軟土地基管樁處理與施工工藝研究

覃燕林

(廣西柳州市水務(wù)投資集團(tuán)有限公司， 廣西 柳州 545001)

0 引 言

軟土主要分布在我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)建設(shè)項目較多的南方地區(qū),在該土層上進(jìn)行地基施工必須克服其含水量大壓縮性強(qiáng)的缺點[1,2]。為了解決軟土承載力不足的問題,一般選擇承載力高、抗剪性能好的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁來構(gòu)建建筑的樁基。通過將預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的樁尖深入到地下土層或巖層中,樁承受的上部荷載可以傳遞到承載力好的深層硬土或者巖石中,以保證建筑的穩(wěn)定性[3]。

如今,多數(shù)項目選擇靜壓樁施工工藝,施工順序多數(shù)是從中間向四周沉樁。本文提出一種由四周向中心打樁的沉樁方案,充分利用沉樁過程中的擠土效應(yīng),減少樁的長度和樁徑,達(dá)到降低成本的目的。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁

1.1 預(yù)應(yīng)力管樁的類型

預(yù)應(yīng)力管樁主要分為:預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(the prestressed concrete,PC樁)和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(the prestressed high-intensity concrete,PHC樁),兩者的特點和區(qū)別見表1。根據(jù)管樁的直徑和抗彎性能,可以將管樁劃分為不同的規(guī)格和類型。

表1 PC樁和PHC樁的特點

1.2 預(yù)應(yīng)力管樁樁型的選擇

樁型的選型需綜合考慮建筑物的荷載、施工工期和技術(shù)能力、項目所在地的地質(zhì)條件和水文特征、方案的經(jīng)濟(jì)性、施工的環(huán)境影響等因素。

樁的位置分布主要考慮:樁中心之間的距離應(yīng)滿足規(guī)范要求,保證樁群承載力的合力點和長期荷載重心相互重疊,同一種結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)中盡量采用同一樁型。另外,對于樁箱工程基礎(chǔ)優(yōu)先選擇將樁布置在墻體的下方;對于帶梁(肋)樁筏的基礎(chǔ)優(yōu)先把樁布置在梁(肋)下;對于大直徑的樁基礎(chǔ)推薦采用樁接柱的方式。

1.3 預(yù)應(yīng)力管樁設(shè)計計算方法

預(yù)應(yīng)力管樁的基礎(chǔ)設(shè)計時,為了使得計算結(jié)果接近于實際情況,便于控制裂縫的發(fā)展,需要分別驗算極限狀態(tài)下管樁的位移、抗裂、抗剪等特性。對于管樁的澆注地點位于河流附近或坡地以及其他需要嚴(yán)格控制管樁的位移計沉降量的施工區(qū)域時,需要計算管樁的沉降量和變形情況;位于抗震地區(qū)的管樁應(yīng)驗算其抗震承載力。

2 預(yù)應(yīng)力管樁力學(xué)性能分析

在實際的工程中,可以選擇多種計算方法[4],根據(jù)樁身自身的強(qiáng)度或項目地點土的強(qiáng)度和變形情況確定單樁豎向的承載力。管樁的水平承載力的數(shù)值要遠(yuǎn)小于豎向的承載力,常用的計算水平承載性狀的方法包括靜載荷試驗法或經(jīng)驗公式法。

管樁樁側(cè)阻力產(chǎn)生的過程:當(dāng)管樁上部的荷載較小時,管樁附近的土體與樁之間不出現(xiàn)位移。隨著荷載的增大,會出現(xiàn)相對位移,樁周附近的土?xí)l(fā)生剪切變形。與此同時,上部荷載的增大會增大樁身周圍各截面的位移,當(dāng)某一截面位移量超過周圍土體的極限變形值后,管樁周圍的土體只能提供相應(yīng)的摩擦阻力。

3 預(yù)應(yīng)力管樁的擠土效應(yīng)

管樁的下沉?xí)茐脑械耐馏w結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài),該現(xiàn)象叫作擠土效應(yīng)。該現(xiàn)象會增大基坑的塌陷面積和位移偏移量,繼而直接影響到附近原有建筑物地基的穩(wěn)定性,或?qū)е乱呀?jīng)完成的管樁的上浮或傾斜甚至成為浮樁。

在施工過程中,若打樁的速度過快或施工順序及工藝控制不科學(xué)容易加劇擠土效應(yīng),一般采用擠土密度,來定量地表征擠土現(xiàn)象的程度。橋土密度的計算公式如。

(1)

式中：ρ為預(yù)應(yīng)力管樁的擠土密度;D、d、L、Lp分別為管樁的外徑、內(nèi)徑、入土長度、土塞長度。

對于同類地質(zhì)結(jié)構(gòu),管樁在下沉過程中產(chǎn)生的樁側(cè)摩阻力與擠土密度成正比。擠土效應(yīng)能夠明顯地提高管樁外壁的摩阻力及其承載力。經(jīng)過計算可以得到一個臨界的管樁直徑值,可以讓管樁得到最大的單位承載力,采用該管樁直徑值就可以讓工程兼顧經(jīng)濟(jì)性和規(guī)范要求。

4 案例分析

為了合理地利用因管樁施工導(dǎo)致的土體之間的擠壓力,結(jié)合位于軟土地基上的某高速公路項目,分析利用土體擠壓力施工的可行性。

4.1 施工方法

靜壓樁具有噪聲、振動、沖擊力小的優(yōu)點且能夠提供全面的施工參數(shù),一般選擇該方式進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的施工,靜壓樁的施工工藝流程圖如圖1所示。

圖1 靜壓樁的施工流程

4.2 管樁從四周向中間施工分析

為了便于分析預(yù)應(yīng)力混凝土管樁從四周向中間施工的可行性,將實際工程中的地質(zhì)條件和土體進(jìn)行理想化的假設(shè):假設(shè)土體為單一土體結(jié)構(gòu),且在管樁擠土效應(yīng)下土體結(jié)構(gòu)受到的剪切破壞不明顯。在該前提下,沉樁的過程中管樁單樁承載力包括:樁體與土體的摩擦力和土體被擠壓后擠密土體的端成力。因此,可以在單根樁達(dá)到設(shè)計承載力的要求和土體可以承受的最大剪切破壞值之前停止沉樁。

該項目所在地為均質(zhì)淤泥粉質(zhì)黏土,土體變形模量E0和黏聚力c分別為32 MPa和11 kPa,破壞面上的法向力σ=210 kPa,土的內(nèi)摩擦角φ=26°。樁長為 15 m,單樁的抗壓荷載值為2 300 kN。

根據(jù)總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度公式,當(dāng)土體受到的剪切破壞強(qiáng)度τf=103 kPa,管樁沉至15 m時,土體不會受到剪切力的破壞。土樣破壞面與最大主應(yīng)力作用面的水平夾角為α=57.5°。由于完成第1圈沉樁后,土體受到擠壓,土體密度增大,此時土體黏聚力c達(dá)到11.5 kPa,內(nèi)摩擦角φ增大到27°。第2圈管樁沉樁時,依然保持原有的單樁荷載,則τf=108 kPa,α=48°。

根據(jù)以上計算可得,隨著剪切破壞力的增加,夾角α也隨之增大,則兩次破壞面交叉點的上移高度h=0.71 m；同理,在進(jìn)行第2圈沉樁時至少可以少下沉 0.71 m。以此類推,得到第3和第4圈沉樁后,剪切破裂面的變化位置,見表2。可以發(fā)現(xiàn):在每次沉樁后,下一圈管樁的下沉深度會相應(yīng)地減小。

表2 管樁下沉過程中τf與α和h的關(guān)系

綜合以上分析,采用從四周到中間的順序沉樁可以充分利用該施工順序產(chǎn)生的擠土效應(yīng),通過增加土體的密度,提高土體的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c。由于該施工方式利用了擠土效應(yīng),從四周至中間需要管樁的長度逐漸減小,經(jīng)過模型計算和實際應(yīng)用,可以得到在均質(zhì)土中該施工工藝可行,可以兼顧工程的是經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合軟土地基上的某高速公路項目,利用擠土效應(yīng)對管樁的力學(xué)特性進(jìn)行分析,提出了管樁施工由四周向中間施工的方法。相比于傳統(tǒng)的施工工藝,該方案可以通過縮短管樁的長度來兼顧施工的規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)性。