PHC管樁與普通實(shí)心樁的擠土效應(yīng)對比分析

趙廣順　何　洋

(1.合肥工大巖土工程有限公司，安徽 合肥　230009；　2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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PHC管樁與普通實(shí)心樁的擠土效應(yīng)對比分析

趙廣順1何洋2

(1.合肥工大巖土工程有限公司，安徽 合肥230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

分析了PHC管樁沉樁擠土效應(yīng)，探討了擠土效應(yīng)對管樁工程性狀的影響，并通過計算，對比了PHC管樁與普通實(shí)心樁的擠土效應(yīng)特征，結(jié)果表明，PHC管樁可大幅度減小樁周土的塑性區(qū)半徑，顯著降低擠土效應(yīng)。

PHC管樁，實(shí)心樁，擠土效應(yīng)，塑性區(qū)

0　引言

PHC管樁是一種由專業(yè)廠家生產(chǎn)的新型基樁。PHC管樁采用先張法預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型作用，并經(jīng)一定時間的蒸汽養(yǎng)護(hù)，制作成空心等截面形狀，是一種細(xì)長的預(yù)制混凝土構(gòu)件。PHC管樁具有單樁承載力高，施工速度較快，價格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，在廣東、廣西、江蘇、浙江、福建和上海等南方地區(qū)工民建工程中得到了廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁相比，PHC管樁具有單樁承載力高、施工工期短、質(zhì)量可靠、工廠化生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)性好、施工監(jiān)理方面等突出優(yōu)點(diǎn)。

PHC管樁在沉樁過程中，常采用錘擊法或者靜壓法施工，對樁周土體存在明顯的擠土作用，影響樁周土的承載力及樁基性能。本文簡要分析了PHC管樁擠土效應(yīng)特征，并通過計算，對比分析了PHC管樁與實(shí)心樁擠土效應(yīng)特征，得到一些有益的認(rèn)識。

1　PHC管樁擠土效應(yīng)分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，PHC管樁常采用靜壓法和錘擊法兩種不同的沉樁施工方法。PHC管樁的沉樁速度一般都比較快，沉樁持續(xù)時間一般都較短。樁周土體在強(qiáng)烈的沉樁擠壓作用下，發(fā)生擾動，發(fā)生一定程度的垂直隆起和水平位移，基本可以看作是一個受擠的不排水過程。在飽和軟土地基中進(jìn)行PHC管樁沉樁施工，由于軟土的滲透系數(shù)很小，施工擾動將產(chǎn)生較高的孔隙水壓力，并引起土的有效應(yīng)力大幅度減小。在PHC管樁沉樁施工結(jié)束后，隨著時間的推移，孔隙水壓力消散，土體排水發(fā)生再固結(jié)作用。土體的再固結(jié)作用，使土體中的有效應(yīng)力增大，樁間土發(fā)生沉降變形，地基土的強(qiáng)度與承載力增大。在樁間土發(fā)生沉降時，PHC管樁側(cè)摩阻力減小，甚至有時會出現(xiàn)負(fù)摩阻力，樁端阻力則隨之有所增大。粘土地基中，PHC管樁沉樁作用引起的擠土效應(yīng)，可以總結(jié)為引起樁周土體完全重塑或者土的結(jié)構(gòu)發(fā)生部分改變、樁周土的位移和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化、土中的超孔隙水壓力產(chǎn)生與消散以及地基土強(qiáng)度的觸變恢復(fù)等四個方面。

地基土工程性質(zhì)的不同決定著沉樁過程中土的位移特性。如結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的靈敏土在PHC管樁沉樁過程中，由于擠土效應(yīng)引起土體結(jié)構(gòu)破壞，土體發(fā)生軟化，并可能從PHC管樁兩側(cè)擠出地表，從而使地表存在較大的隆起。而對于非靈敏土，如粗砂、細(xì)砂、硬粘土等土層，PHC管樁沉樁引起的隆起量要小得多。

2　擠土效應(yīng)對管樁工程性狀的影響及防治措施

1)引起管樁的變形和上浮。PHC管樁沉入土中后，樁周土體受到擠壓作用，發(fā)生較大的塑性剪切變形。在強(qiáng)烈的擠土效應(yīng)作用下，管樁結(jié)構(gòu)本身亦受到很大的擾動和破壞。當(dāng)管樁布置比較密集時，擠土效應(yīng)可能引起管樁接頭斷裂、樁體上浮(浮樁)等工程問題。同時，由于擠土作用而產(chǎn)生較大的水平壓力，也可能會引起PHC管樁發(fā)生水平方向的撓曲和彎矩,從而導(dǎo)致管樁偏斜和彎曲。管樁擠土效應(yīng)引起的管樁變形和浮樁等破壞，可導(dǎo)致管樁基礎(chǔ)承載力的降低，甚至影響管樁基礎(chǔ)的正常使用。2)地基中產(chǎn)生超孔隙水壓力。PHC管樁施工過程中，地基土中會產(chǎn)生超孔隙水壓力，尤其是在飽和軟粘土中，超孔隙水壓力很大。由于軟土地基滲透系數(shù)較小，超孔隙水壓力難以快速消散。這會引起管樁貫入阻力的大幅度增大，從而引起管樁沉樁困難，并對樁周與樁端土的承載力的發(fā)揮存在一定的影響。在實(shí)際工程中，必須考慮超孔隙水壓力對管樁承載力的影響，否則可能引起工程問題。3)對周圍環(huán)境的影響。從收集到的許多PHC管樁應(yīng)用工程實(shí)例來看，沉樁擠土效應(yīng)的影響范圍及擠土壓力是比較大的，對管樁周圍環(huán)境的影響較強(qiáng)，不可忽視。特別是在軟土地基中，當(dāng)管樁附近存在基礎(chǔ)埋深較淺、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的建筑物時，當(dāng)存在對變形敏感的地下管線，如隧道、管道、地鐵等，對其造成很大的危害。由于管樁擠土作用的影響，可能引起漏氣、漏水、房屋開裂等事故。因此，管樁施工，不僅需要考慮管樁基礎(chǔ)本身的安全，還要考慮對周圍環(huán)境的影響，保護(hù)臨近建筑物的安全。4)避免危害性措施。在管樁工程設(shè)計與施工中，必須經(jīng)過詳實(shí)的地基勘察與計算分析，避免因管樁擠土效應(yīng)而影響工程安全，并保障臨近建筑物的安全。首先，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要及地基情況，選擇適當(dāng)?shù)臉堕g距和樁長，保證足夠的樁基承載力，并避免產(chǎn)生過大的擠土效應(yīng)。其次，可采取適當(dāng)?shù)呐潘胧?，增大地基土的滲透系數(shù)，加速孔隙水壓力的消散速度，增大土體的壓縮性，以減小沉樁時的貫入阻力，降低擠土效應(yīng)。如設(shè)置合理的排水通道等。第三，設(shè)置應(yīng)力釋放孔等措施，緩解或者隔斷擠土通道，以削弱沉樁擠土效應(yīng)對周圍建筑物，特別是地基管線的影響。第四，采用預(yù)鉆孔壓樁施工工藝，在樁位處先鉆孔，將土體排出后再進(jìn)行壓樁施工，可大幅度降低擠土效應(yīng)的影響，保護(hù)管樁及臨近建筑物。第五，控制沉樁速率，采取適當(dāng)?shù)氖┕び媱?，保證土中應(yīng)力的傳遞和孔隙水壓力的消散，可有效減小擠土效應(yīng)的影響。

3　PHC管樁與普通實(shí)心樁的擠土效應(yīng)對比分析

采用計算方法，建立計算模型，對比分析PHC管樁與普通實(shí)心樁擠土效應(yīng)特征。土體模量取c=20 kPa，φ=20°，υ=0.35，E=8 MPa，平均體積應(yīng)變?yōu)?.015。圖1為PHC管樁外徑不變時，塑性區(qū)半徑與樁內(nèi)外徑比的關(guān)系曲線。從圖1可以看出，塑性區(qū)半徑Rp隨著PHC管樁內(nèi)徑的增大而減??；隨著內(nèi)徑的增大，塑性區(qū)半徑衰減速度不斷加快。圖2為最終壓力與內(nèi)外徑比的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，隨著內(nèi)外徑比的增大，PHC管樁最大擠壓力不斷減?。划?dāng)管樁內(nèi)徑較小時，最終壓力減小較慢；隨管樁內(nèi)徑的不斷增大，最終壓力減小的速度不斷加快。

圖1　塑性區(qū)半徑　　　　　　　　　　圖2　最終壓力　與內(nèi)外半徑比的關(guān)系　　　　　　　　與內(nèi)外半徑比的關(guān)系

表1為相同外徑的PHC管樁與實(shí)心樁在沉樁時產(chǎn)生的塑性區(qū)半徑大小計算結(jié)果的比較。從表1中可以看出，PHC管樁沉樁時形成的塑性區(qū)半徑較相同直徑的實(shí)心樁的要減小39.1%～41.7%。因而，使用PHC管樁可以較為顯著地降低沉樁時的擠土效應(yīng)，并且樁徑越大，其相對的效果越為顯著。

表1　PHC管樁與實(shí)心樁擠土塑性區(qū)半徑比較(相同外徑)

表2為相同承載力條件下，管樁與普通的實(shí)心樁塑性區(qū)半徑的計算結(jié)果(其中，PHC管樁內(nèi)側(cè)面積按照30%進(jìn)行折算)。分別取PHC管樁外直徑為500 mm，550 mm，600 mm和相同承載力的實(shí)心樁進(jìn)行比較。外徑從500 mm到600 mm變化時，管樁可以減小塑性區(qū)半徑39.4%～53.2%。

表2　PHC管樁與實(shí)心樁擠土塑性區(qū)半徑比較(相同承載力)

4　結(jié)語

本文簡要分析了PHC管樁擠土效應(yīng)特征，探討了擠土效應(yīng)對管樁性狀的影響，分析了避免擠土效應(yīng)危害的有效措施。通過計算，對比分析了PHC管樁與普通實(shí)心樁的擠土效應(yīng)。結(jié)果表明，PHC管樁可大幅度減小樁周土的塑性區(qū)半徑，顯著降低擠土效應(yīng)。本文研究成果對PHC管樁工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

[1]徐至鈞，李智宇，張亦農(nóng).預(yù)應(yīng)力混凝土管樁設(shè)計施工及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]唐世棟，何連生，傅縱.軟土地基中單樁施工引起的超孔隙水壓力[J].巖土力學(xué)，2002，23(6):725-732.

[3]姚笑青.飽和軟土中擠土樁的樁間土再固結(jié)及單樁承載力隨時間的增長[D].上海：同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，1994.

[4]許清俠.沉樁的擠土效應(yīng)對周邊環(huán)境的影響[D].上海：同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，1998.

On comparative analysis of squeeze effect between PHC pipe pile and common solid pile

Zhao Guangshun1He Yang2

(1.HefeiGongdaGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Hefei230009,China;2.SchoolofResourcesandEnvironmentEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

The paper analyzes the pile-sinking squeezing effect of PHC pipe pile, explores the influence of the squeezing effect on the pipe pile’s engineering performance, compares the squeezing effect features of PHC pipe pile and common solid pile by the calculation, and proves by the result that PHC pipe pile can substantially reduce the plastic radius of the pile-around soil and lower the squeezing soil effectively.

PHC pipe pile, solid pile, squeezing effect, plastic zone

1009-6825(2016)21-0068-02

2016-05-18

趙廣順(1982- )，男，工程師

TU473

A