預(yù)應(yīng)力管樁擠土效應(yīng)的探討

王德云　吳崇貴

如東縣建設(shè)局施工圖審查辦公室　江蘇如東 226400 江蘇誠嘉監(jiān)理公司　江蘇如東  226400

前言

    預(yù)應(yīng)力管樁具有如下特點：成批生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠；樁身混凝土強度高，耐錘打性好，穿透能力強；單樁承載力高，單位承載力價格便宜；對不同地質(zhì)條件和不同沉樁工藝適應(yīng)性強；經(jīng)濟快捷等。目前該樁型已在國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)達的沿海地區(qū)普遍推廣應(yīng)用，在許多地區(qū)正取代各種傳統(tǒng)樁型而成為主導(dǎo)樁型，受到越來越多的設(shè)計人員的歡迎。

    預(yù)應(yīng)力管樁產(chǎn)生擠土效應(yīng)的現(xiàn)象在工程界己被普通認同，它對單樁承載力提高是許多綜合因素決定的。工程樁檢測的承載力大幅度超過設(shè)計值的普遍情況惹來不少非議，有的建設(shè)單位埋怨設(shè)計和勘察人員太保守，經(jīng)驗較少的設(shè)計人員則對設(shè)計試樁檢測和勘察報告數(shù)據(jù)的真實性產(chǎn)生質(zhì)疑。但多數(shù)工程專業(yè)人員都能認識到工程樁施打后，樁間土受到擠密樁側(cè)摩阻力提高了，土壤壓縮性愈小，樁對土的置換率愈大，這種擠土效應(yīng)就會更大，有的多樁承臺因壓樁力超過樁身強度太多而不能沉到設(shè)計標(biāo)高，只有及時截樁，否則樁機不能行走，影響工程施工，而樁端不在同一標(biāo)高甚至不在同一持力層，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員最不愿接受的事實。因此設(shè)計和勘察人員向施工單位提出調(diào)整打樁順序以緩解擠土效應(yīng)對沉樁的影響。但調(diào)整打樁順序只是讓一部分樁在樁周土擠密前先打下去，而樁周土在打樁后又會因后打樁的影響再被擠密，擠土效應(yīng)對單樁承載力提高的最終結(jié)果是相同的。調(diào)整打樁順序一定程度上緩解擠土效應(yīng)的負面效應(yīng)有作用，但不能根本消除，最積極的辦法應(yīng)當(dāng)是了解擠土效應(yīng)對承載力提高有多大，然后調(diào)整設(shè)計參數(shù)，使之充分利用，節(jié)省投資又便利施工。

1、擠土效應(yīng)

    靜壓法預(yù)應(yīng)力管樁施工屬于擠土類型，往往由于沉樁時使樁四周的土體結(jié)構(gòu)受到擾動，改變了土體的應(yīng)力狀態(tài)，相當(dāng)于樁體積的土體向四周排擠，使周圍的土受到嚴重的擾動，主要表現(xiàn)為徑向位移，樁尖和樁周一定范圍內(nèi)的土體受到不排水剪切以及很大的水平擠壓，樁周土體接近于”非壓縮性”，產(chǎn)生較大的剪切變形，形成具有很高孔隙水壓力的擾動重塑區(qū)，降低了土的不排水抗剪強度，促使樁周鄰近土體會因不排水剪切而破壞，與樁體積等量的土體在沉樁過程中向樁周發(fā)生較大的側(cè)向位移和隆起。在地面附近的土體是向上隆起，而在地面以下較深層土體，由于覆蓋土層壓力作用不能向上隆起，就向水平方向擠壓。由于群樁施工中的迭加作用，會使已打入樁和鄰近管線產(chǎn)生較大側(cè)向位移和上浮。樁群越密越大，土的位移也越大，有資料揭示，地面隆起可達50cm-60cm，有的甚至達到70cm～80cm。這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

    a．壓樁時樁周土層被壓密并擠開，使土體產(chǎn)生水平移動和垂直隆起，并可對周圍建筑物及地下管線有一定的影響；

    b．壓樁使土中超孔隙水壓力升高，造成土體破壞。未破壞的土體也會因超孔隙水壓力的不斷傳播和消散而蠕變，導(dǎo)致土體垂直隆起和水平位移；

    c．壓樁過程中樁周土體被劇烈擾動，土的原始結(jié)構(gòu)受到破壞，土的工程性質(zhì)發(fā)生改變。

    d．施工過程中焊接時間過長，樁的接頭較多而且焊接質(zhì)量不好或樁端停歇在硬夾層。施工方法與施工順序不當(dāng)，每天成樁數(shù)量太多，壓樁速率太快，布樁過多過密，這些加劇了擠土效應(yīng)。

    預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單樁豎向抗壓極限承載力(或特征值)的設(shè)計值的確定不論是直接采用巖土勘察單位的推薦值還是設(shè)計人員自行確定的，都是根據(jù)勘察報告提供的各土層側(cè)阻力和樁端阻力的極限標(biāo)準(zhǔn)值，按擬定的樁長和樁徑進行計算的方法是相同的。勘察單位提供的相關(guān)參數(shù)主要依據(jù)檢測數(shù)據(jù)，另外還帶有經(jīng)驗的因素，設(shè)計人員對計算結(jié)果的調(diào)整也是依據(jù)個人經(jīng)驗的。同一建設(shè)條件不同的設(shè)計和勘察人員提出的參數(shù)不盡相同，因此規(guī)范規(guī)定施工前應(yīng)采用靜載試驗確定承載力，這就是我們統(tǒng)稱的設(shè)計試樁。試樁數(shù)量一般不宜少于工程樁總數(shù)的l％，且不少于3根。試樁位置一般由設(shè)計和勘察單位在非工程樁位置指定，通常都是分散的。設(shè)計試樁的靜載試驗結(jié)果達到設(shè)計或高于設(shè)計值，而按原設(shè)計參數(shù)施工的情況較多。但高于設(shè)計值較大或不滿足設(shè)計要求的需要修改設(shè)計的情況也時有發(fā)生。但不管依據(jù)設(shè)計試樁結(jié)果提出和修改的設(shè)計多么精確合理，即使是地質(zhì)情況非常均勻全部是單樁條型承臺的磚混結(jié)構(gòu)，工程樁的壓樁力總是高于設(shè)計試樁的壓力，后打樁的壓力高于先打樁的壓力。比較設(shè)計試樁和工程樁的壓力和沉降曲線Q—S，相同試驗壓力下工程樁的沉降值較設(shè)計試樁小，幾乎差1—2級荷載的對應(yīng)沉降量。而框架結(jié)構(gòu)的多樁承臺壓樁力較設(shè)計試樁壓力甚至增長l倍以上。

2、工程實例

    2.1實例一

    江蘇省如東13層的廣電傳媒中心大樓，框架結(jié)構(gòu)。采用直徑400mm和500mm的預(yù)應(yīng)力管樁，樁長分別為l2m和l5m，樁端持力層分別為4層粉土夾粉砂、5層粉土夾粉質(zhì)粘土。工程樁總數(shù)410根，試驗樁數(shù)6根。具體布置見圖1。

    基礎(chǔ)原設(shè)計PC-500(100)A—C70—12管樁，設(shè)計要求打3根設(shè)計試樁，單樁承載力極限值為1600 kN。打了3根設(shè)計試樁，壓樁力分別為1300 kN、1 400 kN、1450kN，靜載試驗的豎向抗壓極限承載力分別為1200KN、1350kN、1350 kN。設(shè)計人員按單樁極限承載力1200的設(shè)計值重新布樁，擴大了承臺尺寸。工程樁施工過程中，壓樁力增長很快，一般都在2500 kN左右，最大的壓樁力達到了3000 kN，個別樁只有截斷才能達到設(shè)計標(biāo)高。工程樁按1.2×1200=1440kN加壓試驗，試驗了3根樁其沉降量只4mm～6mm.

    2.2實例二

    江蘇省如東中坤苑小區(qū)坐落于掘港鎮(zhèn)東北，規(guī)劃總建筑面積30萬㎡。設(shè)計有磚混結(jié)構(gòu)的住宅，異型框架柱結(jié)構(gòu)的別墅，短支剪力墻結(jié)構(gòu)的小高層住宅。采用直徑400mm和500mm的預(yù)應(yīng)力管樁，樁長為l2m，樁端持力層分別為(4)層粉土夾粉砂。

    一期工程l8幢多層住宅設(shè)計選用FIE～400(70)管樁單樁豎向抗壓承載力極限值設(shè)計值為900kN，初步選用12m樁長。為了準(zhǔn)確確定設(shè)計參數(shù)，在兩個單體上分別打了t3m、12m、11m、10m的各3根設(shè)計試樁。l3m樁長的最終壓樁力為l l20kN、1040kN、960kN，靜載試驗承載力極限值為ll00kN、990kN、880 kN，承載力極限值的統(tǒng)計值為990kN；11m樁長的壓樁力為960kN、960kN、880kN，靜載試驗的豎向抗壓承載力極限值為900kN、900kN、800kN，統(tǒng)計值為866kN；12m樁的l2m時壓樁力與11m時差異不大，因此未做靜載試驗。設(shè)計樁長最終確定為l2m。

    工程樁施打的7d內(nèi)共打了559根樁，相當(dāng)于一期工程總樁數(shù)的l/8左右，監(jiān)理人員旁站了所有樁的壓樁油壓記載，經(jīng)統(tǒng)計分析，不僅有50％以上的樁12m時的油壓低于11m時壓力，壓樁力≤8801kN的樁僅為58根樁，占已打樁數(shù)的l0．4％，且多為周邊軸線的先打的樁，壓樁力≥l280kN的達377根，占已打樁總數(shù)的67.44％，最大壓樁力為l760kN，而設(shè)計試樁13 m樁長最大壓樁力只有1120 1kN，12m的為960，據(jù)此統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，監(jiān)理組向業(yè)主進行了書面報告，征得設(shè)計單位認可，后續(xù)樁長均減短lm。

    工程樁施工后業(yè)主采納設(shè)計單位的建議，對兩個單體的工程樁從壓樁力最低的和第二低的共選了3根樁按1100kN進行靜載試驗，6根樁均未達到承載力的極限狀態(tài)，最大沉降l5lnlTl。其余l6個幢號各抽了3根共48根樁按9901kN靜載試驗加壓，除兩根樁的極限承載力為810kN、900kN，其余46根樁均未達到承載力極限狀態(tài)。

    中坤苑二期11層的小高層基礎(chǔ)為鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面見圖2。單樁承載力設(shè)計值為l700kN，單樁條形承臺梁的最大壓樁力的在2250 kN-2500kN，而九樁承臺最大壓樁力達到3400 kN，樁帽被壓壞只得截樁。打樁結(jié)束，選擇3根位于擠土效應(yīng)小的單樁進行靜載試驗，豎向抗壓承載力極限值為2210kN、2210kN、2380kN，分別為設(shè)計值的l.2倍、l.3倍、l.4倍。

    二期工程的l5幢多層，單樁承載力極限值的設(shè)計值為880 kN，設(shè)計樁長為llm，樁頂標(biāo)高一2.5m。基于一期工程工程樁的以上檢測數(shù)據(jù)，考慮擠土效應(yīng)有把握認定設(shè)計富余強度過大，業(yè)主和勘察人員采納了我們的建議，用工程樁的檢測數(shù)值替代傳統(tǒng)的設(shè)計試樁，并將樁頂標(biāo)高由一2.5m提高為一l.8m(相當(dāng)減短樁長0.7m)，在一個單體上連續(xù)依次打完4條軸線的24根工程樁，當(dāng)時我們的想法是如果承載力不滿足要求，還可繼續(xù)壓樁下送，最不利的情況是降低承臺標(biāo)高。l0d休止期后依次選擇壓樁力最小的875kNl根和次小的1000kN的2根樁進行靜載試驗，極限承載力分別為1000kN、1100kN、1300kN，統(tǒng)計值確定為1133 kN，高于設(shè)計值25.9％，我們對設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整。接著按巖土勘察報告反映的15幢單體地質(zhì)條件最差的一個幢號又打了20根9m長的樁，因其中的一根擠土效應(yīng)最小的邊樁加載到880 kN時沉降未能穩(wěn)定，最終樁頂標(biāo)高提高0.7m，樁長改為10m。工程樁按1.1×880=968 kN加壓試驗，14個單體的42根樁中僅l根樁的極限承載力為880 kN，其余41根樁均未達到承載力極限狀態(tài)。

    據(jù)此，設(shè)計參數(shù)調(diào)整后節(jié)省投資：1—10/11.7=14.5％。需要重點說明的的是縮短樁長后的11幢單樁條形承臺梁的磚混結(jié)構(gòu)，順利地把樁壓到設(shè)計標(biāo)高，沒有出現(xiàn)一期中的樁帽被壓壞的的情況，但4幢框架結(jié)構(gòu)的多樁承臺均有樁帽被壓壞、樁端未達到設(shè)計標(biāo)高必須截樁的情況，最大壓樁力達到l900 kN，而樁身強度豎向承載力的設(shè)計值僅為1100kN。據(jù)以上情況和巖土勘察報告分析，l5幢多層中至少有10幢的樁長可以改為9m，仍然有可挖掘的空間。

3、綜合分析

    我們曾對如東地區(qū)工程樁豎向承載力極限值與壓樁力的比值進行過統(tǒng)計，一般在1.25—0.9左右，個別情況波動范圍會更大些。根據(jù)壓樁力記錄推測承載力時比例系數(shù)的估值愈合理，結(jié)果就會更準(zhǔn)確。這個比例系數(shù)波動范圍較大的原因有3點：一是打樁人員閱讀油壓表一般以半格為計量單位估讀，估讀的偏差換算成的壓樁力有401kN一80 kN左右的誤差是不可避免的；二是正如前面已敘述過的打樁時樁周土被擠密的效應(yīng)由于打樁順序和樁位的不同有時間先后的差異，先被擠壓則大，反之則小；三是對壓樁力的大小不能只看最終壓力，還要看最后2m一3m段的壓力記錄。分析中坤苑一期工程24根工程樁的靜載試驗的Q—s曲線，對照壓樁深度——壓樁力記錄，有21根樁符合這樣的規(guī)律：凡最終壓樁力大的沉降小。但有3根樁的結(jié)論是相反的：壓樁力大反而較小一級的80 kN的沉降大，反復(fù)分析打樁記錄發(fā)現(xiàn)，這種樁的前兩個記錄段(即距端層標(biāo)高2m一3m)時的壓樁力均較后者相應(yīng)標(biāo)高低2級(80×2=160 kN)以上。二期工程壓樁力同為l000 kN的二根工程試樁，靜載試驗結(jié)果一根極限承載力為ll00kN，另一根為1300 kN，查對壓樁記錄，后者的樁端前兩個記錄段的壓樁力均比前者相應(yīng)標(biāo)高大l25kN。分析其原因是管樁施工過程中移機、對位、接樁占用時間占了相當(dāng)大的比例，真正壓樁加力時間只有幾分鐘。當(dāng)碰上樁端土強度較高，但入土深度不夠或其上土的強度相當(dāng)?shù)停�雖然打樁壓力能因磨阻力變化能有所反映，但不明顯，而靜載加壓時間一般在18h一20h，最后一級加載時間可能更長，凡這種地質(zhì)情況樁端土受擠壓后周邊土向上隆起，沉降驟然增大明顯，承載力降低明顯。夯擴樁施工過程中經(jīng)常遇有類似情況，使二次夯擴料成數(shù)倍增長才能達到預(yù)期的錘擊數(shù)。此類情況空隙水壓力也會有些變化，對壓樁力讀數(shù)也有影響。根據(jù)樁位和打樁順序分析，極限承載力為l300kN的樁打樁后樁周土又受周邊樁施工的擠土效應(yīng)較前者大。如果只根據(jù)最終壓力大小，并把比例系數(shù)看成是固定的容易產(chǎn)生大的偏差，積累的數(shù)據(jù)一定要相當(dāng)多，分析方法要科學(xué)。

4、結(jié)語

    預(yù)應(yīng)力靜壓管樁承載力高，施工對環(huán)境無污染，施工受人為控制影響小，質(zhì)量可靠，壓樁力與承載力的對應(yīng)關(guān)系較為準(zhǔn)確，便于鑒定不良地質(zhì)情況并可采取相應(yīng)補救措施(如下壓后現(xiàn)澆接樁頭)，施工速度快。如能進一步挖掘和充分利用擠土效應(yīng)，節(jié)省投資，方便沉樁，其優(yōu)勢就更明顯，我們的建議：

    1)用工程樁靜載試驗結(jié)果替代現(xiàn)行規(guī)范”l％左右設(shè)計試樁”的傳統(tǒng)做法，按設(shè)計初步確定的設(shè)計參數(shù)，在一個單體工程先打4條一6條軸線的工程樁，然后根據(jù)打樁壓力記錄綜合分析選擇最不利樁號進行靜載試驗，這種試驗不僅能反映擠土效應(yīng)對承載力提高的影響，而且對不利地質(zhì)點的認定較巖土勘察報告分析的要準(zhǔn)確，因為一個單體的鉆探點遠少于工程樁的數(shù)量，每根樁的壓樁力和壓樁深度的記錄很直觀綜合地反映了該處的地質(zhì)情況，很適用。

    2)采用差別樁距：單樁條形承臺梁的擠土效應(yīng)小，樁距可以小些，如3D；而多樁承臺樁的擠土效應(yīng)大，樁距應(yīng)大些。可放至3.5D或4D。合理的安排打樁順序：先打擠土效應(yīng)較大的中間樁，后打邊樁；先打多樁承臺后打單樁承臺，這種做法會增加施工難度，僅是一種消除擠土負面效應(yīng)的輔助手段，積極的措施應(yīng)當(dāng)是充分利用擠土效應(yīng)。

    3)如果將同一建筑單體內(nèi)分散施打未受擠土效應(yīng)的單個設(shè)計試樁同工程樁施打完成已經(jīng)發(fā)生了擠土效應(yīng)的工程樁的壓樁記錄和兩者靜載試驗的資料對比分析，就很明顯地看出擠土效應(yīng)對承載力的提高的大致范圍，這是室內(nèi)試驗不可取代的。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)