靜壓樁的沉樁機(jī)理及常見問題分析

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摘要：本文探討了靜壓樁在沉樁過程中的機(jī)理,闡述了沉樁的終壓力與極限承載力的關(guān)系,并對(duì)工程中常見質(zhì)量問題及處理方法進(jìn)行了分析.

  關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)施工1前言靜壓法施工是通過靜力壓樁機(jī)的壓樁機(jī)構(gòu)以壓樁機(jī)自重和機(jī)架上的配重提供反力而將樁壓入土中的沉樁工藝。由于這種方法具有無噪音、無振動(dòng)、無沖擊力等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)今后對(duì)綠色巖土工程的要求；同時(shí)壓樁樁型一般選用預(yù)應(yīng)力管樁，該樁作基礎(chǔ)具有工藝簡(jiǎn)明，質(zhì)量可靠，造價(jià)低，檢測(cè)方便的特性。兩者的結(jié)合便大大推動(dòng)了靜壓管樁在廣東地區(qū)的應(yīng)用，使之有望成為廣東今后樁基發(fā)展的主打產(chǎn)品。人們?cè)趯?duì)《靜壓樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》千呼萬喚的同時(shí)，也希望對(duì)靜壓樁的沉樁機(jī)理及工程實(shí)踐中的應(yīng)用有進(jìn)一步的了解，本文為此作一介紹。2靜壓樁沉樁機(jī)理沉樁施工時(shí)，樁尖“刺入”土體中時(shí)原狀土的初應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，造成樁尖下土體的壓縮變形，土體對(duì)樁尖產(chǎn)生相應(yīng)阻力，隨著樁貫入壓力的增大，當(dāng)樁尖處土體所受應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體發(fā)生急劇變形而達(dá)到極限破壞，土體產(chǎn)生塑性流動(dòng)（粘性土）或擠密側(cè)移和下拖（砂土），在地表處，粘性土體會(huì)向上隆起，砂性土則會(huì)被拖帶下沉。在地面深處由于上覆土層的壓力,土體主要向樁周水平方向擠開，使貼近樁周處土體結(jié)構(gòu)完全破壞。由于較大的輻射向壓力的作用也使鄰近樁周處土體受到較大擾動(dòng)影響，此時(shí)，樁身必然會(huì)受到土體的強(qiáng)大法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁尖阻力的抵抗，當(dāng)樁頂?shù)撵o壓力大于沉樁時(shí)的這些抵抗阻力，樁將繼續(xù)“刺入”下沉。反之，則停止下沉。壓樁時(shí)，地基土體受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，樁周土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與地基土體的靜態(tài)抗剪強(qiáng)度有很大差異。隨著樁的沉入，樁與樁周土體之間將出現(xiàn)相對(duì)剪切位移，由于土體的抗剪強(qiáng)度和樁土之間的粘著力作用，土體對(duì)樁周表面產(chǎn)生摩阻力。當(dāng)樁周土質(zhì)較硬時(shí)，剪切面發(fā)生在樁與土的接觸面上;當(dāng)樁周土體較軟時(shí)，剪切面一般發(fā)生在鄰近于樁表面處的土體內(nèi)，粘性土中隨著樁的沉入，樁周土體的抗剪強(qiáng)度逐漸下降，直至降低到重塑強(qiáng)度。砂性土中，除松砂外，抗剪強(qiáng)度變化不大，各土層作用于樁上的樁側(cè)摩阻力并不是一個(gè)常值，而是一個(gè)隨著樁的繼續(xù)下沉而顯著減少的變值，樁下部摩阻力對(duì)沉樁阻力起顯著作用，其值可占沉樁阻力的50～80％，它與樁周處土體強(qiáng)度成正比，與樁的入土深度成反比。粘性土中，樁尖處土體在擾動(dòng)重塑、超靜孔降水壓力作用下，土體的抗壓強(qiáng)度明顯下降。砂性土中，密砂受松馳效應(yīng)影響土體抗壓強(qiáng)度減少，松砂受擠密效應(yīng)影響土體抗壓強(qiáng)度增大，在成層土地基中，硬土中的樁端阻力還將受到分界處粘土層的影響，上覆蓋層為軟土?xí)r，在臨界深度以內(nèi)樁端阻力將隨壓入硬土內(nèi)深度增加而增大。下臥為軟土?xí)r，在臨界厚度以內(nèi)樁端阻力將隨壓入硬土的增加而減少。一般將樁摩阻力從上到下分成三個(gè)區(qū)：上部柱穴區(qū)，中部滑移區(qū)，下部擠壓區(qū)。施工中因接樁或其它因素影響而暫停壓樁的間歇時(shí)間的長(zhǎng)短雖對(duì)繼續(xù)下沉的樁尖阻力無明顯影響，但對(duì)樁側(cè)摩阻力的增加影響較大，樁側(cè)摩阻力的增大值與間歇時(shí)間長(zhǎng)短成正比，并與地基土層特性有關(guān)，因此在靜壓法沉樁中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)接樁的結(jié)構(gòu)和位置，避免將樁尖停留在硬土層中進(jìn)行接樁施工。3終壓力與極限承載力在靜壓樁施工完成后，土體中孔隙水壓力開始消散，土體發(fā)生固結(jié)強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，上部樁柱穴區(qū)被充滿，中部樁滑移區(qū)消失，下部樁擠壓區(qū)壓力減小，這時(shí)樁才開始獲得了工程意義上的極限承載力。從大量的工程實(shí)踐看，粘性土中長(zhǎng)度較長(zhǎng)的靜壓樁其最終的極限承載力比壓樁施工時(shí)的終壓力要大，在某些土體固結(jié)系數(shù)較高的軟土地區(qū)，靜壓樁最后獲得的單樁豎向極限承載力可比終壓力值高出一二倍，但是粘性土中的短樁，土體強(qiáng)度經(jīng)一段時(shí)間的恢復(fù)，摩阻力雖有提高，但因樁身短，側(cè)摩阻力占樁的極限承載力的比例差異不大，最終極限承載力達(dá)不到樁的終壓力。因此樁的終壓力與極限承載力是兩個(gè)不同的概念，一些初接觸靜壓樁的設(shè)計(jì)、施工人員往往將兩者混為一談。兩者數(shù)值上不一定相等，主要與樁長(zhǎng)、樁周土及樁端土的性質(zhì)有關(guān)，但兩者也有一定的聯(lián)系。汕頭市總結(jié)本地經(jīng)驗(yàn)提出了自己的做法,對(duì)一些設(shè)計(jì)承載力較高的工程,終壓力值宜盡量達(dá)到設(shè)計(jì)取值的1.5∽1.7倍,并視土質(zhì)及布樁情況考慮復(fù)壓;對(duì)于14∽21m的中長(zhǎng)樁,終壓力控制在設(shè)計(jì)值的1.7∽2倍以上,宜復(fù)壓3次;而小于14m的短樁,終壓力控制在設(shè)計(jì)值的2∽2.5倍以上,并復(fù)壓3∽5次。廣東省《靜壓樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》編制組通過大量樁基資料的統(tǒng)計(jì)分析，提出一個(gè)樁的極限承載力與終壓力之間的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)L≤14m時(shí)，Quk=αRsm=（0.6～0.85）Rsm當(dāng)14m＜L＜21m時(shí)，Quk=αRsm=（0.75～1.05）Rsm當(dāng)L≥21m時(shí)，Quk=αRsm=（1.0～1.20）Rsm式中：Quk—靜壓樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rsm—靜壓樁的終壓力值樁長(zhǎng)一些，土質(zhì)好一些，土體恢復(fù)系數(shù)α可取上限值；反之取下限值。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式有下列兩個(gè)用途：一是已知終壓力、樁長(zhǎng)及土質(zhì)情況，可以粗估靜壓樁的極限承載力。如終壓力為3600KN，樁長(zhǎng)7m，土體恢復(fù)系數(shù)取0.6，則估算樁的極限承載力Quk=0.6×3600=2160KN；二是已知單樁豎向極限承載力、樁長(zhǎng)和土質(zhì)情況，可選擇壓樁時(shí)的終壓力值。如樁長(zhǎng)為7m，土體恢復(fù)系數(shù)取0.7，要求樁的極限承載力達(dá)2400KN，則終壓力值應(yīng)為Rsm≥2400/0.7=3430KN，所以可選用3600KN壓樁機(jī)施壓。4常見質(zhì)量事故分析及處理總結(jié)土木建筑學(xué)會(huì)近年對(duì)一些靜壓樁工地質(zhì)量事故進(jìn)行咨詢處理的一些案例，如白云區(qū)蕭崗的華建苑工程，中山大學(xué)住宅樓工程，農(nóng)墾公司住宅樓工程，曉港中干警宿舍，世紀(jì)廣場(chǎng)商住樓工程等等,可以發(fā)現(xiàn)一些常見問題。4.1樁身上抬由于靜壓樁是擠土樁，在場(chǎng)地樁數(shù)量較多，樁距較密的情況下，時(shí)常后壓的樁會(huì)對(duì)已壓的樁產(chǎn)生擠壓上抬，特別對(duì)于短樁，易形成所謂的吊腳樁。這種樁在做靜載試驗(yàn)時(shí)，開始沉降較大，曲線較陡，但當(dāng)樁尖達(dá)到持力層，承載力又有明顯增加，沉降曲線又趨于平緩，這是樁身上抬的典型曲線。樁身上抬除了靜載沉降偏大外，對(duì)樁而言可能會(huì)把接頭拉斷，樁尖脫空，同時(shí)大大增加對(duì)四周樁的水平擠壓力,導(dǎo)致樁傾斜偏位。在處理上施工前合理安排壓樁順序,同一單體建筑物一般要求先壓場(chǎng)地中央的樁,后壓周邊的樁;先壓持力層較深的樁,后壓較淺的樁。出現(xiàn)樁身上抬后一般采用復(fù)壓的辦法使樁基按正常使用，但對(duì)承受水平荷載的基礎(chǔ)要慎重。4.2引孔壓樁的問題為了防止樁間的擠土效應(yīng)太大，或土質(zhì)太硬而使樁身較短，施工中往往采用引孔壓樁的工藝，即先鉆比管樁略小規(guī)格的直徑鉆孔，深度是樁長(zhǎng)的（2/3～1）L，然后將管樁沿預(yù)鉆孔壓下去。引孔應(yīng)隨引隨壓，中間間隔時(shí)間不宜大長(zhǎng)，否則孔內(nèi)積水，一是會(huì)軟化樁端土，待水消散后孔底會(huì)留有一定空隙；二是積水往樁外壁冒，削弱了樁的側(cè)摩阻力。對(duì)于較硬土質(zhì)中引孔壓樁還會(huì)有樁尖達(dá)不到引孔孔底的現(xiàn)象，施工完成后孔底積水使土體軟化，使承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。4.3樁端封口不實(shí)當(dāng)樁尖有縫隙，地下水水頭差的壓力可使樁外的水通過縫隙進(jìn)入樁管內(nèi)腔，若樁尖附近的土質(zhì)是泥質(zhì)土，遇水易軟化，從而直接影響樁的承載力。對(duì)于樁靴的焊接質(zhì)量要求與端板間無間隙、錯(cuò)位,保證焊縫飽滿,無氣孔。施焊對(duì)稱進(jìn)行,焊拉時(shí)間控制得當(dāng),焊接完成后自然冷卻10分鐘左右方可施打,因高溫焊縫遇水后變脆,容易開裂。工程上比較有效的補(bǔ)救技術(shù)措施是采用“填芯混凝土”法，即在管樁施壓完畢后立即灌入高度為1.2m左右的C20細(xì)石混凝土封底，樁端不漏水，樁端附近水壓平衡，樁端土承受三相壓力，承載力能保持穩(wěn)定。4.4樁頂(底)開裂由于目前壓樁機(jī)越來越大，最重可達(dá)6800KN，對(duì)于較硬土質(zhì)，管樁有可能仍然壓不到設(shè)計(jì)標(biāo)高，在反復(fù)復(fù)壓情況下,管樁樁身橫向產(chǎn)生強(qiáng)烈應(yīng)力，如果樁還是按常規(guī)配箍筋，樁頂混泥土抗拉不足開裂，產(chǎn)生垂直裂縫，為處理帶來很大困難。另一種情況就是管樁由軟弱土層突然進(jìn)入硬持力層，沒有經(jīng)過渡層,樁機(jī)油壓迅速升高,樁身受到瞬間沖擊力也容易引起樁頂開裂,如果硬持力層面不平整,樁靴卡不進(jìn)土引起樁頭折斷破碎,樁機(jī)油壓又下降,再壓時(shí)壓力不穩(wěn)定,吊線測(cè)量樁長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)比入土部分短。處理上事前改進(jìn)樁尖形式(圓錐形樁尖易滑),事后用壓力灌漿把樁底破碎混凝土粘結(jié)住,適當(dāng)折減承載力設(shè)計(jì)值。4.5地質(zhì)構(gòu)造帶廣州市區(qū)不少地段處在地質(zhì)斷裂破碎帶上，如麓湖斷裂帶、瘦狗嶺斷裂帶等,在這些場(chǎng)地采用靜壓樁，由于受構(gòu)造斷裂的影響，地層結(jié)構(gòu)受到改變，破碎帶作為地下水通道常軟化持力層。壓樁時(shí)雖滿足終壓力及樁長(zhǎng)要求,而靜載時(shí)樁又不合格。不合格樁長(zhǎng)范圍可從8米至30米都會(huì)出現(xiàn)，與規(guī)程統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式完全不符，在瘦狗嶺斷裂帶曾有壓樁長(zhǎng)80米仍止不住,可見由于土體的破碎加上水的潤(rùn)滑,土的抗剪強(qiáng)度基本散失,壓力不再隨樁長(zhǎng)的增加而增加,這要特別引起重視。對(duì)于有軟硬夾層，尤其是硬夾層不厚的情況下，施工時(shí)樁尖到達(dá)硬夾層，由于超孔壓的反向作用，使樁的終壓力滿足設(shè)計(jì)要求，而施工完成后隨孔壓消散，土抗剪強(qiáng)度還沒恢復(fù)，靜載時(shí)樁尖土承受更大的壓力，傳遞到軟弱下臥層后引起該層土壓縮增大，進(jìn)而樁頂下沉增加,位移不滿足要求。4.6基坑開挖由于靜壓樁逐漸用在高層建筑中,基坑開挖不可避免。應(yīng)根據(jù)開挖深度考慮是否需要先圍護(hù)開挖再沉樁的方案。邊打樁邊開挖是不可取的,先打樁后開挖應(yīng)考慮對(duì)稱均勻,如在中間開挖把土堆在周圍就會(huì)造成四周和中心的土體高差懸殊,同時(shí)超孔隙水壓及震動(dòng)會(huì)使管樁傾斜或折斷,所以合理制定基坑開挖方案是必不可少的。5結(jié)語(yǔ)靜壓樁的沉樁機(jī)理非常復(fù)雜，與土質(zhì)、土層排列、硬土層厚度、樁數(shù)、樁距、施工順序、進(jìn)度等有關(guān),有待進(jìn)一步研究。靜壓樁施工中出現(xiàn)的問題也各種各樣，最常用的處理方法是提高終壓力進(jìn)行復(fù)壓。往往樁在做完靜載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不合格后，還要增加靜載試驗(yàn)或大應(yīng)變檢測(cè)，以確定更大范圍不合格樁數(shù)量分布。有時(shí)基坑已開挖，樁頭已鑿去位置難確定，壓樁機(jī)撤出現(xiàn)場(chǎng)，復(fù)壓或補(bǔ)樁有一定困難，這就要采取其它一些措施處理不合格樁，如灌漿補(bǔ)強(qiáng)、降低樁承載力標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)大承臺(tái)等。相信隨著工程實(shí)踐的不斷豐富，能為靜壓樁規(guī)程的制定提供更多的素材。