預應力管樁處理軟弱土單樁承載特性現場試驗

劉兆鵬 張繼平 張印濤

【摘要】成都天府機場軟弱土厚度分布不均，填方高度不一，飛行區局部原碎石樁＋塑料排水板處理區沉降收斂緩慢。為評價預應力管樁對沉降緩慢區軟弱土處理的適用性、確定地基處理方案，開展了預應力管樁單樁承載特性現場試驗。試驗結果表明，預應力管樁單樁豎向承載力較高、樁身完整性好、質量可控，適用于原碎石樁＋塑料排水板處理區軟弱土的加固處理。同時，現場試驗為后續正式工程確定預應力管樁施工工藝和參數，制定單樁豎向承載力檢測標準等提供了依據。

【關鍵詞】軟弱土;預應力管樁;單樁承載力;現場試驗

【中圖分類號】 TU473.1＋1????????? 【文獻標志碼】 A

預應力管樁（以下簡稱"管樁"）根據樁身混凝土強度等級和主筋配筋形式可分為預應力高強混凝土管樁（簡稱 PHC 管樁）、混合配筋管樁（簡稱 PRC管樁）和預應力混凝土管樁（簡稱 PC管樁）[1]。管樁地基具有沉降變形小、質量易控制、施工速度快等優點，在工業與民用建筑、公路等領域已廣泛應用[2]。

針對軟弱地基管樁單樁的承載特性和施工工藝亦有較多的研究。劉文慶[3]對 PHC管樁處理后的高速公路軟弱地基進行了沉降計算，驗證了其滿足規范要求;李文勇等[4]采用數學模型對安慈高速軟土地基管樁單樁極限承載力進行了預測，并與靜載試驗結果進行了對比;張聰[5]通過理論分析和數值模擬，結合現場載荷試驗，對超長 PHC管樁的豎向荷載傳遞規律進行了研究;謝澤華等[6]對管樁加固沿海高速公路軟土地基進行了設計計算，并結合數值模擬和現場載荷試驗，驗證了管樁加固軟土的有效性;宋文濤[7]針對管樁處理某高速公路軟土路基的研究表明，管樁在施工中會出現樁身開裂、棱角掉落、樁位偏斜等質量問題，施工前需提出防治措施，確保管樁的施工質量。

上述關于管樁的研究，均是針對特定區域的軟土進行的，因不同地區軟土性質、施工環境等均存在差異，特別是將管樁作為復合地基處理軟弱土，在機場道面區中的應用較少[8]，缺乏可參考的經驗資料。在進行大面積地基處理前，需通過現場試驗判斷其適用性，驗證設計參數，確定檢測指標等。本文通過現場試驗，評價管樁處理軟弱土的適用性，并為后續正式工程確定管樁施工工藝和參數，制定單樁豎向承載力檢測標準等提供依據。

1工程背景

成都天府機場本期飛行區工程包括新建西一、東一、北一跑道及相應的滑行道及站坪。工程場區屬淺丘寬谷地貌，場地高程大部分在420～470 m之間。場區內沖溝發育，沖溝面積占場區總面積的26.5%，沖溝內分布厚薄不均的軟弱土，軟弱土最厚達14.4 m，是沉降的主要地層。同時，填方區填方高度變化較大，下伏軟弱土容易產生不均勻沉降。

為減少工后沉降和工后差異沉降，飛行區道面影響區大面積采用以排水固結為主的碎石樁＋塑料排水板地基處理，在充分利用填方荷載預壓的同時，還進行了堆載預壓處理，以加速地基施工期沉降。因部分碎石樁＋塑料排水板處理區受場地條件影響，堆載預壓受限，施工期監測資料顯示，上述區域沉降收斂緩慢，為保證工程質量和工程進度，需提前確定地基處理加固方案。因此，開展了管樁處理軟弱土單樁承載特性現場試驗。

2試驗方案

2.1試驗位置及概況

現場試驗位于擬建道肩區，尺寸為25 m×25 m，原設計采用碎石樁＋塑料排水板進行地基處理，填方高度9.8 m，堆載高度5.5 m。地基處理及土石方填筑前，該區域典型鉆孔揭露地層情況如下所述。

第①2層素填土：層底高程429.91 m，層厚0.6 m， 主要由黏土組成。第④1層粉質黏土：層底高程420.71 m，層厚9.2 m，軟塑。第⑧2層強風化泥質砂巖：層底高程417.31 m， 層厚3.4 m， 屬極軟巖。第⑨3層中等風化砂巖：層底高程414.01 m（勘察孔底底），層厚3.3 m，強度高。其中，軟弱土層為④1層軟塑狀粉質黏土，其主要物理力學性質見表1。

2 .2試驗設計方案

現場試驗用管樁為 PHC400AB95型預應力管樁，樁間距1.8 m，正三邊形布置，樁端進入強風化巖層不小于1 m。樁頂設置樁帽，采用 C25水泥混凝土現澆，樁帽尺寸1.0 m ×1.0 m，厚度0.4 m。

成樁后通過樁身低應變試驗判別樁身完整性，并對同一根樁進行單樁豎向抗壓靜載試驗測試其單樁豎向承載力。

3現場施工及測試

3.1現場試驗施工

根據現場實際情況和規范要求，初定管樁現場試驗主要施工工藝：

（1）樁頂高程（基底開挖高程）。為避免預制樁施工對后續管線帶來不利影響，綜合地勢設計標高、管線底標高及樁帽高度，確定現場試驗樁頂標高為435.0m。

（2）成樁工藝。采用錘擊法，收錘標準采用貫人度控制為主，樁長控制為輔，最后3振（每振10擊）每陣的貫人度不大于20 mm/10擊。

（3）接樁。采用E4303型焊條分2層焊接，焊后自然冷卻不少于8 min。

（4）截樁。采用鋸樁器將截樁線以上的樁體裁截。為驗證施工工藝參數的可行性和施工機械的場地適應性，先選取1#、14*2個樁位開展了試樁。試樁完成后，1"樁總錘擊數為543擊，人土深度15.5 m（樁端高程419.5 m），最后1m錘擊數163擊，最后3振（每振10擊）貫人度分別為20 mm、19 mm、18 mm。14* 樁總錘擊數為522擊，人土深度15.8 m（樁端高程419.2 m），最后1 m錘擊數178擊，最后3振（每振10擊）貫人度分別為20 mm、20 mm、19 mm。

臨近勘察鉆孔（編號XK3159 ，見第1.1節所述）顯示，試樁位置420.71 m高程處為強風化泥質砂巖，417.31 m高程處為中等風化砂巖。按照成樁后的樁端高程、詳勘鉆孔資料，1#、14 *樁端分別進入強風化泥質砂巖1.21 m.1.51 m。由此可見，按照以上試樁工藝進行試驗，采用錘擊法成樁工藝，以最后3振每振貫人度不小于20mm作為成樁控制參數，施工后樁長能夠達到設計要求。

隨后，現場試驗按照試樁驗證后的管樁成樁工藝及參數開展了正式施工，為保證成樁質量，施工時加設了樁尖。管樁日均施工10根，施工完成后，實際樁長為12.8～16.8 m。

3.2原位測試

管樁施工完成約1個月后，選取代表性的8根樁，進行單樁豎向抗壓靜載試驗（以下簡稱“靜載試驗"，并分別在靜載試驗前后對同一根樁進行樁身低應變試驗。

3.2.1靜載試驗

3.2.1.1試驗方法

按照JGJ106-2014《建筑基樁檢測技術規范》[9]進行靜載試驗，主要步驟：①清理場地及樁頭，儀器就位;②分級施加荷載，第--級荷載為600kN，隨后每級荷載增加300～3000 kN，共9級;③每級加載后，按第5 min、15 min、30min、

45min.60min測讀樁頂沉降量，以后每隔30min測讀一次，樁頂沉降量穩定后再施加下一級荷載;④當荷載-沉降（Q-s）曲線上有可判定極限承載力的陡降段且樁頂總沉降量超過40 mm，或第n+1級荷載下的沉降與第n級荷載下的沉降之比不小于2且經24 h尚未達到穩定時，終止加載;⑤分級卸載并測讀沉降量。

3.2.1.2試驗結果

繪制Q-s曲線，見圖1。由圖1可見，Q -s曲線無明顯陡變段，呈緩變形，取沉降量為40mm時對應的荷載值為單樁豎向極限承載力。將單樁豎向極限承載力除以安全系數2，即可得到單樁豎向承載力特征值。單樁豎向極限承載力及單樁豎向承載力特征值見表2。

由表2可見，單樁豎向極限承載力為2 400～2 813 kN，平均值為2 594.5 kN，標準差為133.3 kN;單樁豎向承載力特征值為1 200～1 407 kN，平均值為1 297.5 kN，標準差為66.7 kN。

3.2.2樁身低應變測試結果

按照JGJ 106 - 2014《建筑基樁檢測技術規范》[9]采用基樁動測儀進行低應變試驗，以測試樁身完整性，并判定樁身缺陷程度及位置。靜載試驗前、后樁身低應變測試結果見表3。

由表3可見，靜載試驗前后樁身完整性類別均為1-II類，除111"樁靜載試驗前其完整性類別為I類，靜載試驗后其完整性類別為II類外，其他樁靜載試驗前后樁身完整性類別未發生變化。II 類樁樁身缺陷位置在2.99 ～4.63 m之間，靜載試驗后缺陷位置較靜載試驗前位置偏上。

4討論

4.1施工工藝討論

現場試驗所用管樁屬于高強度剛性樁，管樁為工廠化預制，樁端穿透填筑體及軟弱土層進入持力層，達到加固軟弱土的目的。根據現場施工情況和記錄，對管樁施工分析：

（1）當土石方填筑高度較大且填筑體內存在堅硬巖石料的情況下，會出現管樁沉樁慢，施工困難的情況，在大面積施工時，可增設樁尖，必要時輔以引孔措施，以提高沉樁能力，加快施工速度。

（2）錘擊法沉樁工藝不可避免產生振動，處理區周圍存在需要保護的既有設施時，需考慮一定的安全距離，或改用靜壓法沉樁工藝進行施工。

（3）管樁日均施工10根，施工速度快，工期可控。

4.2原位測試結果討論

4.2.1單樁豎向承載力

由靜載試驗結果可見，單樁豎向承載力特征值均達到1200 kN以上。同時，Q-s曲線呈緩變形，在最大試驗荷載3000 kN情況下，樁身及地基土破壞特征不明顯，取樁頂沉降量為40 mm對應的荷載作為單樁豎向極限承載力亦偏于安全[10]。

4.2.2樁身完整性

由低應變試驗結果可見，靜載試驗前后樁身完整性類別均為 I-I類，符合規范要求，靜載試驗基本未對樁身產生破壞性影響，管樁質量可控。除111#樁外，其他樁靜載試驗前后樁身完整性類別未發生變化。111#樁靜載試驗前其完整性類別為 I類，靜載試驗后為 I類，在所有測試樁中，該樁單樁豎向承載力最大，而樁長稍短，可能的原因為：本工程填筑體為土石混合料，局部存在一定的不均勻性，該樁處的填筑體中巖石料占比較其他區域大且可能存在粒徑較大的填料，導致其單樁豎向承載力較大。同時，靜載試驗后該樁缺陷位置距樁頂2.99 m，位于填筑體內，靜載試驗過程中樁身與填筑體發生相對位移，填筑體內粒徑較大填料造成了樁身缺陷。對于 I類樁，靜載試驗后缺陷位置較靜載試驗前位置偏上，原因是在荷載作用下樁身缺陷發展變大。

綜上所述，本試驗管樁承載能力較高，質量可控，適用于加固原碎石樁+塑料排水板處理區域的軟弱土。后續正式工程應用時，可根據荷載情況和規范要求對預制樁布樁方式進行適當調整，如可由間距1.8 m的正三角形布置調整為間距1.8 m 的正方形布置。此外，考慮到場區條件復雜，在滿足地基沉降等工程要求的條件下[11]，單樁豎向承載力特征值檢測要求可取900 kN。

5結論

本文通過管樁現場試驗，對管樁加固原碎石樁+塑料排水板處理區軟弱土的適用性和單樁承載特性進行了評價，并確定了管樁施工工藝、提供了制定單樁豎向承載力檢測標準的依據。得到主要結論和建議：

（1）管樁單樁承載能力較高，樁身完整性好，質量可控，施工速度較快，適用于原碎石樁+塑料排水板處理區軟弱土的加固處理。

（2）正式工程應用時，可適當優化管樁布置形式，由正三角形調整至正方形;單樁豎向承載力特征值檢測要求可取900 kN。

（3）管樁施工采用錘擊法沉樁工藝，收錘標準宜以貫人度控制為主，樁長控制為輔，最后3振（每振10擊）每振的貫人度不大于20 mm/10擊。

（4）大面積施工時，可通過采取設置樁尖、引孔等措施以確保預制樁施工符合設計要求。

參考文獻

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