振動(dòng)沉管灌注樁的沉管貫入阻力及沉樁可能性分析

王 洪 興

(中國能建山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

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振動(dòng)沉管灌注樁的沉管貫入阻力及沉樁可能性分析

王 洪 興

(中國能建山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

簡述了影響振動(dòng)沉管灌注樁施工過程中沉管的主要因素，根據(jù)振動(dòng)沉管灌注樁的沉管貫入機(jī)理，提出了沉管過程中貫入阻力的估算公式，并通過具體實(shí)例進(jìn)行了分析，以合理選擇施工樁機(jī)與施工順序，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

振動(dòng)沉管灌注樁，貫入機(jī)理，貫入阻力

0 引言

振動(dòng)沉管灌注樁的施工技術(shù)近二十年在全國被廣泛使用，特別在沿海軟土地區(qū)，具有鉆進(jìn)效率高、施工文明和成本低的特點(diǎn)。但在有些地區(qū)，由于地基土地層條件的變化，往往會(huì)造成沉管不能達(dá)到設(shè)計(jì)深度和要求，造成延誤工期和增加成本，限制了這種樁型的使用。造成這種情況的根本原因是：沒有根據(jù)巖土勘測資料、地層土的變化情況、機(jī)械設(shè)備能力以及正確預(yù)估樁的沉管的貫入阻力來判斷沉樁的可能性。

影響振動(dòng)沉管灌注樁沉管可能性的主要因素是地基土條件、施工技術(shù)水平和沉樁設(shè)備能力。而地基土性質(zhì)則決定了沉管阻力的大小。施工技術(shù)水平和設(shè)備能力因素，主要是指能否熟練掌握合理的施工工藝和施工設(shè)備特征，能否根據(jù)地基土的條件，研究出切實(shí)可行的施工工藝、施工順序和方法來確定合理的設(shè)備能力。

樁管在入土過程中，會(huì)受到土體對樁管的抵抗阻力，這個(gè)阻力即為樁的貫入阻力。貫入阻力的大小是影響沉樁可能性的主要因素。要分析貫入阻力，必須分析沉管過程中的貫入機(jī)理。

1 振動(dòng)沉管灌注樁沉管的貫入機(jī)理

振動(dòng)沉管灌注樁沉管的施工原理為：偏心振動(dòng)錘產(chǎn)生的激振力、設(shè)備上加壓系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力、樁錘的自身重量施加于沉管上，強(qiáng)迫沉管沉入地基土中。在沉管過程中，樁尖下端一定范圍內(nèi)的土體受到越來越大的擠壓，當(dāng)樁尖穿過該層土體后，土體不再受擠壓，而變?yōu)槌凉芡獗谂c土體之間發(fā)生摩擦使土體受剪。同時(shí)樁尖在接受由沉管傳下的高頻振動(dòng)力后，造成管周及樁尖下土體天然結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，使土體處于軟塑狀態(tài)，即被稱之為“施工液化”現(xiàn)象。

沉管過程中，當(dāng)管頂?shù)募ふ窳屯獠繅毫蚺渲啬芸朔苤苣ψ枇蜆都庾枇?，沉管就貫入下沉。根?jù)袁湘瑞等人資料分析：沉管過程中管周摩阻力F大致可分為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3三部分，其相應(yīng)的沿管分布范圍為l1，l2，l3。

對于F1來講，樁管在下沉過程中，由于管身的橫向晃動(dòng)，周邊擠開，在管與土之間形成縫隙，淺層土的上覆土重較小和尺寸效應(yīng)的關(guān)系，愈接近地面，這種縫隙愈寬。再者，沉管與土體發(fā)生同步振動(dòng)，破壞了土的原結(jié)構(gòu)，降低了抗剪強(qiáng)度。在上述因素的影響下，必然會(huì)大幅降低管周摩阻力F1值。這一范圍的l1值占樁的入土深度的比值，不僅與樁的入土深度有關(guān)，而且與土的初始狀態(tài)、土的變形特性、沉樁的施工工藝有關(guān)，一般長度為6 m～8 m以內(nèi)。

樁管在下沉中，由于土體的擾動(dòng)，超孔隙水壓力的作用，淺層土的比重，以及打樁共振等共同作用，使樁身中部的樁周土形成一個(gè)軟化區(qū)，它明顯降低了樁周土的抗剪強(qiáng)度，此時(shí)的樁周摩阻力F2主要是軟化層在上部土壓力作用下滑移向樁管軸向擠壓產(chǎn)生的，與相應(yīng)的土體擾動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。這一范圍內(nèi)的l2值占樁入土深度的比值主要與樁入土深度、土層結(jié)構(gòu)、沉樁工藝有關(guān)，l2一般要占整個(gè)樁長的50%～60%。

沉管中，樁尖貫入下沉?xí)r的樁尖效應(yīng)、臨近樁尖處的樁周土體產(chǎn)生的壓向樁身的較大水平壓力、上部土體自重產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力和土體擠密產(chǎn)生的孔隙水壓力等，必將使樁身下部的樁周摩阻力F3增大。但又由于樁尖的“刺入”對土體所產(chǎn)生的擾動(dòng)影響、沉管振動(dòng)作用，降低了土體的抗剪強(qiáng)度。在兩者的共同作用下，樁周土的摩阻抗力將大于原狀土的強(qiáng)度。F3值的大小與土質(zhì)、沉管工藝有關(guān)，而且與樁尖的形狀有關(guān)。預(yù)制或鋼樁頭所產(chǎn)生的F3值要大于用活瓣樁頭時(shí)的F3值。這一范圍內(nèi)的l3值的大小主要與樁徑、土質(zhì)有關(guān)，一般在5倍～8倍的樁徑范圍內(nèi)。

貫入到達(dá)持力層或硬層后，樁尖下端的土體主要受到越來越大的擠壓，因而土體對樁尖產(chǎn)生抗力Pg,Pg大小與持力層的強(qiáng)度有關(guān)。

2 沉管貫入阻力的估算

1)估算公式。根據(jù)以上沉管灌注樁的沉管貫入機(jī)理的分析，樁管在入土過程中，主要是F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3三個(gè)區(qū)間的樁周摩阻抗力及樁尖土體抗力Pg的作用，因而沉管貫入阻力的估算公式為：

P=F1+F2+F3+Pg=Uf1l1+Uf2l2+Uf3l3+RSSg。

其中，F(xiàn)1，F(xiàn)2,F3分別為沿樁周邊分布的動(dòng)態(tài)摩阻力，kN；Pg為樁尖的動(dòng)態(tài)抗力，kN；U為樁周的外周周長，m；Sg為樁尖最大截面處的面積，m2；Rg為樁尖單位動(dòng)態(tài)樁尖阻力,kPa；l1，l2，l3分別為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3沿樁周邊動(dòng)態(tài)摩阻力分布的長度，m；f1，f2，f3分別為沿樁周邊的單位動(dòng)態(tài)摩阻力，kPa。

2)取值方法。打樁過程與靜力觸探試驗(yàn)過程具有相似性，沿樁周邊分布的f1，f2，f3動(dòng)態(tài)摩阻力可根據(jù)巖土勘測的靜力觸探試驗(yàn)中的側(cè)壁摩阻力fs的大小分別取值。靜力觸探試驗(yàn)是靜力壓力取得的，而沉管過程是振動(dòng)壓入的，一是靜態(tài)值fs，二是動(dòng)態(tài)值f1，f2，f3。可根據(jù)修正系數(shù)由靜態(tài)值初步確定各動(dòng)態(tài)值的大小。

f1取值：一般為f1=(0.1～0.2)fs1。

f2與土質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，根據(jù)有關(guān)資料，對于粘性土，視靈敏度St而定。

一般低靈敏度(St=1～2)時(shí)，fs2/f2=1.5，f2=0.67fs1。

中、高靈敏度(St=3～6)時(shí)，f2=(0.4～0.5)fs2。

f3一般大于原土的靜強(qiáng)度，取f3=(1～1.5)fs3。

其中，fs1，fs2，fs3分別為相應(yīng)深度區(qū)間段的靜力觸探側(cè)壁摩阻力，kPa;

l3=(5～8)D，D為樁徑，m；l2為軟化區(qū)的深度范圍值，一般l2=(0.5～0.6)L，L為樁長，m;l1=L-l2-l3。

Rg取值：振動(dòng)樁尖對土體的擠壓作用，由于尺寸效應(yīng)和影響范圍，樁尖動(dòng)態(tài)Rg與靜探錐尖阻力qc有關(guān)，一般當(dāng)樁長7 m≤L≤30 m時(shí)，為Rg=(0.6～0.9)qc。當(dāng)持力層強(qiáng)度較大時(shí)，樁尖進(jìn)入持力層深度有限，小于1 m時(shí),則qc應(yīng)取樁尖上下4D范圍內(nèi)的靜探端阻平均值。

應(yīng)當(dāng)說明：以上的估算公式是根據(jù)沉管貫入機(jī)理初步確定的，在公式中沒有單獨(dú)考慮沉管過程中引起的超孔隙水壓力問題，因孔隙水壓力的大小與土質(zhì)、沉管速度等有關(guān)。沉管是一個(gè)復(fù)雜的過程，不可能有一個(gè)精確的公式來表達(dá)，所以提出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，可以初步計(jì)算出沉樁的貫入阻力。

3 工程實(shí)例

某工程根據(jù)勘測報(bào)告：地基土層①-3層為第四系Q3粉土和粉質(zhì)粘土交互層，土質(zhì)較差，呈軟塑～可塑狀態(tài)，④層為中細(xì)砂層，厚度為4.2 m，地下水位為-6.5 m。設(shè)計(jì)根據(jù)地層情況，主廠房、煙囪、化學(xué)水車間、輸煤棧橋、空冷島等主要建筑物采用樁基，用振動(dòng)沉管灌注樁進(jìn)行施工。主廠房地段設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高為985.3 m，樁長18.5 m，樁管外徑為480 mm，持力層放在④層上，入持力層深度為0.5 m～0.7 m?；瘜W(xué)水車間、輸煤棧橋、空冷島地段設(shè)計(jì)樁長17.2 m，持力層放在相對較硬的③-4層粉質(zhì)粘土上。

按設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)場施工情況：主廠房基坑開挖后基面標(biāo)高為985.5 m，樁長按L=18.5 m，入持力層深度為0.5 m～0.7 m考慮，以勘測提出的靜力觸探測試結(jié)果，計(jì)算沉樁深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后的貫入阻力：

P=F1+F2+F3+Pg=Uf1l1+Uf2l2+Uf3l3+RSSg。

各項(xiàng)取值：

U=πD=1.41 m。

l3=7D=3.15 m，l2=0.5L=9.25 m,l1=L-l2-l3=6.1 m。

f1=0.1fs1=3.5 kPa，f2=0.67，fs1=28 kPa，f3=1.2fs3=41 kPa。

Rg=0.7qc=601 kPa，Sg=0.18 m2。

則計(jì)算貫入阻力P=685.6 kN。對于DZ-90型樁機(jī)，在低擋工作時(shí)，計(jì)算工作能力為η=118.2%；中擋工作時(shí)，η=94.4%；高擋工作時(shí)，η=80%。

對于DZ-60A，DZ-75型樁機(jī)，計(jì)算工作能力η均大于1。

現(xiàn)場沉樁試打情況：DZ-90型樁機(jī)在高擋工作時(shí)，樁管比較順利的打到持力層，只是在進(jìn)入持力層后沉管速度較慢；而在中擋、低擋工作時(shí)，沉樁深度只能打到17.8 m～18 m，無法進(jìn)入持力層。另一臺(tái)DZ-90型樁機(jī)，無加壓系統(tǒng)，沉樁深度只有17.4 m，且沉樁非常困難，需要5 h～6 h。DZ-60A，DZ-75型樁機(jī)，由于振動(dòng)錘的激振力較小，計(jì)算工作能力為η均大于1，現(xiàn)場試打沉樁深度為17 m左右，無法打到設(shè)計(jì)深度。

現(xiàn)場施工情況：根據(jù)巖土報(bào)告計(jì)算設(shè)計(jì)樁長內(nèi)的貫入阻力，對各型號(hào)樁機(jī)的沉樁的可能性進(jìn)行判斷，以及現(xiàn)場試打情況，對不同機(jī)型的樁機(jī)進(jìn)行了施工區(qū)域的分配：有加壓系統(tǒng)的DZ-90型樁機(jī)主要施工主廠房和煙囪地段，DZ-60A，DZ-75型樁機(jī)主要施工化學(xué)水車間、輸煤棧橋、空冷島地段。

4 結(jié)語

1)通過對振動(dòng)沉管灌注樁沉管的貫入機(jī)理進(jìn)行分析，給出了計(jì)算沉管過程中貫入阻力計(jì)算公式，根據(jù)巖土勘測報(bào)告，可以計(jì)算出設(shè)計(jì)樁長范圍內(nèi)的貫入阻力，對不同機(jī)型的樁機(jī)判斷其沉樁的可能性，以此來合理地選擇施工樁機(jī)。

2)振動(dòng)沉管灌注樁的最后貫入度是一個(gè)相對值。不同功率的樁機(jī)克服的貫入阻力也不同，最后的貫入度也不同。因此在同一施工場地中，當(dāng)有不同功率的樁機(jī)施工時(shí)，不能只按貫入度控制，應(yīng)以樁長控制為主，貫入度控制為輔。

3)計(jì)算沉樁的貫入阻力，只考慮了單樁的情況，在群樁施工時(shí)，預(yù)估沉樁的可能性時(shí)還要考慮樁間土的擠密影響，要選擇合理的施工順序。

[1] 孫更生，鄭大同.軟土地基與地下工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984.

[2] 唐世標(biāo).打樁引起的側(cè)壓力及孔隙水壓力的變化[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2011.

Possibility analysis of sinking pipe penetration resistance and pipe sinking of vibrating driven cast-in-place pile

Wang Hongxing

(ChinaEnergyConstructionShanxiPowerSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

The paper describes major factors influencing pipe sinking in vibrating driven cast-in-place pile construction process. According to sinking pipe penetration mechanism of vibrating driven cast-in-place pile, puts forward estimation formula of penetration resistance in pipe sinking process, and carries out analysis with specific cases, with a view to rationally select construction pipe machine and construction procedures and to achieve design demands.

vibrating driven cast-in-place pile, penetration mechanism, penetration resistance

1009-6825(2016)05-0070-03

2015-12-01

王洪興(1963- )，男，高級(jí)工程師，國家注冊土木工程師(巖土)

TU473.14

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