事建筑設(shè)計(jì)及施工管理工作。

TU

A

1003-6490(2010)01-0055-05