泥質(zhì)砂礫巖上預(yù)制樁試驗研究

郭 星 宇

(上海長凱巖土工程有限公司，上海 200070)

泥質(zhì)砂礫巖上預(yù)制樁試驗研究

郭 星 宇

(上海長凱巖土工程有限公司，上海 200070)

在泥質(zhì)砂礫巖場地提出預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和預(yù)制方樁兩種樁型的試樁方案，對沉樁施工過程和靜載荷試驗結(jié)果進行了分析，通過靜載荷試驗結(jié)果對樁基設(shè)計參數(shù)進行了修正，研究發(fā)現(xiàn)：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和預(yù)制方樁沉樁難度不大，相比之下預(yù)應(yīng)力混凝土管樁更可靠。

泥質(zhì)砂礫巖，預(yù)制樁，靜載荷試驗，單樁承載力極限值

0 引言

泥質(zhì)砂礫巖是一種極軟巖，泥質(zhì)膠結(jié)，具有膠結(jié)程度較弱，易風(fēng)化、遇水易軟化、易崩解等特性[1]。該地層樁基礎(chǔ)一般采用人工挖孔樁和鉆孔灌注樁。人工挖孔樁成孔作業(yè)條件差、施工安全和質(zhì)量風(fēng)險高[2]，巖層埋深超過一定深度禁止使用，荷載水平較低的建構(gòu)筑物經(jīng)濟性差。軟巖中鉆孔灌注樁施工工藝比較常用，其機械設(shè)備成熟，受地層影響較小，相關(guān)研究也比較多[3,4]。但泥質(zhì)砂礫巖具有遇水軟化特性，鉆孔灌注樁端阻力的發(fā)揮會受到很大影響，單位方量混凝土產(chǎn)生的豎向承載力較低，一般采用樁端后注漿方式解決沉渣及樁側(cè)泥皮問題[5]，但成本相對比較高。

泥質(zhì)砂礫巖地層中預(yù)制樁研究相對較少，該地層條件下樁型選擇、沉樁可行性、沉樁工藝、施工參數(shù)、單樁承載力確定等問題尚需進一步研究。

本文以一個典型泥質(zhì)砂礫巖場地為例，制定了試樁方案，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和預(yù)制方樁兩種樁型，對施工可行性、施工參數(shù)、靜載荷試驗結(jié)果進行了論述和相關(guān)分析，并對勘察報告中強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖對應(yīng)的樁基設(shè)計參數(shù)進行了修正。

1 工程地質(zhì)條件及試樁設(shè)計

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗工程場地原為粉煤灰堆場，地形起伏很大，勘察期間孔口標高在10.2 m～31.5 m之間，設(shè)計整平后場地標高為24.5 m，局部為挖方，大面積填方，最大填方厚度為15.6 m。勘察揭露的地層分布情況如下：

第①0層新近回填土。呈松散狀態(tài)，由卵礫石、砂粒及粘性土組成。卵石主要粒徑約3 cm～5 cm，最大粒徑約20 cm，卵礫石含量20%～50%，砂粒含20%～30%，粘性土含量約20%～60%，厚度0 m～15.6 m。新近回填土采用4 000 kN·m～8 000 kN·m能級強夯提前進行預(yù)處理。

第①1層粉煤灰，以砂質(zhì)粉土為主，土質(zhì)松散，厚度不均，局部分布，一般厚約3 m～4 m，最厚達7.8 m。

第①2層填土：以粘性土為主，含多量碎石、礫石，土質(zhì)松散不均勻，厚度0.2 m～7.3 m。

第②層粉質(zhì)粘土：為硬塑～可塑狀態(tài)，土性較好；該層局部分布，一般厚約2 m～3 m。

第③層殘積土：夾礫石、卵石，磨圓度較好，直徑約2 cm～5 cm，含量約20%～40%，土質(zhì)較為密實，厚度0.5 m～8.9 m。

第④1層強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖：巖芯呈碎塊狀，裂隙極發(fā)育，卵石含量約20%～40%，粒徑一般約3 cm～8 cm，該層巖體極破碎，巖石基本質(zhì)量等級屬Ⅴ級，堅硬程度為極軟巖，厚度0.4 m～14 m，動力觸探標準值18.66擊。

第④2層中風(fēng)化砂礫巖(K2)：塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)部分破壞，巖石堅硬程度屬于極軟巖，巖體完整程度為較破碎～較完整，巖體基本質(zhì)量等級屬于Ⅴ級。

勘察報告提供的預(yù)制樁設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 樁側(cè)極限摩阻力fs及樁端極限端阻力標準值fp

1.2 試樁設(shè)計

本場地地層起伏大、層厚不均，采用樁基區(qū)域，第④1層強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖層頂埋深9.7 m～22.5 m，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載分布情況進行了樁基設(shè)計選型分析，考慮到鉆孔灌注樁和人工挖孔樁成本高、泥質(zhì)砂礫巖軟化現(xiàn)象明顯導(dǎo)致巖層對樁端支撐力較低等不合理因素，采用預(yù)制樁方案。為了確定預(yù)制樁樁型、檢驗回填強夯地基和強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖作為樁端持力層的沉樁可行性、確定樁基承載力，先進行試樁。

本次共設(shè)計10根試樁，PHC 500 AB管樁5根(為提高管樁樁端貫入能力，樁端焊接0.6 m長H300×300型鋼)，對應(yīng)位置分別設(shè)置5根450×450預(yù)制方樁，設(shè)計樁端進入強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖2 m～4 m，試樁預(yù)定最大加載值4 200 kN。

2 試樁施工及分析

施工采用錘擊沉樁工藝，選用D80錘，根據(jù)現(xiàn)場施工記錄，10根試樁均完成了沉樁施工，首先說明該場地采用預(yù)制樁方案，沉樁可行性較好，后期設(shè)計可采用預(yù)制樁方案。具體表現(xiàn)為：經(jīng)過強夯處理后的泥質(zhì)砂礫巖回填場預(yù)制樁沉樁無難度；樁端能夠進入強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖一定深度，該層可作為預(yù)制樁樁端持力層。具體10根試樁施工參數(shù)見表2。

施工過程中發(fā)現(xiàn)，5根管樁施工比較正常，但除4-1號試樁外其余4根樁均出現(xiàn)樁頭破碎情況；5根方樁中3根施工比較正常，但1-2號和3-2號試樁在樁端進入持力層后貫入度出現(xiàn)先小后大的異常情況，2-2號試樁出現(xiàn)樁頭破碎情況。10根試樁總錘擊數(shù)在87擊～875擊之間，總錘擊數(shù)偏少。

表2 預(yù)制樁施工情況

上述施工情況可得出如下結(jié)論：

1)所有預(yù)制樁沉樁總錘擊數(shù)偏少，且4根管樁和1根方樁出現(xiàn)樁頭破碎情況，說明試樁施工選用的沉樁設(shè)備不合理，D80錘錘擊體重量過重，應(yīng)選用D62錘。

2)如按照圖集[7，8]規(guī)定的最后十擊貫入度3 cm～8 cm作為停錘標準，大部分試樁樁端進入持力層1 m～2 m即達到停錘標準，后期樁長可據(jù)此設(shè)計。

3)1-2和3-2兩根試樁樁端進入持力層深度分別達到4.5 m和9.7 m，樁端至持力層后貫入度呈現(xiàn)先減小后又增加現(xiàn)象，沉樁異常，預(yù)判樁身破壞。

4)2-1和2-2在試樁設(shè)計時參照同一勘探孔確定樁長，若根據(jù)勘察報告，進入持力層深度分別達到3.24 m和4.2 m，但通過對沉樁入土深度和相應(yīng)貫入度進行分析，樁端入土深度分別達到16 m和15 m后貫入度才逐漸增大，預(yù)判實際樁端進入持力層深度1.34 m和1.4 m，和上述第2)條分析吻合，另外說明場地內(nèi)強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖層頂埋深起伏較大，后期樁基設(shè)計中設(shè)計樁長應(yīng)以樁長和最后十擊貫入度雙控。

3 靜載荷試驗結(jié)果

3.1 靜載荷試驗結(jié)果

現(xiàn)場采用慢速維持荷載法進行單樁靜載荷試驗，具體荷載(Q)—沉降(s)曲線如圖1，圖2所示。

3.2 試驗結(jié)果分析

由上述試驗結(jié)果可知：

1)5根管樁樁頂加載至4 200 kN，樁頂沉降量在11.91 mm～20.34 mm，樁頂最終沉降量較小；5根方樁中3根加載至4 200 kN，樁頂沉降在11.80 mm～14.13 mm，另外兩根未加載至4 200 kN已達到極限值，其中1-2號樁單樁承載力極限值僅為2 000 kN，3-2號樁單樁承載力極限值3 800 kN。2)1-2號和3-2號樁施工過程中發(fā)現(xiàn)到持力層一定深度后出現(xiàn)貫入度增大情況，沉樁異常，施工過程中初步判斷，樁身損壞，靜載荷試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩根樁承載力偏低，和樁基施工情況相吻合。3)除上述兩根異常試樁外，其余試樁的靜載荷試驗Q—s曲線均呈緩變型，若按照規(guī)范[6]取樁頂沉降值40 mm作為單樁極限承載力，8根試樁單樁承載力極限值均超過4 200 kN，且仍有一定潛力。

4 樁基設(shè)計參數(shù)修正

4.1 單樁承載力實測值與計算值比較

以1-1試樁為例，樁長12.23 m，按照勘察報告計算的單樁承載力極限值如下：Quk=Qsk+Qpk=0.5×3.14×(60×7.8+70×1.9+2.5×180)+3.14×0.25×0.25×9 000=3 416 kN。靜載試驗未達加載終止條件，最大加載量已達到4 200 kN，可見，按照勘察報告計算參數(shù)計算的單樁承載力遠小于實際單樁承載力。

1-1樁樁長12.23 m，樁端持力層以上為填土和粉質(zhì)粘土，勘察報告提供的樁基設(shè)計參數(shù)相對合理，即使實際發(fā)揮的樁側(cè)摩阻力會有增長，但潛力不大。靜載荷試驗結(jié)果表明，除去樁身壓縮，試樁實際樁端沉降量不足10 mm，說明強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖可提供很高的側(cè)阻和端阻力。

4.2 樁基設(shè)計參數(shù)修正

單樁承載力計算值小于實測值，說明勘察報告中樁基設(shè)計參數(shù)偏低，特別是強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。以1-1樁進行反算，持力層上覆土層樁側(cè)摩阻力參數(shù)不變，建議持力層樁側(cè)摩阻力fs可取規(guī)范[6]上限，即240 kPa，端阻力fp取值超出規(guī)范[6]取值上限，可取12 000 kPa。按照建議值對1-1樁重新計算單樁承載力：Quk=Qsk+Qpk=0.5×3.14×(60×7.8+70×1.9+2.5×240)+3.14×0.25×0.25×12 000=4 240 kN，與實測結(jié)果接近。

靜載試驗達到終止試驗條件，上述建議的持力層樁基設(shè)計參數(shù)仍有一定余量，因此后期按照上述建議取值進行樁基設(shè)計是安全、可靠的。

5 結(jié)語

1)破碎泥質(zhì)砂礫巖回填場地經(jīng)強夯處理后預(yù)制樁沉樁難度不大，預(yù)制樁樁端可以進入強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖一定深度，樁型選擇合理，沉樁可行。

2)試樁施工發(fā)現(xiàn)，合理選擇沉樁設(shè)備至關(guān)重要，該場地PHC 500條件下管樁和450×450截面方樁選用D80錘，錘擊體質(zhì)量過重，容易導(dǎo)致樁頭或樁身破壞，影響沉樁質(zhì)量，應(yīng)選用D62錘。

3)5根PHC管樁除大部分樁頭破碎外沉樁均正常，單樁承載力都達到預(yù)定值；5根方樁中的兩根則在錘擊沉樁過程中導(dǎo)致樁身損壞，進而導(dǎo)致單樁承載力異常，相比之下，管樁穩(wěn)定性更好，但沉樁施工中需做好樁頭保護措施。

4)靜載荷試驗表明PHC 500管樁和截面450×450方樁樁端進入強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖1 m～2 m，一般可達到停錘標準，單樁極限承載力超過4 200 kN，對應(yīng)樁頂沉降均在20 mm以內(nèi)，單樁承載力仍有一定潛力。

5)靜載荷試驗結(jié)果得到的單樁極限承載力遠高于勘察報告樁基設(shè)計參數(shù)計算所得的單樁承載力，本文在勘察報告基礎(chǔ)上對強風(fēng)化泥質(zhì)砂礫巖樁側(cè)極限摩阻力和樁端極限端阻力進行了修正，建議fs可取規(guī)范上限240 kPa，fp取值超過規(guī)范，可取12 000 kPa。

[1] 彭柏興,王星華.白堊系泥質(zhì)粉砂巖巖基強度試驗研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(15):2678-2682.

[2] 蔣尊濤.淺談人工挖孔樁中安全與質(zhì)量的管理[A].2005全國礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會議文集(下冊)[C].2005：532-536.

[3] 丁翠紅，錢世楷.軟巖嵌巖樁承載性狀的研究探討[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,30(5):441-445.

[4] 韋立德.軟巖嵌巖樁承載有限元模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,31(2):119-123.

[5] 周 水,鄭俊杰.鉆孔后注漿灌注樁在強風(fēng)化巖層中的應(yīng)用[A].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第七次學(xué)術(shù)大會會議論文集[C].2002:824-826.

[6] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[7] 04G361，預(yù)制樁鋼筋混凝土方樁[S].

[8] 10G409，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[S].

Experimental study of precast piles on argillaceous glutenite

Guo Xingyu

(ShanghaiChangkaiGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200070,China)

The paper points out the test pile schemes for prestressed concrete pipe pile and precast square pile at argillaceous glutenite, analyzes the test results of the pile-sinking construction and static loading test, modifies the pile foundation design parameter according to the results of static loading tests, and finds that both of the two schemes are easy to operate and the prestressed concrete pipe pile is more reliable.

argillaceous glutenite, precast pile, static loading test, single pile loading ultimate value

2015-01-18

郭星宇(1980- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)09-0067-03

TU473.13

A