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摘 要:本文結(jié)合工程實(shí)例,分析土方開挖造成基樁偏斜的成因,采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像技術(shù)準(zhǔn)確評(píng)定樁身斷裂情況,計(jì)算分析偏心荷載作用下基樁豎向承載力,為設(shè)計(jì)人員處理基樁偏斜事故提供有益的借鑒。
關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力混凝土管樁 基樁偏斜 孔內(nèi)攝像 豎向承載力
1 引言
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC樁)是我省當(dāng)前建設(shè)工程中使用最為廣泛的樁基類型。由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的壁較薄,抵御水平荷載的能力較差,常會(huì)因?yàn)闃痘┕せ颥F(xiàn)場(chǎng)基坑開挖不當(dāng)造成基樁偏斜,導(dǎo)致基樁樁身斷裂等質(zhì)量事故發(fā)生,嚴(yán)重影響基樁的豎向承載力,無法滿足設(shè)計(jì)要求。如何正確分析基樁偏斜事故的原因,準(zhǔn)確評(píng)定樁身斷裂情況,分析基樁豎向承載力的影響程度,成為設(shè)計(jì)人員在事故處理中必須解決的問題。本文結(jié)合工程實(shí)例,分析造成基樁偏斜的原因,采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像技術(shù)準(zhǔn)確評(píng)定樁身斷裂情況,計(jì)算分析偏心荷載作用下基樁豎向承載力,為設(shè)計(jì)人員處理基樁偏斜事故提供有益的借鑒。
2 工程概況
某電廠鍋爐房工程,樁基礎(chǔ)采用PHC樁,樁徑500mm,壁厚100mm,設(shè)計(jì)樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,采用靜壓法施工。場(chǎng)地土層分布為:
1.素填土:松散狀,干～稍濕,厚度2.6～3.8m;
2.淤泥:飽和,軟塑,厚度5.3～11.1m;
3.中砂:松散～中密,飽和,厚度0.5～6.8m;
4.粉質(zhì)粘土:飽和,可塑～硬塑,厚度0.5～3.8m;
5.淤泥質(zhì)土層:飽和,軟塑,厚度0.9～2.1m;
6.殘積砂質(zhì)粘土:濕,可塑～硬塑,厚度1.7～11.0m;
7.全風(fēng)化花崗巖:濕,堅(jiān)硬,厚度0.4～15.7m;
8.強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:濕,堅(jiān)硬,厚度2.2～19.5m。
9.微風(fēng)化花崗巖:巖體基本等級(jí)為II級(jí),部分揭露。
各土層物理力學(xué)指標(biāo)和設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)見表1。
該工程基樁施工時(shí),樁頂未按設(shè)計(jì)要求壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高,樁頭露出開挖面1～2m左右,基坑開挖深度為2.5m,未采取任何措施一挖到底。當(dāng)基坑土方開挖全部結(jié)束后砍樁之前,發(fā)現(xiàn)部分基樁發(fā)生偏斜,基坑周邊的基樁偏斜較為嚴(yán)重,最大偏斜量達(dá)到1000mm,基坑中部基樁偏斜較小或沒有偏斜。經(jīng)基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢測(cè),總樁數(shù)為83根,其中Ⅰ類樁38根,占46%;Ⅱ類樁14根,占17%;Ⅲ類樁31根,占37%,斷裂位置均在樁頂下8～9m左右。
3 基樁偏斜的原因
設(shè)計(jì)要求承臺(tái)開挖深度為2.5m,基坑開挖后形成的臨空面較高,一方面由于上部土層均為新近填土,土體松散、欠固結(jié)、含水量高,又加上場(chǎng)地連日下雨,土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性明顯降低;另一方面由于樁基施工,引起地基土一定程度的擾動(dòng),基坑底面淤泥層靈敏度高,受擾動(dòng)后強(qiáng)度明顯下降;更為主要的是樁基施工時(shí)所產(chǎn)生的擠土效應(yīng),使得樁側(cè)土的側(cè)向推力明顯增大。
由于PHC樁的壁較薄,抵御水平荷載的能力較差,在較大的側(cè)向主動(dòng)土壓力和擠土效應(yīng)產(chǎn)生的側(cè)向推力的作用下,樁極易產(chǎn)生側(cè)向位移,當(dāng)側(cè)向位移量超過一定數(shù)量時(shí),PHC樁樁身將出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)測(cè)出部分基樁出現(xiàn)偏斜,基坑周邊的基樁偏斜較為嚴(yán)重,證實(shí)了以上偏斜原因的推斷是正確的。偏斜基樁的斷裂均在樁頂下8～9m左右,為基坑下淤泥層與中砂層的交界處,這正是基坑土體側(cè)向力作用下樁身產(chǎn)生最大彎矩的相對(duì)位置。
4 樁身斷裂情況的評(píng)價(jià)
采用基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)能較為準(zhǔn)確地判斷受偏斜的基樁的樁身完整性。但由于低應(yīng)變動(dòng)測(cè)只能進(jìn)行定性判斷,當(dāng)樁身出現(xiàn)裂縫判為Ⅱ或Ⅲ類樁時(shí),無法對(duì)樁身裂縫的寬度進(jìn)行定量分析,因而無法進(jìn)一步對(duì)樁身結(jié)構(gòu)影響程度進(jìn)行分析。本工程采用基樁孔內(nèi)攝像技術(shù)對(duì)樁身裂縫情況進(jìn)行識(shí)別,為樁身結(jié)構(gòu)影響分析提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?；鶚犊變?nèi)攝像技術(shù)方法是:在預(yù)制有樁身豎向孔的預(yù)制樁或鉆有豎向孔的灌注樁上采用防水?dāng)z像頭及其配套設(shè)備按一定的速度對(duì)整根樁或樁身的局部進(jìn)行拍攝,并記錄拍攝過程。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察及后期逐幀觀察,可識(shí)別樁身的缺陷位置、形式及大小,據(jù)此分析樁身的完整性并能準(zhǔn)確定位缺陷位置。所用儀器為福建省建筑科學(xué)研究院研制的GS-1型基樁孔內(nèi)攝像儀,該儀器有較好的防水能力、充足的照度、清晰的成像效果及充足的拍攝時(shí)長(zhǎng)。
基樁孔內(nèi)攝像技術(shù)檢測(cè)樁身完整分類方法為:
Ⅰ類:樁身未發(fā)現(xiàn)可見缺陷;
Ⅱ類:樁身有輕微缺陷;(缺陷寬度較小或?qū)挾戎械鹊珒H局部掃描截面存在);
Ⅲ類:樁身有明顯缺陷;(缺陷寬度中等、全掃描截面存在)
Ⅳ類:樁身存在嚴(yán)重缺陷。(缺陷寬度較大、甚至出現(xiàn)錯(cuò)位)
本次對(duì)有偏斜的動(dòng)測(cè)判為Ⅱ、Ⅲ類樁的基樁進(jìn)行孔內(nèi)攝像試驗(yàn),現(xiàn)將部分典型基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2,部分基樁孔內(nèi)攝像缺陷位置照片見圖1。從結(jié)果對(duì)比情況來看,低應(yīng)變動(dòng)測(cè)確定樁身缺陷的類型和位置與孔內(nèi)攝像實(shí)測(cè)情況基本一致,說明低應(yīng)變動(dòng)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性;部分基樁在低應(yīng)變動(dòng)測(cè)判為Ⅲ類樁時(shí),經(jīng)孔內(nèi)攝像試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)觀察,可識(shí)別樁身的裂縫位置、形式及大小,并根據(jù)實(shí)測(cè)裂縫情況對(duì)樁身完整性類別進(jìn)行修改,從而更為準(zhǔn)確地判斷樁身完整性的類別。通過低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像試驗(yàn)的對(duì)比試驗(yàn),能準(zhǔn)確判別受偏斜基樁的樁身完整性,確定偏斜基樁的可用程度,為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行事故處理提供有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
5 偏斜樁樁身豎向承載力計(jì)算
當(dāng)偏斜基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)判定為Ⅰ、Ⅱ類樁時(shí),其樁身結(jié)構(gòu)基本不受影響,可滿足設(shè)計(jì)要求。然而,樁受偏斜,其樁身豎向承載力肯定受到影響,其影響程度是如何?當(dāng)偏斜量為多少時(shí)對(duì)應(yīng)的樁身豎向承載力為多少?是設(shè)計(jì)人員處理此類事故首要必須解決的問題。
發(fā)生偏斜已經(jīng)產(chǎn)生橫向位移的基樁,其樁身承受豎向荷載的計(jì)算模式可以簡(jiǎn)化為承受豎向荷載又加上一個(gè)偏心矩,這個(gè)偏心矩的大小為豎向荷載與偏心距的乘積,如圖2。此時(shí)樁身的豎向承載力可按文獻(xiàn)[2]中環(huán)形截面偏心受壓構(gòu)件的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,樁身正截面受壓承載力應(yīng)符合以下公式(1)和(2)要求。
式中各符號(hào)的定義詳文獻(xiàn)[2]。文獻(xiàn)[2]的條文解釋說明,運(yùn)用上述公式(1)和(2)不需要區(qū)分大小偏心受壓,式中α表示受壓區(qū)混凝土截面面積與全截面面積的比值。令α=1-i/18,i=0,1,218,依次計(jì)算公式(1)和(2),并使偏心距增大系數(shù)η=1,可得樁頂偏心力、偏心彎矩和相對(duì)應(yīng)的偏心距。也可求得樁身極限彎矩及相應(yīng)的豎向承載力和偏心距。
本工程使用Φ500A型PHC樁,外徑與內(nèi)徑分別為500和300mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80,fc=35.9N/mm2,ftk=3.11N/mm2,混凝土彈性模量Eh=3.8×104N/mm2,預(yù)應(yīng)力鋼筋為10Φ9.0,鋼筋彈性模量Eg=2.0×105N/mm2,鋼筋所在圓的直徑Dp=410mm,有效預(yù)壓應(yīng)力σpc=3.9MPa。將以上已知條件代入公式(1)和(2),并使偏心矩增大系數(shù)η=1,可得樁身豎向承載力、樁身彎矩和相對(duì)應(yīng)的偏心距的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)基樁發(fā)生偏斜,其偏斜量有多少,可從圖中計(jì)算出其單樁樁身豎向極限承載力的對(duì)應(yīng)值。
圖3表明,隨豎向力偏心距的增大,樁身豎向承載力在減小,而樁身彎矩在增大,當(dāng)偏心距達(dá)到173mm時(shí),樁身彎矩達(dá)到極限值293kN.m,隨后,樁身彎矩也隨偏心距的增大而減小。
樁身的豎向極限承載力、抗裂彎矩、極限彎矩等力學(xué)指標(biāo)尚應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)GB13476-1999標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖的要求。
6 偏斜樁處理方案
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基樁偏斜量,采用以上的承載力計(jì)算方法,對(duì)樁身未破壞的Ⅰ、Ⅱ類樁繼續(xù)利用其剩余承載力,計(jì)算出每根樁的實(shí)際豎向承載力。
補(bǔ)樁處理按每個(gè)承臺(tái)進(jìn)行,對(duì)每個(gè)承臺(tái)內(nèi)的各個(gè)基樁實(shí)際承載力進(jìn)行評(píng)定后,得出每個(gè)基樁的豎向承載力特征值,求和得出承臺(tái)群樁的豎向承載力特征值。復(fù)核相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用于承臺(tái)頂面的豎向力與樁基承臺(tái)和承臺(tái)上土自重標(biāo)準(zhǔn)值之和與承臺(tái)群樁的豎向承載力特征值的差值,按照此差值進(jìn)行補(bǔ)樁設(shè)計(jì)。
本工程補(bǔ)樁采用鉆孔灌注樁,根據(jù)承臺(tái)樁基承載力差值進(jìn)行補(bǔ)樁承載力設(shè)計(jì),每個(gè)承臺(tái)補(bǔ)1～2根樁,樁端持力層進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖層0.5m。
7 結(jié)語
⑴場(chǎng)地工程地質(zhì)情況、樁基施工及基坑開挖措施是本工程造成部分基樁偏斜的主要原因。在受樁基施工擾動(dòng)的欠固結(jié)新填土和軟土層進(jìn)行基坑開挖施工時(shí),應(yīng)采取必要的措施,方能保證基坑內(nèi)基樁的安全。
⑵采用基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和基樁孔內(nèi)攝像技術(shù)聯(lián)合試驗(yàn),可識(shí)別樁身的裂縫位置、形式及大小,能準(zhǔn)確判別受偏斜基樁的樁身完整性類別,確定偏斜基樁的可用程度,為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行事故處理提供有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
⑶運(yùn)用本文對(duì)偏斜樁樁身豎向承載力的計(jì)算方法,可得預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁在偏心荷載作用下樁身豎向極限承載力、樁身彎矩和相對(duì)應(yīng)的偏心距關(guān)系曲線,為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)偏斜樁豎向承載力提供直觀、有效的手段。
⑷本文對(duì)偏斜PHC樁的分析方法也適用偏心荷載作用下其他類型的樁。
8 參考文獻(xiàn)
1.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》(GB13476-1999)[S]
2.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)[S]
3.張耀年,橫向受荷樁的通解[J]巖土工程學(xué)報(bào),1998年第20卷第1期,pp84～86
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