陳煥文

(湖南建工集團總公司,長沙 410007)

靜壓預應力混凝土管樁在工程應用中的研究

陳煥文

(湖南建工集團總公司,長沙 410007)

針對城市錘擊送樁噪音控制,使靜壓樁得到廣泛的應用。為此對靜壓預應力混凝土管樁的應用情況進行研究,采用靜載試驗+PDA高應變檢測,對常用的φ400、φ500靜壓預應力管樁,在不同地質條件、不同歇后恢復時間、不同施工控制參數下的極限承載力進行試驗研究。經統(tǒng)計分析后提出主要土(巖)層樁的極限端阻力和極限側阻力指標,并根據工程實際情況,提出靜壓預應力混凝土管樁施工控制參數、質量檢測等要求。

靜壓預應力;混凝土管樁;應用

1 項目研究主要目的

對城市錘擊送樁噪音的控制,使靜壓樁得到廣泛地應用。本課題對靜壓預應力混凝土管樁的應用情況進行研究,采用靜載試驗+PDA高應變檢測+應力應變檢測相結合的方法,對目前使用最多的φ400、φ500靜壓預應力(高強)混凝土管樁,在不同地質條件、不同歇后恢復時間、不同施工控制參數下的極限承載力進行試驗研究,深入研究預應力混凝土管樁的工作狀況,經統(tǒng)計分析后提出主要土(巖)層采用靜壓樁的極限端阻力和極限側阻力指標,并根據工程實際情況,提出靜壓預應力混凝土管樁施工控制參數、質量控制要點及質量驗收檢測方案。

2 研究內容

2.1 試驗內容

(1)記錄靜壓預應力混凝土管樁施工時每米的施工壓力值;

(2)記錄施工壓力值達到計劃終壓值80%時的樁長及三次復壓樁的沉降量;

(3)記錄施工壓力值達到計劃終壓值的樁長及三次復壓樁的沉降量;

(4)靜載檢測

(5)PDA高應變檢測

前3步數據是為找出“施工壓力值”、“復壓沉降量”、“承載力”三者之間的關系?！皬蛪撼两盗俊笔菢对诎搭A定施工壓力值復壓時,對綁在樁上卷尺段采用水準儀器測量計算所得。

2.2 試驗數據

2005年至2007年按照試驗方案,共取得45根樁的有效數據。其中φ400樁21根、φ500樁20根,φ600樁4根,基樁檢測基本情況見表1。

表1 工地選取預應力管樁的承載力(kN)

2.3 靜壓管樁工作機理及試驗分析

靜壓樁承載力是由樁側阻力和樁端土阻力組成的,與樁周土的物理力學性能有著密切的關系。樁正常使用時或靜載檢測時的承載力一般以樁側阻力為主。靜壓樁的入土過程,是樁在施工壓力作用下克服樁側阻力,在樁尖土形成沖剪破壞的過程。靜壓樁施工時,樁側阻力占施工壓力的比例較低,施工壓力主要作用對樁尖土的壓密與沖剪破壞,靜壓樁施工對樁周土物理力學性能產生了很大的影響。

可見,在樁施工時施加的力與樁正常使用可提供的承載力之間的關系非常復雜。因此,對靜壓樁從施工到正常使用的工作機理進行對比研究,是充分合理利用靜壓預應力混凝土管樁承載力,避免質量隱患的根本。

2.3.1 側阻力的歇后恢復性能

靜壓樁施工過程中,前面大部分樁長的施工,施工壓力較低,且壓力增加也很緩慢,但到了最后幾米時,施工壓力迅速升高。通過對施工壓力記錄統(tǒng)計可以看出,最后幾米施工增長的施工壓力占總施工壓力的比例是較大的。樁施工時樁側阻力占施工壓力的比例是較低的。

主要原因是:

(1)在壓樁過程中,樁尖將土體側向擠壓,使樁側土體形成重塑區(qū),特別是粘性土,土體在擠壓重塑時產生超孔隙水壓力,擾動了土體結構,降低了土體抗剪強度,減少了摩擦力;

(2)成柱時間較短,樁土間內聚力未恢復;

(3)施工時樁土相對運動速度較快,樁側土給樁施加的阻力是動摩控力。

而在靜壓樁正常使用時,樁側阻力與施工時的側阻力相比有了很大變化;

①隨著時間的推移,超孔隙水壓力逐漸消散,土體重新固結,土體抗剪強度逐漸恢復并提高,提高了樁的側阻力。

②樁土間內聚力基本恢復。

③樁正常使用時樁土相對運動速度很慢,樁土近似相對靜止,樁側土提供的是靜摩擦力。

因此樁施工時遇到的土側阻力于大大低于靜載檢測時土側阻力。

由此可見,靜壓樁側阻力的歇后恢復性能主要源自于超孔隙水壓力逐漸消散,土體重新固結,土體抗剪強度逐漸的恢復和提高、樁土間內聚力的提高。

靜壓樁側阻力的歇后恢復性能影響因素較多,粘性土與砂土的歇后恢復性能差別也很大。一方面是:砂土不產生超孔隙水壓力,而粘性土透水性差,超孔隙水壓力消散較慢;另一方面是:砂土與樁之間沒有內聚力。

a.對于粘性土

由于超孔隙水壓力逐漸消散,土體重新固結,土體抗剪強度逐漸恢復、提高,樁土間內聚力也不斷提高。樁土間內聚力一般為10～100kPa,樁土間內聚力的提高時間較長,但其主要部分在1h內就完成了恢復。土體抗剪強度的恢復和提高所需時間較長,一般需要20～30d,透水性差的需要的時間更長。以上就是為什么有的樁承載力長時間不斷提高的原因,也是有的樁停一停就壓不下的原因。

采用應力應變研究中的數據,用歇后90d左右,歇后135d左右的粘性土側阻力與歇后45d左右的粘性土側阻力相比,得到樁機側粘性土側阻力的歇后恢復系數見下表2。

表2 樁側粘性土側阻力的歇后恢復系數

b.對于砂土

由于顆粒較大,孔隙比較大、透水性較強,在樁施工時樁側土不會形成重塑區(qū),也不產生超孔水壓力,砂土的擠密,提高了砂土的抗剪強度,也提高擠壓應力σr,根據式(4-1-5)可知樁側阻力也提高了。

施工完成后,樁側擠密的砂土層顆粒結構重組,顆粒孔隙比增大,逐漸恢復到施工前狀態(tài),砂土的抗剪強度降低,土的泊松比減小,使土層自重應力產生的側壓力σc和施工擠土產生的擠壓應力σr均減小,減小了樁土間有效壓力也就減小樁側阻力。

由于顆粒較大,孔隙比較大,使砂土側摩阻力歇后減小較多且較快。同樣采用應力應變研究中的數據,用歇后90d左右、歇后135d左右的砂性土側阻力與歇后45d左右的砂性土側阻力相對比,得到樁側砂性土側阻力的歇后恢復系數見下表3。

表3 樁側砂性土側阻力的歇后恢復系數

綜合表2、表3中的數據,各土層歇后恢復系數平均值如下表4。

綜合以上數據可以得出以下結論:

a)砂性土層土側阻力歇后恢復呈減小趨勢,90d左右已基本穩(wěn)定,砂顆粒越大,孔隙比越大,減小的比例越大,中粗砂土側阻力減小至歇后恢復45d時的80%左右,礫砂土側阻力減小至歇后恢復45d時的40%左右;

表4 各土層歇后恢復系數

b)粘性土層側阻力歇后恢復呈增大趨勢,相對于歇后恢復45d時的承載力有15%～30%左右的增加,但該過程時間較長;

c)介于以上兩種之間的土,土側阻力歇后恢復性能是這兩種土歇后恢復性能的綜合。如礫質粘性土,土側阻力的變化90d左右已基本穩(wěn)定,該時的土側阻力較歇后恢復45d時的略有減小。

2.3.2 樁端土阻力

靜壓樁的施工,施工壓力主要作用于樁尖,使樁尖土體不斷壓密,并產生沖剪破壞,將樁壓入土中。靜壓樁由于入土性能較差,一般承載力以摩擦力為主,樁端阻力相對較小。

在靜壓樁的應力應變研究中可以看出,樁端阻力在樁破壞前及破壞的那一級加載中是不穩(wěn)定的,變化也很大,不同樁、不同的加載分級、不同的加載速度對樁端阻力的影響也很大,因此,對樁端阻力的準確研究較為困難。

本課題對樁端阻力的研究以定性為主,主要研究靜壓樁的施工控制。

樁端阻力的歇后恢復性能,靜壓樁施工時的樁端阻力與正常使用時的樁端阻力主要影響因素大不相同。

(1)對于粘性土

由于樁下沉速度較快,土體壓密過程來不及排水,產生超孔隙水壓力,盡管孔隙水壓力減少了樁底的有效壓力,但超孔隙水壓力破壞了土體結構,降低了土體抗剪強度,在樁端形成塑性區(qū),因此,靜壓樁在粘性土中施工時的樁端阻力較小,施工貫入度較大。

粘性土抗剪強度較砂性土低,破壞后恢復時間較長,且恢復后的抗剪強度仍會較破壞前低。

(2)對于砂土

樁底壓密過程中,由于顆粒較大,孔隙比較大、透水性較強,在樁施工時不會形成重塑區(qū),也不產生超孔隙水壓力,砂土的壓密,大大提高砂土的抗剪強度,使樁端部底面壓力驟升。在有砂土層的地質情況下施工的靜壓樁可以看出,靜壓樁施工進入砂土層和穿過砂土層時,施工壓力都可以看到明顯的變化。穿過砂土層進入粘性土層后,施工壓力又驟降,基本回到進入砂土層前時的施工壓力。

而在正常使用時,樁端擠密的砂土層顆粒結構重組,該重組速度較快,特別是顆?？紫侗容^大的,重組速度更快,一般1h左右就有明顯變化。所以靜壓樁施工進入砂土層時施工壓力聚升,當砂土層較厚、較密時甚至無法壓入、穿過。但是,停一停后又可繼續(xù)壓入,和繼續(xù)難以壓入,如此反復。

當遇到硬夾層時、或砂土層雖不厚,但樁徑較大,施工壓力較小時也會發(fā)生類似情況,不同的是:反復幾次施壓穿過后,一般會有較大的壓入量。

礫質粘性土、全風化土(標貫擊數大于30擊的礫質粘性土)可看成是粘性土、砂性土的混合體來分析。綜合粘性土、砂性土的情況可知,礫質粘性土、全風化土的樁端阻力歇后性能是一個減弱的過程。

采用應力應變研究中的數據,用歇后90d左右、歇后135d左右的礫質粘性土、全風化土的樁端阻力與歇后45d左右的樁端阻力相對比,得到礫質粘性土、全風化土樁端阻力的歇后恢復系數見下表5。

表5 樁端阻力的歇后恢復

表中數據5#樁歇后93d的樁端阻力只有歇后45d樁端阻力的23%,分析可能是第一次靜載檢測沉降較大,對樁端持力層的擾動較大造成的。剔除此數據可以看出:

①礫質粘性土、全風化土的樁端阻力隨時間的推移存在下降趨勢;

②歇后135d左右的樁端阻力是歇后45d左右的樁端阻力的50%左右。

2.3.3 樁施工擠土問題對樁樁端阻力的影響

預應力管樁的施工產生擠土作用,使樁周土體擠壓、密實度提高。當樁布置較密、樁徑較大時,在預應力管樁的施工現(xiàn)場,我們可以看到后施工的樁一般比先施工的樁難以壓入土體;施工后的地面明顯隆起等現(xiàn)象。在個別工程基樁檢測不合格時,由于這些現(xiàn)象的存在,往往把檢測不合格的原因歸咎于樁施工的擠土作用,使樁上浮,從而降低了樁承載力。

3 研究成果

3.1 歇后恢復性能

3.1.1 對于側摩阻力的歇后恢復性能,得出了以下結論:

(1)砂性土側摩阻力歇后恢復呈減小趨勢;90d左右已基本穩(wěn)定,顆粒越較大,孔隙比越大,減小的比例越大,中粗砂土側摩阻力減小至歇后恢復45d時的80%左右,礫砂土側摩阻力減小至歇后恢復45d時的40%左右。

(2)粘性土側摩阻力歇后恢復呈增大趨勢,相對于歇后恢復45d時的承載力有15%～30%左右的增加,但該過程時間較長。

(3)介入以上兩種之間的土,土側摩阻力歇后恢復性能是上述兩種土歇后恢復性能的綜合。如礫質粘性土,土側摩阻力的變化90d左右已基本穩(wěn)定,該時的土側摩阻力較歇后恢復45d時的略有減小。

3.1.2 對于樁端阻力的歇后恢復性能,得出以下結論:

(1)礫質粘性土、全風化土的樁端阻力隨時間的推移存在下降趨勢;

(2)歇后135d左右的樁端阻力是歇后45d左右的樁端阻力的50%左右。

3.2 設計土層極限承載力的選取

(1)提出了砂質粘性土的極限側阻力計算公式y(tǒng) =13.36x-60.8(x≥8m),建議砂質粘性土的極限側阻力按70kPa取值,從10m開始計,埋深增加1m,極限側阻力增加13kPa。

(2)提出了礫質粘性土的極限側阻力取值范圍為80～140kPa,建議深度15m時按100kPa取值。通過應力應變檢測,還獲得了下列數據提供參考。

①人工填土的極限側阻力為0kPa;

②淤泥質土的極限側阻力為40kPa;

③中粗砂的極限側阻力為72～75kPa;

④粘性土中砂的極限側阻力為126～147kPa;

⑤礫砂的極限側阻力為71～78kPa;

⑥礫質粘性土的極限側阻力為156～195kPa;

⑦礫質粘性土的極限端阻力為891～1596kPa;

⑧全風化的極限端阻力為1251kPa;

⑨強風化極限端阻力為10739kPa。

3.3 預應力管樁的設計、施工控制中應注意的問題

(1)采用靜壓法施工時,如遇到對承載力不利因素時應提高施工終止壓力,同地,必須使根據施工情況、地質情況及有關規(guī)范(或經驗)計算得的樁承載力基本達到設計承載力要求;

(2)避免采用短樁;

(3)避免用砂層或硬夾層作樁端持力層;

(4)當砂層或硬夾層的下臥層較弱,穿透時應避免大壓力施工;

(5)注意砂層側摩阻力減弱問題。

3.4 預應力混凝土管樁的質量驗收檢測的建議要求

(1)地基基礎設計等級為甲級的樁基工程和地質情況復雜的乙級樁基工程,應采取施工前試樁檢測——施工過程監(jiān)測——驗收檢測三個環(huán)節(jié)對質量進行綜合檢測。施工前試樁采用高應變(PDA)監(jiān)控+靜載的方法進行,試樁數量:高應變(PDA)監(jiān)控不少于總樁數的1%,靜載試驗根據高應變(PDA)監(jiān)控情況選不少于3根。施工過程中應選取一定數量樁進行樁頂位移監(jiān)測。驗收檢測可采用PDA高應變檢測(檢測比例5%)與PIT低應變檢測(檢測比例20%)相結合也可根據工程施工情況選取一定數量的樁做靜載試驗。

(2)一般場地的乙級樁基工程和丙級樁基工程,樁身完整性檢測可不做。承載力檢測,錘擊法施工的可采用高應變法檢測,靜壓法施工的樁若承載力存在疑問的(如樁短、持力層不穩(wěn)定等)應做靜載試驗。

(3)對所有樁身質量有懷疑的樁及周邊可能影響到的樁勻應做PIT低應變檢測。

3.5 質量問題處理方面存在的問題及其建議

驗證檢測與擴大檢測的目的就是為了找準樁產生質量問題的原因。在找準樁產生質量問題的原因,確保有質量問題的樁無遺漏的情況下,驗證檢測與擴大檢測的數量應盡可能減少。

(1)應先分析產生質量問題的可能原因,用驗證檢測與擴大檢測來進行證明,并確定有質量問題樁的范圍。

(2)應引入區(qū)域批量檢測概念,局部的問題局部評判、局部擴大檢測。

(3)擴大檢測的檢測方法應根據產生質量問題的原因有針對性地選取。

并對樁身完整性三類樁問題的處理提出了建議,建議一定要驗證。驗證采用PDA高應變檢測或開挖檢測,PDA高應變檢測可采用小捶,用挖土機就可以完成重捶沖擊樁頂工作,可不提供承載力,但可以確認是否存在缺陷。如果無法確認,應從嚴處理。

[1] JGJ94-2008建筑樁基技術規(guī)范[S].

[2] 徐至鈞,李智宇.預應力混凝土管樁基礎設計與施工[M].機械工業(yè)出版社,2005.

[3] 徐至鈞,李智宇.預應力高強度混凝土管樁設計、試驗與應用[J].建筑結構,2005,10.

[4] 徐至鈞,李智宇.預應力混凝土管樁基礎設計與工程應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

20010-01-08

陳煥文(1964-),男,湖南岳陽人,工程師,主要從事建筑設計及施工管理工作。

TU

A

1003-6490(2010)01-0055-05