夯擴(kuò)樁在杭州下沙地區(qū)的應(yīng)用

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1、概述

    杭州下沙地區(qū)位于錢(qián)塘江北岸，屬錢(qián)塘江沖海積平原，地層分布較穩(wěn)定。地基土主要由粉土組成，深8～9m處就有性質(zhì)較好的2d砂質(zhì)粉土夾粉砂土層，且分布廣泛而有一定厚度，是較理想的樁端持力層?？等R特下沙住宅工程1.3萬(wàn)m²，其地質(zhì)情況在下沙地區(qū)有典型的代表性(表1) 。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，場(chǎng)地地下水主要賦存于上部粉土、粉砂層中的潛水，水位較高，并受大氣 降水影響，動(dòng)態(tài)變化較大。地下水能引起粉土膨脹，淺基礎(chǔ)不易控制建筑物的不均勻沉降。另外，2c土層為液化土層，也應(yīng)避免用該土層作為持力層。因此在結(jié)構(gòu)方案階段就否定了淺基礎(chǔ)方案。預(yù)制樁基固然可行，但在目前它的價(jià)格較高。此外，從地基承載力和造價(jià)上分析，灌注樁基礎(chǔ)應(yīng)該是比較理想的，但據(jù)調(diào)查因成樁難，在該地區(qū)很少應(yīng)用。將普通沉管灌注樁方法與樁端擴(kuò)底技術(shù)相結(jié)合的夯擴(kuò)樁，可充分發(fā)揮端承效果，而且造價(jià)低，通過(guò)康萊特下沙住宅工程的成功應(yīng)用，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)分析比較，我們選用了夯擴(kuò)樁基礎(chǔ)。 表1 住宅工程的綜合地質(zhì)

 

土層及其名稱(chēng) 層厚(m) 主要物理性質(zhì) 地基土參數(shù) 預(yù)制樁參數(shù) 夯擴(kuò)樁
參數(shù) w(%) e wc(%) Ip(%) a1～2(MPa) Es(MPa) fk(kPa) qs(kPa) qp(kPa) qp(kPa) 2a砂質(zhì)粉土 0.7～1.4 30.2 0.876 31.9 5.3 0.21 7.0 110 16 　 　 2b砂質(zhì)粉土 1.6～2.7 25.2 0.70 28.2 6.6 0.12 12 170 24 　 　 2c砂質(zhì)粉土 4.4～5.8 28.3 0.771 30.1 5.5 0.14 11 155 22 　 780 3a砂質(zhì)粉土夾粉砂 9.2～10.9 26.0 0.725 　 　 0.16 13 180 28 1700 1100

 

    2、夯擴(kuò)樁樁基設(shè)計(jì)     2.1 理論依據(jù)     樁的極限承載力(抗壓)不能簡(jiǎn)單地理解為極限側(cè)阻力加上極限端阻力。樁土之間出現(xiàn)不大的相對(duì)滑動(dòng)時(shí)就出現(xiàn)極限側(cè)阻力，當(dāng)上部滑動(dòng)量大的范圍內(nèi)土體發(fā)揮了極限剪切強(qiáng)度以后，部分荷載又傳回給樁身，依次產(chǎn)生更大的相對(duì)滑動(dòng)并逐漸發(fā)展到更大的深度。只有當(dāng)整個(gè)樁身側(cè)阻力達(dá)到極限值的瞬間，樁底下面的土體中形成了一種極限強(qiáng)度狀態(tài)，好像樁尖在排開(kāi)土體，力圖擠進(jìn)土層。此時(shí)，承載力是極限側(cè)阻力和樁底承載力的組合。極限側(cè)阻力的發(fā)揮主要取決于樁土相對(duì)位移，稱(chēng)為極限位移。只有當(dāng)樁底位移Δs足夠大時(shí)，樁端的極限強(qiáng)度就全部發(fā)揮出來(lái)，樁的極限承載力(抗壓)(在該荷載下的下沉或下沉速率劇烈增大)可由下式確定：Pu＝Ppu＋ΣPsi(式中Ppu極限樁端承載力；ΣPsi樁端以上土層極限側(cè)阻力的總和)。
    下沙地區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn)是持力層埋深淺，而上部土層為軟弱土層，在不大的荷載下，就能達(dá)到整個(gè)樁身極限側(cè)阻力。夯擴(kuò)樁擴(kuò)大了的樁頭，降低了樁端應(yīng)力水平，阻止了樁尖的刺入破壞。浙江省標(biāo)準(zhǔn)《建筑軟弱地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(DBJ 10-1-90)棗條文說(shuō)明》中指出，夯擴(kuò)樁是以端承為主，側(cè)阻力為輔的樁型，適用于上部為軟弱土層，在距地表4～14m處有一層性質(zhì)較好的樁端持力層。     2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)和承載力的確定     3a土層是一個(gè)較理想的持力層，該土層分布廣泛，厚度也較均勻(表1)。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的參數(shù)和浙江省標(biāo)準(zhǔn)《建筑軟弱地基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(DBJ 10-1-90)》，初步確定夯擴(kuò)設(shè)計(jì)參數(shù)為第一次在外管內(nèi)灌注的混凝土高度H＝1900mm；外管上拔高度h＝800mm ；混凝土全部夯出外管后外管和內(nèi)夯管同步下沉深度h－c＝600mm。代入各參數(shù)后可取D＝600mm。
    根據(jù)《DBJ 10-1-90》規(guī)范的公式；可算得單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ｒk＝565kN，設(shè)計(jì)時(shí)取作550kN。由此可見(jiàn)樁端土承載力約占總承載力標(biāo)準(zhǔn)值的75%以上。     2.3 樁端進(jìn)入持力層深度     樁的承載力，主要是樁端承載力，隨著進(jìn)入持力層的深度(特別是進(jìn)入砂質(zhì)粉土類(lèi)粉砂層的深度)不同而具有不同的變化規(guī)律，稱(chēng)之為深度效應(yīng)。深度效應(yīng)的主要規(guī)律之一是存在著一個(gè)臨界深度hc。當(dāng)樁進(jìn)入持力層的深度h＜hc時(shí)，樁端極限承載力qpu基本上隨深度而線(xiàn)性增大，當(dāng)h≥hc時(shí)，qpu則保持不變，稱(chēng)之為端阻力穩(wěn)定值，規(guī)范中推薦的進(jìn)入持力層深度為1.50～2.00m。根據(jù)本工程地質(zhì)的實(shí)際情況，選擇進(jìn)入持力層深度為1.5m，有效樁長(zhǎng)7.5m。     3、成樁難的原因分析及解決方法     在下沙地區(qū)打沉管灌注樁常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：一種是施工時(shí)無(wú)法將混凝土灌到設(shè)計(jì)標(biāo)高，另一種是開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)近地表的上段樁雖在，而下段樁身混凝土已流失或僅存部分骨料石子。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是該地區(qū)地基土易液化，打樁時(shí)措施不當(dāng)。
    就以康萊特下沙住宅工程地基土為例，持力層3a以上土層主要為砂質(zhì)粉土，松散，孔隙比大，土層粒徑在0.01～0.074mm之間的顆粒占86%以上。有關(guān)資料表明，平均粒徑為0.05～0.1mm的粉砂土的抗液化能力最低。
    在沉管過(guò)程中，一方面由于土體受到震動(dòng)，使得孔隙中的水產(chǎn)生超靜水壓力，另一方面在成孔過(guò)程中，樁管周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的土體受到擠壓，使得土的孔隙減小，而孔隙中的水還來(lái)不及排出，也產(chǎn)生了超靜水壓力μ。水在水力梯度(i)下從高能量級(jí)向低能量級(jí)處流動(dòng)，此時(shí)土中總應(yīng)力為：σ＝σ′＋（μ＋Δμ）或σ′＝σ－（μ＋Δμ)，式中σ′有效應(yīng)力；Δμ孔隙水壓力增量?？梢?jiàn)當(dāng)Δμ不斷增大，直到有效應(yīng)力σ′減小到零，有效應(yīng)力使粉砂土產(chǎn)生全部抗剪強(qiáng)度。當(dāng)σ′＝0時(shí)土體抗剪強(qiáng)度等于零，便出現(xiàn)了流砂現(xiàn)象，土粒之間壓力消失，土粒處于懸浮狀態(tài)，土體隨水流動(dòng)。地下水的滲流對(duì)土單位體積產(chǎn)生的壓力GＤ稱(chēng)為動(dòng)水壓力。在樁外管拔出過(guò)程中，樁管中的混凝土也受到ＧＤ的作用。當(dāng)ＧＤ較大且樁管中混凝土因自重引起的材料間的摩擦力不足以抵抗ＧＤ時(shí)，混凝土中的水泥砂就被流砂帶走，甚至還會(huì)將骨料沖走。隨著時(shí)間的推移，孔隙水壓力逐漸消散。
    以上分析可見(jiàn)，存在液化土層的地質(zhì)條件下要成功完成灌注樁的施工，可采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧┮韵魃暗牟焕绊?。為此康萊特下沙住宅工程中，主要采取了以下措施：①控制打樁的施工進(jìn)度；②嚴(yán)格控制拔管速度；③采用有預(yù)制樁尖的夯擴(kuò)樁。并在樁尖頸部設(shè)置草繩； ④第一次加灌混凝土后，先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)夯擴(kuò)，再拔管至h。經(jīng)過(guò)正式施工前的打試樁，將夯擴(kuò)設(shè)計(jì)參數(shù)最終確定為H＝２５００m，h＝９００mm，h-c＝800mm；⑤在第二次加灌混凝土完成后，最終拔出外管時(shí)，用內(nèi)夯管對(duì)管內(nèi)混凝土邊拔邊壓。
    此外，選擇合適的樁身混凝土的水灰比、坍落度及合理的打樁順序等等，都可提高成樁的質(zhì)量 。當(dāng)然在工程樁施工前，也可先在打樁場(chǎng)地空隙處均勻布置砂石樁做泄水孔，但這種方法造價(jià)較高，本工程中并未采用。     4、結(jié)語(yǔ)     (1)經(jīng)濟(jì)效益：曾對(duì)夯擴(kuò)樁、預(yù)制樁和振動(dòng)式沉管灌注樁三種樁型基礎(chǔ)方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比(表2)。因夯擴(kuò)樁的承載力明顯高于其它兩種樁型，總樁數(shù)最少，相應(yīng)的樁承臺(tái)較小，如果綜合承臺(tái)施工、土方開(kāi)挖等項(xiàng)目的費(fèi)用，夯擴(kuò)樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)效益更高。 表2 三種樁型造價(jià)對(duì)比表 樁型 樁徑(mm) 樁長(zhǎng)(m) 單樁工程造價(jià) 承載力(kN) 單位抗力造價(jià)(元/kN) 工程量(m^３) 單價(jià)(元/m^３) 合價(jià)(元) 夯擴(kuò)樁 377 9.4 1.256 603.9 755 550 1.373 預(yù)制管樁 350 9.4 （9.4m) (72元/m) 677 285 2.375 振動(dòng)式沉管灌注樁 377 9.4 1.049 404 424 288 1.472       (2)工程樁質(zhì)量：根據(jù)低應(yīng)變動(dòng)測(cè)報(bào)告，不滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的Ⅲ類(lèi)樁僅3根，分別出現(xiàn)不同程度的縮頸、樁身混凝土離析，而無(wú)Ⅳ類(lèi)樁，其余均為合格的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)樁。主體工程于2000年1月2日竣工后，最近一次沉降觀(guān)測(cè)結(jié)果是：最大沉降量18mm，最大不均勻沉降為5mm。
    (3)夯擴(kuò)樁在杭州下沙地區(qū)應(yīng)用，有兩大優(yōu)勢(shì)：①充分發(fā)揮樁端持力層的端承效果，承載力高 ；②造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)效益好。但對(duì)打樁隊(duì)伍的素質(zhì)要求較高，并且在施工前，要制訂切實(shí)可行的詳細(xì)施工方案。