深厚软土中PHC桩可行性试验研究

李树润

1 试桩目的

上海某钢厂1 780 mm热轧厂,根据场地勘察揭示,场地内主要是深厚层状的软土,根据场地的地层条件及上部荷载的情况,拟采用PHC桩基础,大部分建筑物的桩端持力层需选择埋深55 m以下的⑧3层(粉质黏土夹粉土)、⑨1-1(砂质粉土)、⑨1-2(粉细砂),由于场地附近以前未做过类似的预制桩施工,故需要进行试桩,试打PHC400型的长桩,目的是确定其是否可用作热轧厂工程的桩型,确定桩端持力层,并取得打桩施工的各项参数,确定合适的沉桩工艺。

2 试桩处的场地地层概况

试桩场地的地层分布如表1所示。

3 试桩的设定

3.1 试桩的桩型和规格

1)试桩采用PHC400型桩,其高强度混凝土为C80级。2)桩尖均采用“加靴”钢桩尖。3)桩身的长度根据钻探的地质资料设定。每节的最大长度,第一次试打采用12 m,第二次试打采用10 m。

3.2 试桩用桩锤

试桩分两次进行,第一次试打选用4.5 t的柴油桩锤施工,当第一根桩打入困难时,即改用6 t级的柴油桩锤施工。第二次试打选用6.2 t的柴油桩锤施工。

3.3 试桩的停打

第一次试桩的停打要求当最后10击的贯入度小于1 mm/击时或桩身出现损坏时均为可停锤。

第二次试桩的停打要求当最后10击的贯入度小于4 mm/击时或桩身出现损坏时均可停锤。

4 打桩结果

4.1 打桩入土与锤击状况

1)根据打桩情况绘制出试桩的入土深度、土层分布、进入土中不同深度的总锤击数和每米的锤击数关系曲线。

2)第一次试桩施打,用4 t柴油锤施打,四根桩桩端均入土至68.1 m,达到了设计的要求。

打桩的总锤击数为1 838击～1 912击,平均为1 879击,最终10击的平均贯入度为4 mm/击～5 mm/击。桩端在第⑧2层粉质黏土层中的锤击数平均为27.9击/m,进入第⑧3层粉质黏土夹粉土层中的锤击数平均为64.8击/m,进入第⑨1-1层砂质粉土层中的锤击数平均为114.7击/m。

因设定桩长时参考的工程地质钻孔资料钻入第⑨1-1层7.65 m未钻透,故确定将桩端进入第⑨1-1层砂质粉土层中4 m～5 m。

3)第二次试桩施打,用6.2 t柴油锤施打,五根桩桩端的入土深度为67.8 m～72 m。除BM1桩达到了距要求深度0.8 m时,平均每击贯入度小至1.6 mm而停打外,其余四根桩均达到了设计要求的深度。

打桩的总锤击数为639击～1 603击,平均为957击,最终10击的平均贯入度为1.8 mm/击～18 mm/击。桩端在进入第⑧3层粉质黏土夹粉土层中的锤击数平均为29.8击/m,进入第⑨1-1层砂质粉土层中的锤击数平均为50.3击/m,当桩端进入第⑨1-2层粉细砂层中时,锤击数可达100击/m以上。

表1 各主要土层的顶面深度 m

4.2 桩的工程质量前提保证

1)打入土中的桩,均有出厂产品质量合格证。桩接头的焊接材料有产品证书。2)施工过程中,由施工监理人员在现场进行检查。打桩前,对桩身的质量进行了检查,接头焊缝的质量也经过了检查。3)第一次试桩完成后,对露出基础中的1.2 m长桩身进行目视检查,未发现有裂纹或破损现象。第二次试桩完成后,露出地面的桩身经目视检查,也未发现有裂纹或破损现象。

4.3 桩身高应变检测

1)第二次试打五根桩,在最后0.7 m～1.0 m长的桩身入土前,均按有关规定进行了高应变检测,判定桩身的完整性。2)检测单位根据检测结果认为,BM1桩、BM2桩、BM4桩和 BM5桩均属完整桩;BM3桩在距桩顶3 m附近存在轻度缺陷,该处的完整系数为0.91。

5 试桩成果的分析

5.1 试桩的代表性

两次试桩均在距1 780 mm热轧厂房周围的场地上,其工程地质状况已涵盖了热轧工程的土质性能,且第⑨1-1层砂质粉土层和⑨1-2层粉细砂层的顶面深度比较接近,故试桩的结果具有一定的代表性。

5.2 桩锤的选择

两次试打的实施表明,在地基条件基本相同的条件下,用4.5 t柴油锤和6.2 t柴油锤施打入土中约70 m深的PHC400型桩,其效果差异颇大。以6.2 t柴油锤施打的锤击数,几乎为以4.5 t柴油锤施打的1/2。以较大的6.2 t柴油锤施打,不仅没有对桩身造成损坏,反而因打击次数少,且打击能量迅速转化为桩的贯入,降低了桩身损坏的可能。同时,重锤施打也缩短了打桩时间,可以加快施工速度,充分显示了打桩工作采用重锤轻击的效果。因此,工程施打PHC400型桩宜采用 6.2 t柴油锤,施打PHC500型桩和PHC600型桩时,也可借鉴采用类似的方法加大锤重。

5.3 桩身的构造

本次试桩桩身入土比较顺利的原因与所用桩尖的构造有密切的关系。以与桩身同等直径的短钢管作为桩尖,在其端部外侧再增焊一管箍作为桩靴,是吸取了宝钢使用钢管桩的经验设计的。在宝钢钢管桩的施工中,这种构造对改善桩端在较硬土层中的贯入曾起到相当大的作用。其工作机理就是因为桩尖略大于桩身,桩身在硬土层中贯入时,减小了桩侧的摩阻力。

5.4 持力层的选择

表2 桩端进入不同土层中的平均锤击数(m/击)和进入持力层的最终贯入度

1)打桩桩端进入土层时的贯入状况,直接反映出土质软硬的程度,故可以作为确定或检测桩端持力层的依据之一。2)表2列出了各桩桩端进入不同土层中,每贯入1 m的平均锤击数,以及进入持力层的最终贯入度。3)从表2及依打桩情况绘制的曲线都可以看出,桩端进入第⑧3层粉质黏土夹粉土层中的锤击数,大致相当于在第⑧2层粉质黏土层中的两倍;而在进入第⑨1-1层砂质粉土层中的锤击数,又大致相当于在第⑧3层粉质夹粉土层中的两倍。表明第⑨1-1层砂质粉土层的土质要比第⑧3层粉质黏土夹粉土层和第⑧2层粉质黏土层好得多,选择的桩锤是顺利施工的重要因素之一。

从表2中的BM1桩和BM3桩可能进入第⑨1-2层粉细砂层的锤击数,比在第⑨1-1层砂质粉土层中又高出甚多的结果来看,在第⑨1-2层粉细砂层应为最好的长桩持力层。第⑨1-1层砂质粉土层的土质比第⑨1-2层粉细砂层略差,可作为第二位选择的长桩持力层。

6 结语

1)两次试桩证明,报告书建议采用PHC型预应力高强度混凝土离心管桩,作为1 780 mm热轧工程中长度为65 m～75 m的长桩使用是可行的。2)桩端持力层的选择。⑧3层作为对荷载大且变形要求敏感的建筑物采用预制桩(PHC桩)的桩端较好持力层,但由于该层均匀性差,属不均匀的地基土,桩端应进入该层一定深度为宜,桩的停打原则应同时考虑贯入度和桩端设计标高。

平均顶板埋深在65 m以下的粉(砂)性土(⑨1-1,⑨1-2,⑨2)层性能好,分布连续,累计厚度大可作为对荷载大且对变形要求严格的建(构)筑物采用预制桩(PHC桩或钢管桩)的桩端理想持力层。

但由于上部粉质黏土夹粉土⑧3层的存在,故桩端不易穿透该层而进入⑨层,设计和施工时均应根据地层分布规律采取有效措施。3)沉桩的可行性分析。当选用⑧3层作为预制桩的桩端持力层时,若采用与之相匹配的桩机、桩锤以及合适的施工顺序,通常不会对沉桩带来难度,但由于⑥,⑦1层的存在,故宜采用高强度预应力管桩(PHC桩)。根据试验结果,当选用⑨层作为预制桩或钢管桩的桩端持力层时,则桩基施工中,打桩宜选用6.2 t柴油锤重锤轻击施工,尤其对⑧3层厚的地段更应如此。在设计时应考虑桩身强度能否满足要求,并考虑锤型与地质条件关系,选择合适的沉桩设备,提高桩与桩之间焊接质量,以免截桩、碎桩给施工带来困难。打入困难时,建议采取桩尖端加“靴”等措施。4)每桩节的长度不宜超过10 m。桩端宜选用带“靴”桩尖。5)严格监督和检查制度,以保证桩的工程质量。

[1] 吴晓霞.PHC管桩施工方案[J].山西建筑,2009,35(8):128-130.