皖北地區(qū)靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

丁大勇 （中安華力建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

預(yù)制樁和灌注樁是樁基礎(chǔ)的兩大基本類型，預(yù)制樁具備生產(chǎn)成本低、配筋率條件小、節(jié)約鋼材、空心樁環(huán)保等特點(diǎn)，在地質(zhì)條件符合預(yù)制樁施工條件時(shí)，往往是設(shè)計(jì)單位的優(yōu)選方案。在預(yù)制樁施工中引入后注漿工藝，可以有效提高單樁承載力，減少預(yù)制樁用量，進(jìn)而節(jié)約樁基工程造價(jià)[1]。

但預(yù)制樁壓樁過程中壓樁力與單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系經(jīng)常會(huì)困擾部分設(shè)計(jì)人員和施工人員，本文結(jié)合皖北地區(qū)某實(shí)際工程對(duì)該問題做簡(jiǎn)要的分析和討論。

2 工程概況

本項(xiàng)目位于安徽省阜陽(yáng)市，總建筑面積117470m2，其中單層地下車庫(kù)建筑面積為15620 m2，地上包括住宅、酒店及附屬商業(yè)共10棟建筑單體。多層商業(yè)采用天然基礎(chǔ)，高層住宅及酒店采用樁筏基礎(chǔ)，地下車庫(kù)采用樁基抗浮設(shè)計(jì)。項(xiàng)目局部總平面圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目局部總平面圖

本項(xiàng)目場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，基本地震加速度為0.05g，地震設(shè)計(jì)分組為第一組，建筑抗震設(shè)計(jì)特征周期0.45s。當(dāng)?shù)匾坏莱鞘懈汕挥陧?xiàng)目西側(cè)，距離規(guī)劃用地紅線5m處，河道水位隨季節(jié)變化，冬春季節(jié)水位低，夏秋季節(jié)水位高，變化幅度在1m～3m。勘探期間屬于豐水期，水深平均4m，河堤比規(guī)劃小區(qū)路網(wǎng)標(biāo)高低0.5m左右。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本工程場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地。場(chǎng)地飽和粉土為第四紀(jì)晚更新世，判別為不液化土。場(chǎng)地土類型為中軟土，屬于抗震一般地段。

勘察報(bào)告給出場(chǎng)地土層分布如表1所示。

場(chǎng)地土層分布 表1

根據(jù)勘察報(bào)告并結(jié)合項(xiàng)目所在地區(qū)的習(xí)慣做法，本項(xiàng)目8棟單體主樓樁基采用靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC-500 AB 125，主樓承壓樁樁長(zhǎng)20m，持力層第⑤層粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂層，單樁豎向承載力特征值1300kN。

3 壓樁過程中的問題

工程樁施工前，在每棟建筑單體樁位以外分散試壓3根樁，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)各單樁的壓力數(shù)值具有明顯差異，表2～表4分別為1#～3#樓共9根試樁在壓樁過程中的壓力數(shù)值記錄。

由表1可見，1#樓壓樁力明顯小于2#樓、3#樓，2#樓與3#樓壓樁力基本相當(dāng)。但除去試樁4和試樁7的最大壓樁力滿足2倍單樁豎向承載力特征值2600kPa以外，其余試樁的最大壓樁力均不滿足要求。試樁2、試樁3的最大壓力甚至只有設(shè)計(jì)壓樁力的70%左右。過24h后進(jìn)行復(fù)壓，試樁1、試樁4、試樁7下沉深度在5mm以內(nèi)，其余試樁基本無下沉。因試樁結(jié)果有別于附近區(qū)域其他項(xiàng)目的樁基施工數(shù)據(jù)，經(jīng)各方討論，暫停對(duì)其他樓棟試樁的試驗(yàn)，并對(duì)已施工的9根試樁做靜載試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果再確定下一步的施工方案。另根據(jù)地勘報(bào)告1各樓棟下的土層分布均勻，無較大起伏，但已施工的9根試樁中，本項(xiàng)目場(chǎng)地西側(cè)的3根樁均出現(xiàn)壓樁力增加明顯的現(xiàn)象，故業(yè)主委托第三方對(duì)土層進(jìn)行補(bǔ)勘，查明原因。

4 靜載試驗(yàn)情況、壓樁標(biāo)準(zhǔn)及第三方補(bǔ)勘結(jié)果

9根試樁中，試樁2沉降最大，沉降量為19.8mm，試樁7的沉降最小，沉降量為8.4mm。根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析，試樁的樁周摩擦阻力和端承力發(fā)揮正常，與地質(zhì)參數(shù)及設(shè)計(jì)計(jì)算情況相吻合，樁身質(zhì)量良好，其單樁承載力特征值可以滿足設(shè)計(jì)要求的1300kN。為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，消除土層差異給施工方案帶來的不確定性，最后確定壓樁時(shí)以樁長(zhǎng)控制為主，壓樁力控制為輔，局部沉樁困難處可采取引孔措施。

1#樓預(yù)應(yīng)力管樁靜力壓樁施工過程壓力數(shù)值 表2

2#樓預(yù)應(yīng)力管樁靜力壓樁施工過程壓力數(shù)值 表3

3#樓預(yù)應(yīng)力管樁靜力壓樁施工過程壓力數(shù)值 表4

第三方補(bǔ)勘結(jié)果顯示，補(bǔ)勘數(shù)據(jù)與原地勘報(bào)告數(shù)據(jù)基本吻合。但因原地勘報(bào)告孔點(diǎn)設(shè)置數(shù)量的原因，對(duì)第⑤層粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂層的砂粒含量變化分析不夠深入，同為粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂層，但縱貫場(chǎng)地南北沿河道方向有一片自規(guī)劃用地紅線以東20m，并向西發(fā)展的砂粒含量逐漸增高的區(qū)域，而根據(jù)管樁在穿越砂類土層時(shí)會(huì)出現(xiàn)樁端阻力驟增現(xiàn)象的特性，也驗(yàn)證了場(chǎng)地西側(cè)出現(xiàn)的3根試樁壓樁力偏高的現(xiàn)象。

5 靜壓管樁承載狀態(tài)及受力機(jī)理分析

打入樁由于具有明顯的效果和較好的表現(xiàn)，在建筑、道路和海洋工程等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用，樁基快速恢復(fù)力是打入樁設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，由此確定樁基速度，確定直接結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。打入樁樁基初力設(shè)計(jì)方法主要分為以下兩部分：①結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形強(qiáng)度；②基于現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入的試驗(yàn)方法。其中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果和土體特性的樁基力評(píng)估方法較為準(zhǔn)確[2]。

5.1 壓樁力與樁極限承載力定義

粘土中靜壓樁的沉樁總阻力又稱壓樁力，由兩部分組成：樁尖向下穿越粘土層時(shí)直接沖擠樁端土體的端阻力、來自樁側(cè)的滑動(dòng)摩擦力。而且現(xiàn)行壓土體的端阻力；來自樁側(cè)的滑動(dòng)摩擦力。而且現(xiàn)行壓樁力估算公式都是采用端阻加側(cè)阻的計(jì)算模式[3]。樁的極限承載力是在樁周、樁端土體中的超孔隙水壓力消散，受擾動(dòng)的重塑土重新固結(jié)，強(qiáng)度恢復(fù)后，在豎向荷載作用下，樁不發(fā)生穩(wěn)定失穩(wěn)或樁頂沉降量不超過某一數(shù)值所對(duì)應(yīng)的承載力，是反映土體對(duì)樁支承能力的“靜止”阻力[4]。

5.2 樁基下沉?xí)r的阻力構(gòu)成

樁基施工過程中的沉樁阻力是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，且二者占沉樁阻力的比例并不是一個(gè)定值。當(dāng)樁的入土較深時(shí)，樁的側(cè)阻力所占的比例較大，當(dāng)樁的入土深度較淺時(shí)，樁的端阻力所占的比例則較大，并且當(dāng)樁尖處的土層較硬時(shí)，樁端阻力占沉樁阻力的比例也會(huì)明顯增大。

5.2.1 樁的側(cè)阻力

樁在壓力的作用下沉入土中時(shí)，樁身與周圍土體的摩擦力是滑動(dòng)摩擦力。摩擦力的大小和分布規(guī)律的影響因素很多，主要與土質(zhì)、土層排列、土層厚度、樁端進(jìn)入持力層深度、樁距等因素有關(guān)。當(dāng)樁在同一土層中下沉?xí)r，隨著樁的入土深度達(dá)到一定數(shù)值后，樁的側(cè)阻力將逐漸趨向常值，不再隨樁入土深度的增加而增大。另外在沉樁過程中各土層的土體作用于樁身的側(cè)阻力也并非均勻的，側(cè)阻力整體呈現(xiàn)出下大上小的形態(tài)。

5.2.2 樁的端阻力

靜壓樁的極限承載力中，不管樁端持力層是粘性土層、粉土層、砂土層還是風(fēng)化巖層，樁端所能提供的端承力約為終壓力的40%～55%，其余部分都要靠樁周土體抗剪強(qiáng)度的恢復(fù)來補(bǔ)充。通常靜壓樁的樁端阻力在樁破壞前及破壞的那一級(jí)加載中是不穩(wěn)定的，變化很大，不同樁、不同的加載分級(jí)、不同的加載速度對(duì)樁阻力的影響都很大。對(duì)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(chǎn)生超孔隙水壓力，盡管孔隙水壓力降低了樁底的有效壓力，但超孔隙水壓力破壞了土體結(jié)構(gòu)，降低了土體抗剪強(qiáng)度，在樁端形成塑性區(qū)。因此，靜壓樁在粘性土中施工時(shí)的樁端阻力較小，施工貫入度較大。而對(duì)于砂性土，由于孔隙比較大、透水性較強(qiáng)，在樁施工時(shí)不會(huì)形成超孔隙水壓力。同時(shí)由于土體受到樁端的擠密作用，其抗剪強(qiáng)度可以得到較大的提升，使得樁端土面壓力增加。

從本項(xiàng)目中的試樁1、試樁4、試樁7的施工過程可以看出，在進(jìn)入砂粒含量較高的土層時(shí)，樁機(jī)的壓力表都會(huì)出現(xiàn)明顯增加的情況，當(dāng)樁端穿過砂層進(jìn)入粘性土層后，壓力表讀數(shù)又會(huì)驟降，基本與進(jìn)入砂層之前的數(shù)值相當(dāng)，而當(dāng)再次遇到下層較厚或者較密砂層時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)無法穿過的情況。不過在靜待一段時(shí)間后又可繼續(xù)下壓，但下壓量不會(huì)太大，隨即又難以下壓。

5.3 樁的終壓力與單樁豎向極限承載力的關(guān)系

綜合本項(xiàng)目所有樁基施工過程中數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出樁端在粘土、砂土中終壓力與豎向極限承載力的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 樁端在粘土、砂土中終壓力與豎向極限承載力的關(guān)系

6 工程樁工完成后檢測(cè)情況

項(xiàng)目后續(xù)又對(duì)其余5棟樓進(jìn)行了試樁并做了相應(yīng)的靜載試驗(yàn)，壓樁過程及試驗(yàn)結(jié)果與之前的3棟樓情況基本相當(dāng)，此外在完成對(duì)本項(xiàng)目總共1986根工程樁的施工后，又總共進(jìn)行了24根樁的靜載試驗(yàn)，最大沉降量為18.1mm，最小沉降量為4.2mm，80%的樁沉降量集中在4mm～10mm范圍內(nèi)。樁身完整性檢測(cè)共進(jìn)行600根樁，Ⅰ類樁為97.5%，無Ⅲ、Ⅳ類樁。查閱文獻(xiàn)可知[5]，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

7 總結(jié)

皖北地區(qū)屬于淮北沖積平原地貌，地形較平緩，地勢(shì)開闊。土層分布較為均勻，地表下通常為50m以上的粉土、粘土或粉、細(xì)砂互層，當(dāng)采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁時(shí)，預(yù)制樁樁尖在穿越粘性土層時(shí)，終壓值會(huì)明顯小于單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)樁尖穿越砂性土層時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)壓力值驟增，終壓值大于單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的情況。因此，樁的終壓力并不能等同于單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，特別是樁側(cè)多以粘性土層為主，且樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的摩擦樁，在工程樁施工前一定要嚴(yán)格按照規(guī)范要求做好試樁，通過試樁的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定一個(gè)合理的樁長(zhǎng)，切不可采用壓力控制為主、樁長(zhǎng)為輔的施工思路。當(dāng)遇到砂性土層較難穿越時(shí)，要做好引孔措施。對(duì)于樁距較小的群樁基礎(chǔ)，為降低群樁的擠土效應(yīng)，也可采用引孔措施或者跳打法施工，這樣方能做到安全、合理、經(jīng)濟(jì)。