中掘法在管樁施工中的應用及靜載試驗分析★

楊振仲

(廈門城市職業學院,福建 廈門 361008)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的快速發展,預應力混凝土管樁(以下簡稱管樁)的應用領域不斷擴大,在房屋建筑、市政、道路、橋梁、水利、碼頭等工程中得到了廣泛應用。

管樁的沉樁施工方法多,根據設計要求、樁承載能力、樁基材料、樁基規格、周邊環境、地質條件及其他施工條件[1],我們可選擇錘擊法、靜壓法、中掘法和植入法等不同的沉樁施工方法。

2008年頒布的行業標準《建筑樁基技術規范》只列入了錘擊法和靜壓法,沒有中掘法。雖然錘擊法和靜壓法比較早用于管樁施工,但是這兩種方法都存在一定的弊端。錘擊法的擠土效應大,樁身易受損,對環境有振動、噪聲、油煙污染等問題,它在城市中的應用受到一定的限制。而采用靜壓法時,亦存在明顯的擠土效應,對周邊環境有不利的影響,且壓樁機比較重,要求場地預先處理,作業面具有較高的承載力。采用這兩類方法的管樁直徑較小,一般為300 mm～600 mm,承載力有限,且無法用于建(構)筑物或地下管線密集的區域。

中掘法起源于20世紀80年代的日本,經過多年的持續改進,技術上已經比較成熟。到20世紀末,日本近70%的管樁施工采用中掘法[2]。21世紀初,國內沈保漢[3]和侯寶隆[4]等介紹了中掘法。2012年,建華管樁集團(現為建華建材投資有限公司,簡稱建華建材集團)從日本引進了中掘擴底法施工裝備[5],并開始研究開發該工法。2017年,JGJ/T 406—2017預應力混凝土管樁技術標準列入了中掘法。

中掘法優點多,可以克服靜壓法和錘擊法的弊端,因此中掘法值得推廣。不過,作為較新的施工方法,很多人不了解中掘法,更不用說使用這種施工方法了。以下介紹中掘法在管樁施工中的應用,并根據靜載試驗結果,分析其抗壓承載能力。

1 適用范圍

中掘法適用于樁端持力層為一般黏性土層、粉土層、砂土層、碎石類土層、強風化基巖和軟質巖層的工程地質情況[6],特別適合直徑800 mm及以上的管樁施工。

當沉樁施工遇到下列情況時,宜采用中掘法或植入法沉樁,并應通過現場沉樁工藝試驗確定其適用性:

1)影響樁身質量、鄰近建(構)筑物、地下管線的正常使用和安全時。

2)當遇到碎(卵)石土、密實的砂土、堅硬黏性土等硬土夾層,樁端難以達到設計標高時。

3)當遇到孤石、漂石、堅硬巖、較硬巖層或障礙物較多且不易清除時。

2 施工工藝

2.1 基本原理

中掘法的基本原理是在管樁中空部插入專用鉆頭,一邊鉆孔取土,一邊將管樁沉入土(巖)中;為了提高樁端阻力,可采用樁端擴大頭加固方式、樁端加固方式及最終擊打方式;為了提高樁側摩阻力,可采取邊注漿邊鉆孔邊沉樁,由漿液填充樁身與樁周土體的空隙。

2.2 施工流程

中掘法沉樁的工法很多,比如中掘擴底法(NAKS工法)、中掘高壓噴射擴大頭加固法(STJ工法),以下介紹中掘擴底法的施工流程。

1)鉆土沉樁。當鉆頭進入持力層之前,從鉆頭中排出壓縮空氣,同時以小于樁外徑的鉆頭直徑鉆挖樁端土體,使管樁下沉。

2)開啟擴大翼。當鉆頭到達持力層附近時,啟用防自沉裝置,開啟液壓擴大翼進行鉆挖,通過數據化顯示確認擴大翼的開啟狀態。

3)修筑擴大球根。擴大翼鉆挖時,注入高壓水泥漿,通過擴大翼勻速攪拌,使水泥漿和持力層的砂礫充分拌合,修筑擴大球根后,開啟防自沉裝置,將管樁沉入擴大球根部的設計標高,使樁端和擴大球根融為一體。

4)提鉆定位。沉樁結束,啟動防自沉裝置后,閉合液壓擴大翼,隨后反向旋轉,且提起長螺旋,施工完畢。

2.3 優缺點

中掘法主要具有以下優缺點:

1)優點。a.擠土效應小。在沉樁過程中,在管樁中空部鉆孔取土,減輕了擠土影響和壓樁力。b.環保節能,施工現場噪聲低,振動小,無排漿污染,無粉塵,成樁后無需敲樁頭。c.可邊施工,邊看到施工數據,質量可控。d.可穿越碎(卵)石土、密實的砂土、堅硬黏性土等硬土夾層。e.管樁起到護筒作用,可在傾斜土層和易坍塌的土層中施工。

2)缺點。a.當施工大深度樁時,不僅需要連接管樁,而且需要接長螺旋鉆桿,施工比較麻煩。b.樁機比較大,場地狹窄難以施工。

3 靜載試驗

確定單樁豎向抗壓極限承載力(簡稱極限承載力)的方法有很多,根據《建筑樁基技術規范》,以單樁豎向抗壓靜載試驗(簡稱靜載試驗)為主要依據,進行綜合判定[7]。本試驗數據由建華建材集團提供。

3.1 工程概況

試驗場地位于江蘇省句容市建華建材集團所屬廠區內。場地上層為粉質黏土,下層為砂性土,場地土層主要由①素填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④粉土夾砂、⑤粉砂夾粉土、⑥粉細砂等組成,試樁以⑥層粉細砂作為樁端持力層。

各土層物理力學指標詳見表1。

表1 各土層物理力學指標

3.2 試驗概況

對5根試樁進行靜載試驗,試樁的樁型包括錘擊法管樁、中掘不擴底法管樁、中掘擴底法管樁和鉆孔灌注樁。其中,試樁S1—S4均為樁徑800 mm、壁厚110 mm的PHC管樁,樁長均為15 m,混凝土強度等級為C80,試樁S5為同樁徑同樁長的鉆孔灌注樁,混凝土強度等級為C30。本試驗采用堆載法,用慢速維持荷載法加載。各試樁樁號、樁型、樁長、樁徑和混凝土強度等級詳見表2。

表2 各試樁參數

4 抗壓承載能力分析

4.1 荷載-沉降規律分析

樁頂荷載-沉降曲線(Q-s曲線)綜合反映了樁-土體系的荷載傳遞、樁端阻力和樁側摩阻力的發揮性狀[8]。根據各試樁靜載試驗結果,繪制了各試樁Q-s曲線對比圖,如圖1所示。

對圖1進行分析可得:

1)當樁頂荷載Q較小時,樁頂沉降量s亦較小。

2)隨著樁頂載荷Q逐漸增大,各試樁Q-s曲線斜率不斷增大,塑性變形亦逐漸增大。

3)Q-s曲線呈現緩變型。

4)當樁頂總沉降量s達到60 mm～80 mm,終止加載,取s=40 mm對應的荷載值為極限荷載和極限承載力[9],各試樁極限承載力如表3所示。

表3 各試樁極限承載力

4.2 極限承載力分析

由表3可知:

1)采用錘擊法管樁S1的極限承載力最大。

2)中掘擴底法管樁S3和S4的極限承載力比錘擊法管樁S1降低11.1%,但相較于同樁長樁徑的鉆孔灌注樁S5,中掘擴底法管樁的極限承載力有明顯提高,提高率達33.3%。

3)對比中掘擴底法管樁S3,S4與不擴底樁S2,擴底樁比不擴底樁的極限承載力也有明顯提高,提高率高達45.5%。

4.3 樁身軸力分析

在上述靜載試驗中,在樁身預埋件上焊接應力計,從而得到樁身混凝土應變和樁身軸力。在各級荷載作用下,各試樁樁身軸力沿樁身分布圖詳見圖2—圖5。

對圖2—圖5分析可得:

1)在各級荷載作用下,樁身軸力自上而下傳遞,隨著樁身深度增加,樁身軸力變小。

2)當樁頂荷載較小時,樁身下部軸力較小,樁端阻力較小,樁側摩阻力總和遠遠超過樁端阻力。

3)隨著樁頂荷載增加,樁身軸力的傳遞曲線斜率逐漸增大,樁身下部軸力逐漸增大,樁端阻力逐漸發揮。

4)當加載至極限荷載時,試樁S1,S3和S4的樁端阻力分別為900 kN,1 055 kN,946 kN,占樁頂荷載的比值分別為33.3%,44.0%,39.4%,故這3根樁均為端承摩擦樁。雖然錘擊法管樁的極限承載力是中掘擴底法管樁的1.13倍,但是其樁端承載力僅為中掘擴底法管樁S3的85.3%,這說明中掘擴底法管樁的樁端承載能力較高。

4.4 樁側摩阻力發揮性狀

在各級荷載作用下,各試樁樁側摩阻力沿樁身分布圖詳見圖6—圖10。

對圖6—圖10分析可得:

1)當樁頂荷載較小時,樁身淺層土體側摩阻力先發揮作用,深層土體側摩阻力后發揮作用,說明樁側摩阻力發揮具有從淺層土體向深層土體逐漸傳遞的特點。

2)隨著樁頂荷載增大,深層土體側摩阻力的增長幅度大于淺層土體,在樁頂荷載加到較高等級后,部分淺層土體達到極限側摩阻力,而深層土體側摩阻力則繼續增大。

3)與錘擊法管樁相比,中掘法管樁在各土層的極限側摩阻力均明顯降低,這表明中掘法降低了樁側摩阻力,中掘法沉樁擠土效應小。

4)與中掘不擴底法管樁相比,中掘擴底法管樁側摩阻力有較明顯提高。其中,樁身上部側摩阻力基本相當,而樁身下部側摩阻力有較明顯提高。這是由于擴底樁在樁端注漿形成擴大頭,在注漿壓力作用下,漿液會在樁端以上一定高度范圍內沿著樁土間上滲,填充樁身與樁周邊土體的空隙,并滲入樁周土體一定寬度范圍,在樁周形成脈狀結石體,如同樹根植入土中,從而提高樁身下部側摩阻力。

5 結論

基于靜載試驗,研究中掘法管樁的抗壓承載能力,得到以下結論:

1)中掘法管樁Q-s曲線呈現緩變型,當樁頂總沉降量s達到60 mm～80 mm,終止加載,取s=40 mm對應的荷載值為極限荷載和極限承載力。

2)當樁長和樁徑均相等時,中掘擴底法管樁的極限承載力約為錘擊法管樁的90%,但是比鉆孔灌注樁高30%左右,比中掘不擴底法管樁高45%左右。

3)雖然中掘擴底法管樁的極限承載力比錘擊法管樁低,僅表現為樁側摩阻力降低,但是樁端阻力有明顯提高。

4)中掘法管樁樁身軸力自上而下傳遞,樁端阻力和樁側摩阻力沒有同步發揮。當樁頂荷載較小時,樁側摩阻力總和遠超樁端阻力,隨著樁頂荷載增大,樁端阻力不斷增大。

5)樁側摩阻力發揮性狀受到土體深度和樁頂荷載等影響。

6)中掘擴底法管樁豎向抗壓承載能力高。當加載至極限荷載時,樁端阻力約占樁頂荷載的40%,管樁為端承摩擦樁,樁端承載能力較高,而較高的樁端阻力提高了樁身下部的樁側摩阻力。

綜上所述,中掘擴底法管樁豎向抗壓承載能力高,具有較多優點,值得在工程應用中大力推廣。