靜壓法與錘擊法施工預(yù)制樁沉樁機(jī)理及承載力差異研究

劉海波

[摘要]通過工程實(shí)例分析，對靜壓法與錘擊法兩種沉樁方法造成的承載力差異進(jìn)行了深入研究，探討了在同一地質(zhì)條件下靜壓法與錘擊法施工預(yù)制樁其單樁承載力存在較大差異問題及解決對策。

[關(guān)鍵詞]靜壓法 錘擊法 預(yù)制樁 承載力 粉土液化 沉樁機(jī)理

[中圖分類號] F407.1 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-8-407-1

在地基與基礎(chǔ)工程施工中，預(yù)制樁由于具有效率高、成本低、質(zhì)量好且樁體形狀可根據(jù)設(shè)計(jì)需要靈活改變等特點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)有。目前國內(nèi)常用的沉樁方法有靜壓法和錘擊法，設(shè)計(jì)計(jì)算承載力時(shí)一般認(rèn)為，在相同技術(shù)參數(shù)和地質(zhì)條件下，兩種沉樁方法得到的單樁極限承載力應(yīng)該是一樣的，但在實(shí)際工程施工中，檢測數(shù)據(jù)證明存在較大的差異。

1工程實(shí)例

1.1地質(zhì)條件

位于浙江杭州甲、乙兩個(gè)工地，相互毗鄰，建筑基礎(chǔ)均采用預(yù)制管樁樁基，經(jīng)取樣檢測，地層巖性為粉土，中密、中-低壓縮性、接近-完全飽和狀態(tài)。

1.2施工工藝和檢測結(jié)果

工地甲采用PC-600（100）預(yù)應(yīng)力管樁靜壓法施工，樁長15.0m，樁端入土15.7m，沉樁后3天靜載荷試驗(yàn)時(shí)加載到2565KN，沉降量為20.8mm，且承載力還有提高的空間。

工地乙采用PC-600（70）預(yù)應(yīng)力管樁錘擊法施工，樁長15.0m，樁端入土15.8m，沉樁后15天進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，普遍的極限承載力僅有1500-1700KN。沉降量一般達(dá)到40mm以上，靜置14天后再行復(fù)測，承載力亦無明顯提高。

2工程佐證

鑒于以上測試結(jié)果，筆者研究了一些具有可比性的預(yù)制樁單樁承載力的檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用不同的沉樁方法，單樁承載力差異明顯的現(xiàn)象并不是特例。例如江蘇徐州某工地，施工區(qū)內(nèi)地層17m以淺地段為稍密-中密狀態(tài)的粉土，其下為中-低壓縮性的粘性土。設(shè)計(jì)樁基為預(yù)制樁，規(guī)格400mm×400mm，樁長15m，樁端入土18.5m，其沉樁方式一部分采用靜壓法施工，一部分采用錘擊法施工。該工地試壓樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果顯示單樁承載力差異達(dá)3倍以上。

3原因分析

3.1沉樁機(jī)理影響因素

錘擊法施工，通過給樁頭往復(fù)施加沖擊力作用，會(huì)產(chǎn)生一種振動(dòng)波，該波以三種形式在土層傳播，即壓縮波、剪切波和表面波。錘擊法在施工過程中，樁底和樁周附近的土體抗剪強(qiáng)度急劇降低，當(dāng)樁底土的強(qiáng)度與樁周土對樁的摩擦阻力兩者之和不足以抵抗樁頂施加的激振力和樁的自重時(shí)，土體即被破壞，樁身得以下沉。靜壓法施工，可以看做是一個(gè)靜態(tài)過程，一方面樁端土在外力加載作用下經(jīng)過壓密階段、局部剪切階段直至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞；另一方面樁周土?xí)粯扼w連帶下沉，甚至樁體與部分土體脫離，因而造成沉樁時(shí)摩阻力變小，樁體得以順利下沉。

3.2擠密作用影響因素

錘擊法和靜壓法施工預(yù)制樁均屬于擠土樁，沉樁過程中樁尖處的土體向下和周邊擠壓，地表土體會(huì)向上隆起，但在地下深處，由于上覆壓力的作用，土體向四周擠壓。根據(jù)小孔擴(kuò)張理論，這種橫向擠壓力最大可達(dá)7.5倍原土體強(qiáng)度，在這種擴(kuò)張力作用下，土體的孔隙率降低，強(qiáng)度得以提高。但由于錘擊法和靜壓法沉樁機(jī)理不同，兩者的擠密效果亦不盡相同。由于土體為粉土，錘擊法施工時(shí)土體存在流態(tài)區(qū)，必然消弱樁周摩擦阻力和樁端阻力，導(dǎo)致擠密作用力降低，與靜壓法施工相比，單樁承載力存在明顯差別。

3.3孔隙水影響因素

錘擊法施工依靠振動(dòng)作用，孔隙水壓力隨著振動(dòng)的循環(huán)而逐漸累加，在這種荷載的反復(fù)作用下，當(dāng)逐步聚集起來的孔隙水壓力等于或大于上覆土的有效應(yīng)力時(shí)，土粒間的鏈接結(jié)構(gòu)發(fā)生崩解，相互分散而懸浮于水中，就產(chǎn)生了液化。靜壓法施工由于貫入過程近乎勻速，可以看做是一種持續(xù)的靜力作用，土體始終處于平衡狀態(tài)。因排水條件不暢，同樣會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，但這種壓力是一種靜水壓力作用，不會(huì)積累增加，即使在加壓的某一瞬間也可能會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力等于或大于上覆土的有效應(yīng)力。因此，土體產(chǎn)生液化的可能性及超孔隙水壓力的影響，必然導(dǎo)致錘擊法和靜壓法兩種施工方法單樁承載力產(chǎn)生較大差別。

3.4孔隙水壓力消散時(shí)間影響因素

實(shí)踐證明，沉樁完成后樁體承載力一般會(huì)隨著孔隙水壓力的消散及有效應(yīng)力的提高而逐漸提高。由于沉樁過程中的擠密作用，樁端及樁側(cè)的土體受到的總應(yīng)力均比原始狀態(tài)的應(yīng)力高，有關(guān)試驗(yàn)資料顯示最高可達(dá)7.5倍。由于總應(yīng)力提高，最終形成的有效應(yīng)力也會(huì)比原始狀態(tài)的應(yīng)力高，另外，由于錘擊法施工導(dǎo)致土體發(fā)生液化，使得樁體環(huán)向擠壓力不如靜壓法大，即樁側(cè)和樁端土體在沉樁過程中受到的總應(yīng)力較小，超孔隙水壓力消散后的有效強(qiáng)度也較低，造成預(yù)制樁的承載力下降。

3.5土質(zhì)本身影響因素

本工程實(shí)例中下覆地層為粉土，施工過程中很容易液化，液化是導(dǎo)致單樁承載力下降的一個(gè)非常重要的原因。影響粉土液化的因素很多，如含水量、密實(shí)度、周圍應(yīng)力、動(dòng)載荷大小及頻率等，但對于樁基而言，更應(yīng)關(guān)注液化后重塑土體的強(qiáng)度恢復(fù)問題，而其中的粘粒含量就是一個(gè)關(guān)鍵因素。靜壓法施工預(yù)制樁的工程只存在擠壓作用不存在振動(dòng)作用，故不會(huì)產(chǎn)生土體液化現(xiàn)象。單純從這個(gè)意義上講，在粉土地基中施工預(yù)制樁，同等條件下單樁承載力靜壓法比錘擊法要高，具有更好的保障效果。

4結(jié)論與建議

通過以上工程實(shí)例和原因分析，可以得到以下結(jié)論與建議：

（1）在預(yù)制樁工程施工中，沉樁引起的土體液化，對土體強(qiáng)度的影響最大，是造成樁基承載力偏低的主要原因；

（2）在容易液化的粉土地層中，錘擊法施工預(yù)制樁得到的單樁極限承載力比靜壓法施工預(yù)制樁得到的單樁極限承載力低，其幅度一般超過50%；

（3）在其它容易液化的地層（如飽和粉砂、細(xì)砂等）中，兩種施工方法得到的單樁極限承載力也有可能會(huì)出現(xiàn)上述結(jié)果；

（4）在同等條件下，與錘擊法相比，靜壓法施工預(yù)制樁對樁基承載力更有保障。因此，建議在施工條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用靜壓法施工；

（5）由于兩種沉樁方法可能導(dǎo)致樁基承載力不同，因此，建議同一地塊同一單體建筑物不要同時(shí)采用兩種沉樁方法，否則有可能產(chǎn)生不均勻沉降，繼而造成嚴(yán)重的工程質(zhì)量事故。

參考文獻(xiàn)

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