某路堤靜壓管樁的終壓力與單樁承載力關(guān)系研究

蔣隆建

(福州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，福建 福州 350003)

0 前 言

靜壓法施工無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)污染，適合于市區(qū)及對(duì)環(huán)保要求較高的地區(qū)使用，工藝成熟。設(shè)計(jì)單位通常會(huì)要求采用壓樁力作為靜壓管樁的終樁控制標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際施工中，經(jīng)常有施工、監(jiān)理或甲方單位提出：壓樁力必須達(dá)到單樁設(shè)計(jì)極限承載力方可終樁，在試樁時(shí)打入設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)后，往往因壓樁力達(dá)不到單樁設(shè)計(jì)極限承載力設(shè)計(jì)值，要求繼續(xù)增加樁長(zhǎng)，直到壓樁力達(dá)到設(shè)計(jì)值，造成實(shí)際樁長(zhǎng)較設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)增加較多，增加了工程投資，也給參建各方帶來(lái)較大的壓力。

實(shí)際上，靜壓樁沉樁結(jié)束后，承載力隨時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生改變，即承載力具有時(shí)效性[1-2]，特別是軟土地基中的樁承載力隨時(shí)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)尤為明顯，因此，僅用終樁時(shí)的終壓力去推算單樁極限承載力過(guò)于保守，有必要對(duì)二者的關(guān)系進(jìn)行研究，提出合適的估算方法，以指導(dǎo)施工。部分學(xué)者考慮時(shí)間效應(yīng)根據(jù)壓樁力對(duì)單樁豎向承載力進(jìn)行了預(yù)測(cè)和試驗(yàn)[3-4]，但這種關(guān)系具有很強(qiáng)的地域性，本文根據(jù)福州地區(qū)的工程案例探索適用于本地區(qū)的預(yù)測(cè)關(guān)系。

1 單樁承載力與終壓力的區(qū)別

沉樁完成后，樁的承載力并非一成不變，而是隨著時(shí)間推移逐漸增大的趨勢(shì)，增加比例隨著不同地區(qū)土層的不同而各異，稱為單樁承載力的時(shí)效性。靜壓管樁沉樁后，單樁承載力增長(zhǎng)的原因如下[5-7]。

1)樁周土層的固結(jié)。靜壓管樁貫入施工過(guò)程中由于土中水無(wú)法及時(shí)排出，會(huì)產(chǎn)生很大的超孔隙水壓力，且在管樁表面形成水膜，減少了樁周土的側(cè)摩阻力，反映在壓樁力上即為壓樁力要小于相應(yīng)深度的計(jì)算單樁承載力；沉樁結(jié)束后，超孔隙水壓力逐漸消散，水膜消失，樁周土層重新固結(jié)，土的有效應(yīng)力增加，側(cè)摩阻力恢復(fù)，使得單樁承載力逐漸增加，最終收斂于計(jì)算的單樁承載力。

2)樁周土層的觸變恢復(fù)和硬殼效應(yīng)。靜壓管樁沉樁過(guò)程中，樁周土層的一小部分土體受到徑向擠壓和豎向剪切作用，緊靠樁身區(qū)域的土體變成完全塑性區(qū)，使得施工沉樁時(shí)阻力變小，但經(jīng)過(guò)一段休止期后，該部分土體的粘聚力和剪切強(qiáng)度逐漸得到恢復(fù)甚至超過(guò)土體原始抗剪強(qiáng)度，在樁身表面形成了一層3～20 mm厚的“硬殼”，當(dāng)樁承受豎向荷載發(fā)生向下位移趨勢(shì)時(shí)，該“硬殼”層會(huì)隨樁身一起產(chǎn)生位移趨勢(shì)，剪切面發(fā)生在該層之外，即發(fā)生在完全塑性區(qū)與部分?jǐn)_動(dòng)區(qū)交界處，相當(dāng)于擴(kuò)大了樁徑，實(shí)際上增加了樁側(cè)摩阻面積，增加了樁的承載力。

通過(guò)對(duì)單樁承載力及終壓力概念的分析，二者在原理及應(yīng)用上存在著本質(zhì)差別，主要表現(xiàn)如下。

1)概念不同。單樁承載力是管樁施工完成且在休止期后，能夠保持正常使用所能承受的最大長(zhǎng)期荷載作用；壓樁力是管樁施工過(guò)程中貫入土層所需要的“動(dòng)態(tài)”靜壓力。

2)性質(zhì)不同。單樁承載力是土層穩(wěn)定后的樁側(cè)土摩阻力和樁端土承載力對(duì)樁所能提供的支承力；壓樁力是克服樁尖土層的抗沖剪阻力，是一種破壞土層的極限荷載。

3)數(shù)值大小不同。單樁承載力包括樁端土承載力和樁側(cè)土層的摩阻力，一般可以按照地區(qū)土質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到，對(duì)于長(zhǎng)樁而言，樁側(cè)土摩阻力占主要部分；壓樁力包括樁端土層的阻力和樁側(cè)土層的滑動(dòng)摩阻力，在連續(xù)壓樁的施工過(guò)程中，反映的主要是樁尖土層的阻力。

4)作用效果不同。壓樁力會(huì)使樁尖土體沖剪破壞擠壓樁管周?chē)翆樱纬删哂泻芨呖紫端畨毫Φ臄_動(dòng)重塑區(qū)；單樁承載力要靠消散孔隙水壓力，使緊貼樁身的擾動(dòng)重塑土產(chǎn)生再固結(jié)而逐漸恢復(fù)土體的抗剪強(qiáng)度才能最后形成。終壓力可以理解為壓樁結(jié)束時(shí)刻的單樁承載力。

2 工程案例

2.1 工程概況

擬建道路工程位于福建省福州市三江口片區(qū)，在K8+839下穿通道兩端各60 m范圍的過(guò)渡段路基擬采用靜壓管樁進(jìn)行軟基處理，場(chǎng)地土層的地質(zhì)資料見(jiàn)表1，整個(gè)場(chǎng)地地層分布較為均勻，路堤填方高度4～5 m，管樁外徑400 mm，壁厚95 mm，正方形布樁，樁間距2.5 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)34 m，持力層為粉質(zhì)黏土⑦，按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)，樁端土塞效應(yīng)系數(shù)取0.8，計(jì)算得到單樁承載力特征值見(jiàn)表2。

表1 場(chǎng)地土層地質(zhì)資料

表2 單樁承載力特征值計(jì)算

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

2019年8月，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)靜壓管樁進(jìn)行試樁，試樁點(diǎn)位取原勘察孔附近，保證地層變化情況可控，打至設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)時(shí)記錄壓樁力為終壓力，按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)共試樁6根，經(jīng)7天的休止期后，采用靜載試驗(yàn)對(duì)單樁承載力進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。

表3 單樁承載力靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.3 結(jié)果與分析

1)壓樁力是沉樁結(jié)束第零時(shí)刻的單樁承載力，在沉樁結(jié)束且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的休止期后，單樁承載力存在較大幅度的增長(zhǎng)，根據(jù)本項(xiàng)目試樁的結(jié)果，7天后單樁承載力增長(zhǎng)幅度大部分在152%～217%，個(gè)別樁達(dá)到314%，如果在施工中把終壓力當(dāng)成單樁承載力去理解的話，會(huì)認(rèn)為設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)達(dá)不到所要求的承載力，從而需要增加樁長(zhǎng)，在實(shí)際工程項(xiàng)目中經(jīng)常碰到有甲方與施工單位提出類似的疑問(wèn)和要求，這是對(duì)壓樁力與單樁承載力二者概念不清導(dǎo)致的。

2)壓樁力是一個(gè)與地層、含水量、樁長(zhǎng)、施工工藝等多因素有關(guān)的動(dòng)態(tài)變化參數(shù)，在不同場(chǎng)地甚至同一場(chǎng)地的不同位置均會(huì)出現(xiàn)較大的變化，需要通過(guò)試樁來(lái)了解本項(xiàng)目的特異性。由于此次收集的檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量較少，要定量分析壓樁力與單樁承載力的函數(shù)關(guān)系比較困難，從指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工及設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，可以采用UQ比作為大致把控的指標(biāo)，即

UQ比=終壓力U/單樁極限承載力Q

根據(jù)本次試樁及檢測(cè)的結(jié)果，本項(xiàng)目UQ比變化范圍為0.3～0.4，在實(shí)際大范圍施工中可以據(jù)此控制終壓力，按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)施工到位后終壓力能夠30%～40%倍要求的單樁極限承載力，即可認(rèn)為休止期后檢測(cè)單樁極限承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3)從試樁的結(jié)果來(lái)看，在本項(xiàng)目深厚淤泥的地質(zhì)條件下，休止期后單樁承載力較終壓力有大幅度的增長(zhǎng)，根據(jù)本文中對(duì)二者關(guān)系的分析，增長(zhǎng)的部分主要來(lái)自于樁周飽和軟黏土中超孔隙水壓力消散、土體重塑后樁側(cè)摩阻力的增長(zhǎng)，由于樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，樁側(cè)摩阻力增長(zhǎng)部分非?？捎^。因此，在實(shí)際施工中要做好靜壓管樁的試樁工作，掌握本場(chǎng)地的情況，充分發(fā)揮靜壓樁在土體恢復(fù)后單樁承載力的增長(zhǎng)潛力，讓樁的承載力最大限度發(fā)揮，使軟基處理的設(shè)計(jì)、施工更為科學(xué)合理，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理的施工效果。

3 結(jié)論與建議

針對(duì)福州地區(qū)深厚淤泥地質(zhì)條件下采用靜壓管樁的道路軟基處理案例，結(jié)合施工過(guò)程中的問(wèn)題及樁基檢測(cè)結(jié)果資料，對(duì)靜壓管樁終壓力和單樁極限承載力的關(guān)系進(jìn)行了辨析，指出單樁極限承載力在沉樁完成后仍存在大幅度的增長(zhǎng)并分析了原因，提出UQ比作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試樁及大范圍施工的依據(jù)。

在淤泥層深厚的福州三江口地區(qū)，要充分重視靜壓管樁的試樁工作，總結(jié)試樁及檢測(cè)成果，以作為大面積施工的指導(dǎo)。對(duì)于以其他地層為主的場(chǎng)地，不一定適用本項(xiàng)目所提出的UQ比，應(yīng)結(jié)合具體場(chǎng)地試樁結(jié)果確定。

本文提出的UQ比目前僅可用于初步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，但對(duì)靜壓樁沉樁后的單樁極限承載力發(fā)展過(guò)程及原理還無(wú)法進(jìn)一步解讀，下一階段可考慮結(jié)合工程案例通過(guò)埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)、沉樁完成后對(duì)樁周土進(jìn)行靜力觸探等方式探索樁周土及孔隙水的變化情況，完善單樁極限承載力隨時(shí)間增長(zhǎng)的理論過(guò)程，以更好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及實(shí)施。

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