利用靜力觸探指標合理選擇預制樁型的探討

張瑞松 浙江省天正設計工程有限公司 杭州 310012

利用靜力觸探指標合理選擇預制樁型的探討

張瑞松＊浙江省天正設計工程有限公司 杭州 310012

當工程設計采用混凝土預制樁時,對于以黏性土、粉土、砂土為主地基土的非端承樁,可利用靜力觸探指標確定合理的預制樁身強度及樁型,避免因樁身強度不夠或樁端持力層不正確而在施工過程中造成工程事故。

預制樁 靜力觸探 樁身強度

樁基的設計內(nèi)容應當包括樁的豎向承載力計算、沉降計算和裂縫控制計算。當然需要進行水平承載力計算時,還要考慮水平位移的計算。其中在樁身豎向承載力的設計中,一般情況下僅需考慮建、構筑物使用階段的樁身豎向承載力。但對于預制擠土樁來講,當?shù)鼗烈责ば酝?、粉土、砂土為主時,往往在樁基施工時的壓樁力或柴油錘的沖擊力會超過使用階段的樁身豎向承載力設計值。若樁身豎向承載力不足會造成兩種結果:①強行施工造成樁身破壞;②樁端進入持力層深度不夠或根本沒到持力層。這容易造成設計人員對此類樁基是否已經(jīng)滿足設計的要求判斷不清楚,而且一旦施工已經(jīng)全面鋪開,更換樁型會造成施工進度延誤,業(yè)主的投資也會造成損失。由于《建筑樁基設計規(guī)范》并沒有對施工階段的樁身承載力提供計算公式,因此設計人員一定要在設計階段就應該對上述情況下的樁自身承載力有量化的判斷,才不至于事后被動。筆者結合兩個分別使用靜壓和錘擊施工方法的預應力管樁工程,重點討論靜力觸探技術指標在樁型選擇上的應用。

1 利用靜力觸探技術確定樁身強度

1.1 采用靜壓施工方法的實例

杭州某美國獨資制藥有限公司在杭州下沙經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)新建生產(chǎn)基地。其中有一包裝車間長167.45m,寬92.35m,建筑面積約19900m2,為單層局部兩層建筑物。上部采用鋼結構,根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,±0.000標高采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板并架空,單柱最大荷載標準值約為2600kN。擬建場地的抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g,設計地震分組為第一組,建筑場地類別為Ⅲ類,工程抗震設防類別為丙類。場地地下水(土)對混凝土結構具微腐蝕性,在干濕交替情況下,對混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性;對鋼結構具微腐蝕性。工程地質(zhì)勘探報告表明,勘探深度以內(nèi)的地基土共劃分為六個工程地質(zhì)亞層,其主要土層的物理力學指標見表1(表中的厚度按照地勘資料中的Z41填寫,Z41孔口高程為國家85高程5.96 m,±0.000相對標高相當于絕對標高6.20 m,樁頂相對標高為-1.95 m,樁型選用浙江省《先張法預應力混凝土管樁》中的PC 500 AB 100-13)。

根據(jù)地勘單位的推薦意見,樁型優(yōu)先選用經(jīng)濟性較好的預應力混凝土管樁,分別選用Φ400、Φ500兩種樁型,分別用規(guī)范的原位測試法和經(jīng)驗參數(shù)法[1]進行對比分析:

先假定預應力混凝土管樁帶閉口型樁尖,按照《建筑樁基技術規(guī)范》經(jīng)驗系數(shù)法:

Φ400管樁:

Φ500管樁:

表1 土層主要的物理力學指標

若按照《建筑樁基技術規(guī)范》中雙橋探頭靜力觸探的原位測試法:

Φ400管樁:

Φ500管樁:

綜合比較以上的數(shù)據(jù),Φ400管樁的單樁豎向極限承載力只有1200kN,而Φ500管樁的單樁豎向極限承載力有1700kN,兩者相差41.67%,而市場上的管樁單價差異沒有這么大,況且Φ400樁數(shù)多,承臺大;Φ500樁數(shù)少,承臺小,所以最后選用了Φ500的樁型。但是按照經(jīng)驗系數(shù)法Φ500的樁用浙江省《先張法預應力混凝土管樁》中的PTC-500(65)即可(樁身豎向承載力極限值2219 kN),而按照原位測試法Φ500的樁必須用浙江省《先張法預應力混凝土管樁》中的PC-500 (100)才行(樁身豎向承載力極限值3991kN)。根據(jù)施工單位的現(xiàn)場施工紀錄,Φ500樁的壓樁力大部分為2200～2700kN,個別達到3000kN以上。施工記錄的壓樁力數(shù)值與原位測試法的數(shù)值比較接近,但大部分偏大一些,主要原因是隨著樁的施工數(shù)量越來越多,地基土的擠密效應越來越好,施工時樁的壓樁力也越來越大。如果選用的是PTC -500(65)的樁型,則現(xiàn)場樁壓壞或樁尖持力層不到位的情況會非常普遍。

1.2 采用錘擊施工方法的實例

江蘇省昆山市某臺商獨資企業(yè)位于昆山市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)內(nèi)。二期擴建工程中有一公用廠房長55.0m,寬33.0m,建筑面積約4380m2,為四層建筑物。上部采用混凝土框架結構,單柱最大荷載標準值約為5500kN。擬建場地的抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度為0.10g,設計地震分組為第一組,建筑場地類別為Ⅲ類,工程抗震設防類別為丙類。場地地下水潛水對混凝土結構無腐蝕性,長期浸水條件下對鋼筋混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性;干濕交替條件下地下水可能產(chǎn)生弱腐蝕性。工程地質(zhì)勘探報告表明勘探深度以內(nèi)的地基土共劃分為七個工程地質(zhì)亞層,其主要土層的物理力學指標見表2(表中的厚度按照地勘資料中的J38填寫,J38孔口高程約為吳淞高程3.70m,±0.000相對標高相當于吳淞絕對標高4.80m,樁頂相對標高為-2.00m,樁型選用江蘇省《先張法預應力混凝土管樁》中的PHC-600 (130)AB-C80-10、8)。

根據(jù)地勘報告顯示,該工程5層砂質(zhì)粉土有輕微液化,6層粉砂夾粉土不液化。所以選擇樁端的持力層落在6層粉砂夾粉土上。由于業(yè)主在一期施工時已經(jīng)碰到樁基施工困難的問題,設計院就直接選用Φ600的樁型,在滿足施工時樁身強度的情況下,樁盡量長以節(jié)約投資?，F(xiàn)分別用規(guī)范的原位測試法和經(jīng)驗參數(shù)法[1]進行對比分析:

表2 土層主要的物理力學指標

土層名稱土層狀態(tài)厚度(m)壓縮模量ES(MPa)靜探qc (MPa)靜探fs (kPa)樁側(cè)阻、端阻特征值qsik(kPa)qpk(kPa) 1-2素填土稍密0.501.0034.44 2粘土軟塑～可塑1.704.00.6437.8315 3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土軟塑～流塑2.002.50.3612.0715 4粉質(zhì)粘土可塑～硬塑4.606.02.0091.09501600 5砂質(zhì)粉土稍密～中密7.208.85.8069.29602600 6粉砂夾粉土中密4.7010.011.09129.81705400 7-1粉砂夾粉土中密9.3523000 7-2粉砂中密～密實10.8705000

先假定預應力混凝土管樁帶閉口型樁尖,按照《建筑樁基技術規(guī)范》經(jīng)驗系數(shù)法:

Φ600管樁:

若按照《建筑樁基技術規(guī)范》中雙橋探頭靜力觸探的原位測試法:

Φ600管樁:

綜合比較以上的數(shù)據(jù),按照經(jīng)驗系數(shù)法, Φ600的樁用江蘇省《先張法預應力混凝土管樁》中的PC-600(110)AB-C60-10、8即可(樁身豎向承載力極限值為4320 kN),而按照原位測試法Φ600的樁宜選用江蘇省《先張法預應力混凝土管樁》中的PHC-600(110)AB-C80-10、8 (樁身豎向承載力極限值為5920kN)。需要說明的是,該工程地勘資料原先提供的qsik和qpk值都比表2中的小,經(jīng)對照該工程一期的地勘資料和其他相關資料發(fā)現(xiàn)數(shù)值差異較大之后,由勘探單位發(fā)聯(lián)系單變更為表2中數(shù)據(jù),但是雙橋靜力觸探的qc和fs數(shù)據(jù)沒有調(diào)整,所以由原位測試法和經(jīng)驗系數(shù)法計算出的單樁豎向極限承載力標準值相差不大,而實際情況要更大些。

由于PHC-600(110)AB不在業(yè)主單位供貨目錄范圍內(nèi),所以最后改為PHC-600(130)AB -C80-10、8樁型。因為樁身強度有一定的余量,施工單位在現(xiàn)場采用DD10.3的導桿式柴油錘,沖程高度1.8～2.5m,錘沖擊力為4000～5000kN,現(xiàn)場施工非常順利。但從經(jīng)濟角度來講,選用PHC-600(110)AB更節(jié)省投資。

2 靜力觸探技術選樁型應注意的問題

2.1 適用范圍

靜力觸探技術適用于以黏性土、粉土、砂土為主的地基土,不適用于端承樁。當基礎土以淤泥質(zhì)黏性土為主時,一般施工時的壓樁力比以經(jīng)驗系數(shù)法計算的單樁豎向極限承載力標準值要小,也就不存在施工階段樁身強度的問題。當樁基為端承樁時,雖然也存在施工階段樁身強度的問題,但強度主要與樁端的巖層性質(zhì)有關。如該巖層在當?shù)仄毡榇嬖?當?shù)囟加幸惶鬃约旱目刂茦藴?把具體的樁型、單樁豎向極限承載力標準值與相應的錘重、落距、最后的貫入度以及最小樁長聯(lián)系起來,設計人員找到當?shù)貥藴始纯伞?/p>

2.2 判別單樁承載力特征值的依據(jù)

當采用靜壓方式施工時,壓樁力一般會比利用經(jīng)驗系數(shù)法計算的單樁豎向極限承載力標準值大很多[2],但這不能作為判斷單樁豎向極限承載力標準值的依據(jù)。然而實際的單樁豎向極限承載力標準值也確實會比用經(jīng)驗系數(shù)法計算的單樁豎向極限承載力標準值大,只是沒有達到施工時壓樁力那么大的值。因此如有條件,可以在正式施工之前,在工程樁之外打幾根試樁,以它的靜載試驗值作為單樁豎向極限承載力標準值比較合理,當然這需要業(yè)主的理解和配合。

2.3 腐蝕性地下水(土)對樁型選擇的影響

根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》[3]的要求,當?shù)叵滤?土)有腐蝕性時,對腐蝕等級為中、弱時,除該規(guī)范規(guī)定的防腐措施外,預應力混凝土管樁的鋼筋保護層厚度不應小于35mm,這樣就限制了PTC甚至一些PC樁的使用范圍。另外對某些強腐蝕環(huán)境下,預應力混凝土管樁是不宜采用的,設計人員要注意甄別使用。

2.4 地勘報告提供的計算數(shù)據(jù)

現(xiàn)在勘探市場的價格競爭比較激烈,不排除有些勘探單位對局部數(shù)據(jù)進行造假,設計人員最好根據(jù)當?shù)厥说摹兜鼗A設計規(guī)范》或者相鄰地塊的地勘資料對地勘報告上的qsik、qpk、qc、fs數(shù)值進行對比分析,遇到不合理指標要及時溝通,避免被誤導。本文中采用錘擊施工方法的實例中就遇到這種情況。

2.5 施工方法的選擇

一般情況下錘擊的施工方法更適合在場地周邊比較空曠的地方;樁錘選用時應遵循重錘低擊的原則,在施工時若不控制樁錘落距,相對于靜壓方式對樁自身承載力控制的余量要求更高;在有液化土層的地方,錘擊施工更容易引起液化土層的液化,施工中需要控制打樁的速度。另外,目前施工現(xiàn)場的錘擊樁機械大部分選用國產(chǎn)的導桿式,而標準圖中一般指的是桶式錘,兩者錘重一樣,但沖擊力有較大區(qū)別,設計要注意區(qū)別。

靜壓的施工方法適合在建設場地周邊有較多建筑物的時候,對周邊的環(huán)境影響比較小,施工質(zhì)量容易保證;但當壓樁力很大、表層的地基土比較差時,靜壓的施工方法要謹慎使用,防止樁架移位時表層土移位擠斷已施工的樁基。

2.6 靜力觸探技術選擇樁身承載力

預制樁施工后期的壓樁力或者柴油錘沖擊力一定會比用原位測試法計算出來的單樁豎向極限承載力標準值要高,這主要跟布樁系數(shù)、原有地基土的密實程度以及樁帶不帶閉口樁尖有關,一般后期的提高幅度在10%～20%。因此在選擇樁身承載力時要留有一定的余量。若施工中局部樁的壓樁力或者柴油錘沖擊力特別大,則有可能遇到孤石,建議移位施工。

2.7 液化土的影響

當?shù)鼗林泻幸夯翆訒r,對于采用錘擊方式施工的樁基要控制施工速度。當施工中沖擊力突然減小,要暫停施工。

3 結語

當?shù)鼗烈责ば酝?、粉土、砂土為主時,利用靜力觸探指標通過原位測試法可以量化預制樁在施工階段樁身所需要的強度,可以有效防止樁基在施工過程中因為樁身強度不足而引起工程事故,避免樁型選擇的盲目性。當施工階段的樁身強度利用比較充分時,能夠有效節(jié)約投資。

1 JGJ 94-2008,建筑樁基技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

2 張永雨.靜力觸探預估靜壓樁承載力的試驗研究[D].鄭州:鄭州大學,2006.

3 GB 50046-2008,工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2008.

Pile strength and type can be rationally determined by using index of cone penetration test for the non-point bearing pile in the foundation soil predominated in cohesive,silt and sand soil when the precast concrete piles are used in the projects,and prevent from the engineering accident resulted from the insufficient strength of the pile and the incorrect pile tip bearing stratum.

Probe on Rational Selection of Precast Concrete Pile by Using Index of Cone Penetration Test

Zhang Ruisong
(Zhejiang Tianzheng Design and Engineering Co.Ltd.,Hangzhou310012)

precast concrete pile cone penetration test pile strength

＊張瑞松:高級工程師,主任工程師,一級注冊結構工程師,注冊咨詢工程師。1994年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學工業(yè)與民用建筑專業(yè)。一直從事設計和管理工作。聯(lián)系電話:(0571)88362936,E-mail:zhang-rs@zpcdi.com。

2011-03-03)