超長PHC樁沉樁的可行性研究

胡 鈞，張建龍，高倚山，孫亞哲，黃文君

(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院，上海 200063)

1 概述

近年來, 在軟土地區(qū), 隨著中、高層建筑及大跨度橋梁的大規(guī)模建設(shè), 超長PHC樁以其具有較高單樁承載力的優(yōu)點在工程上應(yīng)用數(shù)量急劇增多。由于超長PHC樁有效樁長較長，沉樁過程中穿越土層較厚，一般需要較大的錘擊能量及較高的錘擊數(shù)，容易引起樁頭、樁身疲勞破壞，無法沉樁至設(shè)計標高等問題；且沉樁過程中穿越軟硬交替土層較多，當穿越硬軟土層時，容易形成較強的拉應(yīng)力波從而導(dǎo)致樁身開裂。為此，筆者開展了超長樁工況下的一系列可打性數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場試驗研究，以期得出超長PHC樁沉樁時更加合理的技術(shù)參數(shù)與打設(shè)措施。

2 研究方法

2.1 打樁波動方程分析程序

對于超長PHC樁，可以利用打樁波動方程模擬計算特定地質(zhì)條件下的打樁全過程，得到樁身動應(yīng)力變化、承載力情況及錘擊數(shù)等豐富信息，可以幫助設(shè)計人員確定樁基類型、承載力及打樁系統(tǒng)，以及提前進行沉樁可行性的分析評價。目前世界上首選打樁波動方程分析程序就是GRLWEAP，它可模擬沖擊或振動打樁機在打入過程中樁的運動及受力情況。對于給定的樁錘系統(tǒng)，可依據(jù)實測的錘擊數(shù)計算打樁阻力、樁身動力應(yīng)力變化及預(yù)估承載力；可利用貫入度替代錘擊數(shù)進行振動打入樁分析；對于已知土質(zhì)情況及承載力要求，可幫助選擇合適的錘和打樁系統(tǒng)；可打性分析可確定打樁過程中樁身應(yīng)力是否超限或拒錘不能打入預(yù)期深度；另外還可估計總打入時間。

2.2 高應(yīng)變檢測試驗

高應(yīng)變檢測試驗技術(shù)是從打入式預(yù)制樁發(fā)展起來的，試打樁和打樁監(jiān)控屬于其特有的功能，高應(yīng)變法不僅能夠檢測工程樁的樁身完整性,也能夠測試單樁豎向抗壓承載力,還能對打樁過程進行監(jiān)控。它能監(jiān)測預(yù)制樁打入時的樁身應(yīng)力(拉、壓應(yīng)力)、錘擊系統(tǒng)的能量傳遞率、樁身完整性變化,進而控制打樁過程中的樁身應(yīng)力和減少打樁破損率，為合理選擇沉樁設(shè)備、樁型、確定合理的沉樁工藝參數(shù)、樁端持力層以及停錘標準提供依據(jù),進而進行沉樁可行性分析評價。因此，在試樁和工程樁階段采用高應(yīng)變動測來檢驗沉樁可行性，可以確定優(yōu)化打樁工藝，合理的樁基設(shè)計，以及良好的工程樁檢驗效果。

3 工程概況

某公司擬在崇明島建設(shè)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組作為支撐電源，本工程是老廠機組改造，易地新建電源點的工程項目。由于電廠機組設(shè)備的上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備荷重較大，對地基土的強度和變形要求均較高，根據(jù)可研階段的巖土工程勘察資料，重要建構(gòu)筑物需采用樁基才能滿足工程要求，為了選擇合適的樁型、樁長，須進行試樁。廠區(qū)場地勘察深度范圍內(nèi)的地基土劃分為10層，具體物理性質(zhì)指標見表1。

表1 工程場地地基土物理性質(zhì)指標

本工程場地開闊，周圍建構(gòu)筑物較少，從擬建場地土層分布和工程地質(zhì)性質(zhì)來看，可選擇沉樁速度快的樁型為主，建議采用PHC樁。根據(jù)表1的可研勘察成果分析，擬建電廠工程場地內(nèi)的⑤2、⑨1土層分布較為穩(wěn)定。

⑤2灰色粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土互層：層頂標高－29.40～－31.11 m，平均厚度7.40 m，靜力觸探錐尖阻力平均值為2.07 MPa，壓縮模量Esp0～p0+0.2為9.00 MPa，可以考慮作為一般建構(gòu)筑物的樁基持力層，且樁端盡可能進入該層中下部，但其下臥⑧1粉質(zhì)粘土為軟可塑土，可作為沉降要求不高的輔助建筑物樁基持力層，不能作為主要建筑物和荷重較大的附屬建筑物的樁基持力層。

⑨1青灰色粉細砂：層頂標高－51.98～－61.59 m，分布穩(wěn)定，靜力觸探錐尖阻力平均值為10.50 MPa，壓縮模量Esp0～p0+0.2為37.00 MPa，且其下伏沒有軟弱夾層，可以作為主廠房、余熱鍋爐煙囪、GIS等重要建構(gòu)筑物的樁基持力層。但⑨1土層其深度超過60 m，屬于超長樁工況，容易引起樁頭、樁身疲勞破壞，無法沉樁至設(shè)計標高等問題，本文據(jù)此展開研究，為工程選擇合適的樁型和施工工藝提供可行方案。

4 GRLWEAP計算結(jié)果及分析

根據(jù)沉樁場地的基本物理性質(zhì)，利用GRLWEAP軟件對超長PHC樁打樁全過程進行模擬，樁型采用PHC 600 AB 110-62，入土深度為61.4 m，采用D80單動筒式柴油錘沉樁。沉樁可行性計算結(jié)果見圖1，GRLWEAP承載力圖計算結(jié)果見圖2。

由GRLWEAP沉樁可行性計算結(jié)果可知，PHC 600 AB 110-62樁型計算初打土阻力為2792 kN，終錘貫入度為12.2 mm/擊，總錘擊數(shù)為1586擊，均在比較理想的范圍內(nèi)；輸入樁身能量一般為40～70 kJ，沉樁過程中樁身最大壓應(yīng)力一般為14～29 MPa左右，最大可達35 MPa；樁身最大拉應(yīng)力一般為1～3 MPa左右，均在PHC樁允許范圍內(nèi)，由此可以判斷，該樁型沉樁過程中，樁身應(yīng)力在PHC樁允許范圍內(nèi)，總錘擊數(shù)適中，進入持力層后貫入度適中，最終可以順利沉至設(shè)計標高。

圖1 GRLWEAP沉樁可行性計算結(jié)果

圖2 GRLWEAP承載力圖計算結(jié)果

由GRLWEAP承載力圖計算結(jié)果可知，隨著初打土阻力的增大，每米錘擊數(shù)亦相應(yīng)增大，貫入度減小，當初打土阻力超過4500 kN時，每米錘擊數(shù)高達460.5擊/m，貫入度接近2 mm/擊，此時繼續(xù)沉樁較為困難，可能出現(xiàn)拒錘情況，如持續(xù)打樁，可能引起樁頭破損、樁身斷裂等問題。故當初打土阻力超過4500 kN時，應(yīng)考慮更換錘重更大的樁錘，與此同時，應(yīng)重新計算樁身最大壓應(yīng)力及最大拉應(yīng)力。

5 高應(yīng)變檢測試驗結(jié)果及分析

對超長PHC樁進行高應(yīng)變跟蹤檢測，采用錘擊法進行沉樁，本次試樁采用的樁機為SP110履帶式打樁機、40 t履帶吊車。采用DELMAG62和DELMAG80錘沉樁，樁墊為紙墊，油門掛檔基本控制在一檔，樁的焊接采用NEC400 CO2 保護焊機，焊條型號E5003，共打設(shè)3根型號為PHC 600 AB 110-62的超長PHC試樁。

超長PHC樁每米平均錘擊數(shù)與貫入深度關(guān)系見圖3，實測錘擊數(shù)996～1305擊，平均1130.0擊；實測錘擊數(shù)10～14 mm/擊，平均11.7 mm/擊；實測初打土阻力2830～3030 kN，平均2950 kN，GRLWEAP計算結(jié)果為，計算錘擊數(shù)1586擊，計算貫入度12.2 mm/擊，計算初打土阻力為2792 kN，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為接近。

選取T5、T6號樁的高應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析，高應(yīng)變檢測曲線見圖4、圖5。通過對2根試樁高應(yīng)變實測曲線以及樁身應(yīng)力分析可知，在沉樁過程中最大錘擊能量一般為50～65 kJ，樁身最大壓應(yīng)力一般在30 MPa之內(nèi)，最大拉應(yīng)力一般在3 MPa之內(nèi)，最大也僅有6 MPa左右，由GRLWEAP沉樁可行性計算結(jié)果可知，PHC 600 AB 110-62樁型沉樁過程中輸入樁身能量一般為40～70 kJ，沉樁過程中樁身最大壓應(yīng)力一般為14～29 MPa左右，最大可達36 MPa；樁身最大拉應(yīng)力一般為1～4 MPa左右，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為接近。

圖3 超長PHC樁每米平均錘擊數(shù)與貫入深度關(guān)系

根據(jù)多種方法綜合分析結(jié)果可知，PHC 600 AB 110-62樁型沉樁過程中，樁身應(yīng)力在PHC樁允許范圍內(nèi)，總錘擊數(shù)適中，進入持力層后貫入度適中，最終均可順利沉至設(shè)計標高，故只要合理選擇打樁系統(tǒng)、打樁工藝，超長PHC樁施工是完全可行的。

圖4 T5號樁高應(yīng)變動測實測曲線及應(yīng)力分析曲線

6 結(jié)論

通過對超長PHC管樁的GRLWEAP可打性數(shù)值分析和高應(yīng)變檢測現(xiàn)場試驗研究，主要得出以下幾點結(jié)論：

(1)在沉樁前采用GRLWEAP打樁波動方程分析程序進行沉樁可行性研究，在沉樁過程中采用高應(yīng)變進行跟蹤監(jiān)測的沉樁可行性綜合分析評價研究方法是非常必要且行之有效的，實踐證明兩種方法計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為接近。

(2)超長PHC樁沉樁在理論及實踐中都是可行的，沉樁過程中錘擊數(shù)、貫入度、最大錘擊力、最大錘擊能量均基本可以控制在合理的范圍內(nèi)，樁身最大壓應(yīng)力及最大壓應(yīng)力也基本可以控制在PHC樁容許范圍內(nèi)。

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