PHC樁擠土效應(yīng)對(duì)飽和粉砂層液化消除的研究

高言言

(中鐵十四局集團(tuán)第一工程發(fā)展有限公司,山東 日照 276800)

0 引言

PHC樁是建筑工程中常用的樁型,但面對(duì)飽和粉砂層廣泛分布的海濱、湖岸、沖積平原等地區(qū),給建筑工程樁基方案的設(shè)計(jì)和施工帶來了很大困難。一方面要考慮PHC樁穿透粉砂層困難的問題;另一方面要考慮粉砂層的液化的性質(zhì),不可作為樁端持力層的問題。因此考慮PHC樁擠土效應(yīng)對(duì)粉砂層液化的消除作用具有重要意義。

根據(jù)GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]4.4.3,當(dāng)采用擠土樁時(shí),平均樁距為2.5倍～4倍樁徑且樁數(shù)不少于5行5列時(shí),可計(jì)入打樁對(duì)土的加密作用及樁身對(duì)液化土變形限制的有利影響。PHC樁為擠土樁,可以考慮對(duì)液化粉砂層擠密改善具有有利影響。何鐵偉等[2]研究了天津?yàn)I海吹填場(chǎng)項(xiàng)目PHC樁對(duì)液化土的改善效果;周漢斌[3]研究了豫東某大型電廠項(xiàng)目PHC樁對(duì)場(chǎng)地液化土的改善效果;王澤明等[4]研究了地下式污水廠項(xiàng)目中PHC樁擠土消除液化;楊慶義[5]以山東某電廠項(xiàng)目為例研究了PHC管樁對(duì)樁間土地層液化影響。鑒于當(dāng)前對(duì)房建項(xiàng)目中PHC樁擠土效應(yīng)對(duì)粉砂層液化消除作用的研究較少,現(xiàn)以滄州津水名苑小區(qū)項(xiàng)目樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工為例,研究PHC樁擠土效應(yīng)對(duì)飽和粉砂層液化消除在規(guī)范及應(yīng)用層面的可行性、經(jīng)濟(jì)性。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

滄州津水名苑小區(qū)項(xiàng)目為設(shè)計(jì)施工總承包項(xiàng)目,共包含7棟住宅樓,一層地下室。地基基礎(chǔ)形式采用樁筏基礎(chǔ),地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí),樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí),抗震等級(jí)為三級(jí)?，F(xiàn)以3號(hào)樓為例,對(duì)PHC樁擠土效應(yīng)對(duì)土層液化[6]消除做研究分析。

3號(hào)樓位于場(chǎng)地西南部,占地面積1 223.56 m2,地下1層,地下室埋深約5.5 m(相對(duì)于原地面),地上17層,建筑高度51.2 m。

1.1.1 地質(zhì)條件

場(chǎng)地地形平坦,地處華北平原東部,地貌單元為沖積平原。勘測(cè)點(diǎn)絕對(duì)高程為7.30 m～7.85 m(±0絕對(duì)高程為8.8 m)。根據(jù)平面圖,結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)特征及擬建建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),按建筑物角點(diǎn)及邊線、中間補(bǔ)充進(jìn)行布設(shè)勘探點(diǎn)。在3號(hào)樓上共布置8個(gè)勘探點(diǎn),勘探點(diǎn)位置見圖1。

經(jīng)勘探得出3號(hào)樓土層分布基本均勻,場(chǎng)地內(nèi)由東向西依次變厚地分布著飽和粉砂層,西側(cè)粉砂層埋深位于地下14.8 m～16.5 m處,厚度9 m～16 m。土層基本特征見表1。代表性地質(zhì)剖面見圖2。

表1 3號(hào)樓代表土層基本特征

1.1.2 地震液化情況

津水名苑小區(qū)項(xiàng)目所在位置,根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2016年版、GB 18306—2015中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[7]及《河北省滄州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)區(qū)域性地震安全性評(píng)價(jià)簡(jiǎn)本報(bào)告》(2022年5月16日),綜合考慮:場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g,基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.172g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類別按Ⅲ類考慮時(shí)設(shè)計(jì)特征周期為0.55 s。對(duì)場(chǎng)地20 m以內(nèi)飽和粉砂進(jìn)行液化判別,地下水位深度按近期內(nèi)年最高水位0.5 m計(jì)算,判定地基第5層飽和粉砂層液化,鉆孔液化指數(shù)為0.01～2.25,液化等級(jí)為輕微。

1.2 原樁基方案

原樁基方案不考慮PHC樁擠土效應(yīng)對(duì)飽和粉砂層液化的消除作用,基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁(PHC AB-500-125)+筏板基礎(chǔ)(筏板厚度0.6 m～0.8 m),其中管樁間距按3.5D取值,且為墻下布置形式。根據(jù)JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[8]3.4.6“樁進(jìn)入液化土層以下穩(wěn)定土層的長(zhǎng)度(不包括樁尖部分)應(yīng)按計(jì)算確定;對(duì)于碎石土,礫、粗、中砂,密實(shí)粉土,堅(jiān)硬黏性土尚不應(yīng)小于2倍～3倍樁身直徑,對(duì)其他非巖石土尚不宜小于4倍～5倍樁身直徑?！钡囊?設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)穿透第⑤粉砂層,有效樁長(zhǎng)30 m,樁端進(jìn)入粉質(zhì)黏土[9]或粉土層1 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樁靜載試驗(yàn)和地勘參數(shù)綜合確定單樁承載力特征值1 350 kN,設(shè)計(jì)總樁數(shù)223根。

1.3 原樁基方案實(shí)際施工情況

因滄州市外環(huán)以內(nèi)對(duì)噪聲的控制,不允許采用錘擊的方式沉樁,現(xiàn)場(chǎng)采用靜壓的方式沉樁。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)靜壓力達(dá)5 000 kN左右樁基仍只能進(jìn)入粉砂層5 m左右,一般PHC樁的樁身豎向承載力設(shè)計(jì)值為3 700 kN左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工發(fā)現(xiàn),樁基穿透粉砂層困難,施工難以達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng),需采用預(yù)鉆孔方式沉樁或改變樁基方案,考慮通過PHC樁的擠土效應(yīng)消除飽和粉砂層的液化的作用。

2 PHC樁消除粉砂層輕微液化的原理及依據(jù)

2.1 PHC樁消除粉砂層輕微液化的原理

所謂砂土液化現(xiàn)象是指飽和砂土受到震動(dòng)時(shí)其趨于緊密的作用導(dǎo)致孔隙水壓力的急劇上升,而在地震過程的短暫時(shí)間內(nèi),急劇上升的孔隙水壓力來不及消散,使原來由砂粒通過其接觸點(diǎn)所傳遞的壓力(有效壓力)減小甚至完全消失,砂層完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力,變得像液體狀態(tài)的現(xiàn)象。所以影響砂土液化的主要原因包含內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因主要是地下水豐富且密實(shí)度低、滲透性差。外因主要是砂土受到震動(dòng)作用。因此消除粉砂層液化只能從改變砂土的內(nèi)在性質(zhì)考慮。

PHC樁[10]消除飽和粉砂層的液化主要是通過擠密效應(yīng)、振密效應(yīng)、樁身側(cè)限效應(yīng)三個(gè)途徑,因本項(xiàng)目只能采取靜壓的方式沉樁,所以暫不考慮振密效應(yīng)。

1)擠密效應(yīng):打入式預(yù)制樁打入土層之后,將樁基位置土體向四周擠出,通過擠土效應(yīng),改變了周邊原土體結(jié)構(gòu),使孔隙比減小,密實(shí)度增加,增加土體抗液化能力。

2)樁身側(cè)限效應(yīng):飽和粉砂層的液化區(qū)是在受震動(dòng)時(shí)逐步擴(kuò)散的。PHC樁沉入之后,由于樁身的側(cè)限作用,能夠有效抑制液化區(qū)擴(kuò)散速度,降低砂土液化擴(kuò)散程度。

2.2 考慮PHC樁消除粉砂層液化的樁基方案及估算

根據(jù)專家論證意見及現(xiàn)場(chǎng)沉樁[11]實(shí)際情況,計(jì)劃改變?cè)瓨痘桨?考慮利用PHC樁的擠土效應(yīng)消除飽和粉砂層的輕微液化。根據(jù)勘察報(bào)告結(jié)果顯示,樁端持力層統(tǒng)一取2.5 m的砂層,即可滿足承載力要求。樁基仍采用PHC-AB 500(125)管樁,有效樁長(zhǎng)改為15 m,布樁形式改為筏板滿布,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樁靜載試驗(yàn)和地勘參數(shù)綜合確定單樁承載力特征值1 100 kN,3號(hào)樓總樁數(shù)307根,樁間距為1.8 m,筏板改為80 cm等厚筏板。

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2016年版4.3.4“當(dāng)飽和砂土、粉土的初步判別認(rèn)為需進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時(shí),應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法判別地面下20 m范圍內(nèi)土的液化”,以具有代表性的XZ27號(hào)鉆孔為例對(duì)粉砂層消除液化進(jìn)行估算,采用正方形布樁,根據(jù)JGJ 79—2012建筑地基處理規(guī)范[12]中一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑(m)的規(guī)定進(jìn)行面積置換率計(jì)算?，F(xiàn)選取標(biāo)貫深度18.3 m處,臨界標(biāo)貫擊數(shù)Ncr為23.50,實(shí)際標(biāo)貫擊數(shù)為20,PHC樁沉入后標(biāo)貫擊數(shù)暫按GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2016年版4.4.3進(jìn)行估算,樁基施工完成后再進(jìn)行消除液化試驗(yàn)驗(yàn)證(見式(1)—式(4)):

de=1.13s=2.034

(1)

(2)

N1=Np+100ρ(1-e-0.3Np)=26.03

(3)

N1>Ncr=23.50

(4)

其中,s為樁間距,m,本方案為1.8 m;d為樁徑,m,本方案為0.5 m;de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑,m,樁孔按正方形布置de=1.13s;ρ為打入式預(yù)制樁的面積置換率;N1為打樁后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù),擊;Np為打樁前的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù),擊;Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值,擊。

估算證明,基本可以消除液化。

3 沉樁完成后對(duì)土層液化情況進(jìn)行檢測(cè)

3.1 勘探試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)

樁基施工完成后對(duì)飽和粉砂層的液化判別仍采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法。共設(shè)置6個(gè)勘探試驗(yàn)點(diǎn),分別位于樓的4個(gè)角和前后兩個(gè)長(zhǎng)邊中點(diǎn)盡量接近原鉆孔的位置?？碧近c(diǎn)類型為取土標(biāo)貫試驗(yàn)孔,勘探深度21 m。鉆孔位置見圖3。

3.2 飽和粉砂層液化判別結(jié)果

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2016年版4.3.4,在地面下20 m深度范圍內(nèi),液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按式(5)計(jì)算:

當(dāng)N

(5)

其中,Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值,對(duì)于本工程所在區(qū)域設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g,取N0=10;ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度,m;dw為地下水位,m;ρc為黏粒含量百分率,當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r,應(yīng)采用3;β為調(diào)整系數(shù),本工程設(shè)計(jì)第二組取0.95。

第⑤層粉砂層液化判別結(jié)果見表2。

經(jīng)PHC樁施工完成后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),第⑤層粉砂層液化已全部消除。

3.3 PHC樁施工前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)分析對(duì)比

根據(jù)樁基施工前后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,對(duì)擠密前后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表3所示,從對(duì)比結(jié)果可以看出PHC樁施工后標(biāo)貫擊數(shù)提高顯著。

表3數(shù)據(jù)表明,PHC樁施工前后土層受到明顯擠密作用,對(duì)黏土和粉砂擠密后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)提高13.33%～108.29%,相比之下對(duì)粉砂層的擠密作用更為明顯,場(chǎng)地從原來的液化場(chǎng)地改變?yōu)榱朔且夯瘓?chǎng)地。

4 兩種樁基方案比較

4.1 經(jīng)濟(jì)性比較

原樁基方案需考慮飽和粉砂層輕微液化對(duì)樁側(cè)摩阻的折減,單樁承載力特征值1 350 kN,樁長(zhǎng)30 m。因飽和粉砂層較難穿透,打樁之前需要預(yù)鉆孔,鉆孔深度按壓樁深度的2/3計(jì)算,壓樁深度為送樁深度與有效樁長(zhǎng)之和,送樁深度為5.5 m。筏板厚度加厚區(qū)域?yàn)?0 cm,普通區(qū)域?yàn)?0 cm。

表2 第⑤層粉砂層標(biāo)貫法液化結(jié)果判別表

表3 沉樁前后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比表

新樁基方案通過PHC樁擠土效應(yīng)消除飽和粉砂層的液化,以飽和粉砂層作為樁端持力層,單樁承載力特征值1 100 kN,樁長(zhǎng)15 m,因沉樁深度較淺,不需要預(yù)鉆孔,筏板采用80 cm等厚筏板。

通過原樁基方案與新樁基方案投資對(duì)比發(fā)現(xiàn),利用PHC樁擠土效應(yīng)消除飽和粉砂層輕微液化后,從而樁長(zhǎng)不考慮砂層液化影響的新樁基方案比原樁基方案可節(jié)省投資約78.88萬元。詳細(xì)經(jīng)濟(jì)投資對(duì)比見表4。

4.2 施工方面比較

原樁基方案壓樁深度約35.5 m,樁基難以穿透飽和粉砂層,根據(jù)地勘及前期施工情況,每根樁都要進(jìn)行預(yù)鉆孔才能沉樁,預(yù)鉆孔機(jī)械與壓樁機(jī)械在現(xiàn)場(chǎng)交叉施工,不但影響施工效率,而且還造成安全隱患。其次樁長(zhǎng)較長(zhǎng),現(xiàn)場(chǎng)施工較難達(dá)到設(shè)計(jì)沉樁深度,存在大量壓樁不到位的情況,后期增加了大量額外的補(bǔ)樁、截樁施工任務(wù)。最后,部分樁基雖壓至設(shè)計(jì)深度,但終壓值太大,超過了樁基豎向承載力設(shè)計(jì)值,極有可能造成樁基損傷,甚至爆樁,對(duì)質(zhì)量和安全帶來隱患。新樁基方案利用PHC樁擠土效應(yīng)消除粉砂層液化,以粉砂層作樁端持力層,壓樁深度較淺,有效地解決了現(xiàn)場(chǎng)施工困難的問題,避免了預(yù)鉆孔、補(bǔ)樁、截樁等額外的施工任務(wù)。另外因樁長(zhǎng)較短,市場(chǎng)上能買到單根15 m長(zhǎng)的PHC樁,避免了壓樁過程的接樁工作,有效提高了施工效率。

表4 兩種樁基方案經(jīng)濟(jì)投資對(duì)比表

5 結(jié)論

本文以滄州津水名苑小區(qū)項(xiàng)目3號(hào)樓的樁基設(shè)計(jì)和施工為例,結(jié)合是否考慮PHC樁擠土效應(yīng)消除粉砂層液化的兩種樁基方案對(duì)比,并對(duì)PHC樁施工前后的粉砂層液化程度進(jìn)行檢測(cè)判別,得出主要結(jié)論如下:

1)PHC樁不僅能解決地基承載力的問題,利用其對(duì)土層的擠密效果及其對(duì)土體的側(cè)限作用,能夠改變土體的密實(shí)狀態(tài),消除飽和粉砂層的液化程度。

2)在類似存在較厚液化粉砂層的場(chǎng)地中,可以考慮PHC樁擠土效應(yīng)消除粉砂層液化的作用,以粉砂層作為持力層,為總承包項(xiàng)目前期的樁基方案提供更多選擇,同時(shí)給工程項(xiàng)目節(jié)省大量投資,并有效降低施工難度,提高施工效率。