静压预应力混凝土管桩在工程应用中的研究

2010-08-29陈焕文

化工设计通讯 2010年1期

关键词：粘性砂土管桩

陈焕文

(湖南建工集团总公司,长沙 410007)

静压预应力混凝土管桩在工程应用中的研究

陈焕文

(湖南建工集团总公司,长沙 410007)

针对城市锤击送桩噪音控制,使静压桩得到广泛的应用。为此对静压预应力混凝土管桩的应用情况进行研究,采用静载试验+PDA高应变检测,对常用的φ400、φ500静压预应力管桩,在不同地质条件、不同歇后恢复时间、不同施工控制参数下的极限承载力进行试验研究。经统计分析后提出主要土(岩)层桩的极限端阻力和极限侧阻力指标,并根据工程实际情况,提出静压预应力混凝土管桩施工控制参数、质量检测等要求。

静压预应力;混凝土管桩;应用

1 项目研究主要目的

对城市锤击送桩噪音的控制,使静压桩得到广泛地应用。本课题对静压预应力混凝土管桩的应用情况进行研究,采用静载试验+PDA高应变检测+应力应变检测相结合的方法,对目前使用最多的φ400、φ500静压预应力(高强)混凝土管桩,在不同地质条件、不同歇后恢复时间、不同施工控制参数下的极限承载力进行试验研究,深入研究预应力混凝土管桩的工作状况,经统计分析后提出主要土(岩)层采用静压桩的极限端阻力和极限侧阻力指标,并根据工程实际情况,提出静压预应力混凝土管桩施工控制参数、质量控制要点及质量验收检测方案。

2 研究内容

2.1 试验内容

(1)记录静压预应力混凝土管桩施工时每米的施工压力值;

(2)记录施工压力值达到计划终压值80%时的桩长及三次复压桩的沉降量;

(3)记录施工压力值达到计划终压值的桩长及三次复压桩的沉降量;

(4)静载检测

(5)PDA高应变检测

前3步数据是为找出“施工压力值”、“复压沉降量”、“承载力”三者之间的关系。“复压沉降量”是桩在按预定施工压力值复压时,对绑在桩上卷尺段采用水准仪器测量计算所得。

2.2 试验数据

2005年至2007年按照试验方案,共取得45根桩的有效数据。其中φ400桩21根、φ500桩20根,φ600桩4根,基桩检测基本情况见表1。

表1 工地选取预应力管桩的承载力(kN)

2.3 静压管桩工作机理及试验分析

静压桩承载力是由桩侧阻力和桩端土阻力组成的,与桩周土的物理力学性能有着密切的关系。桩正常使用时或静载检测时的承载力一般以桩侧阻力为主。静压桩的入土过程,是桩在施工压力作用下克服桩侧阻力,在桩尖土形成冲剪破坏的过程。静压桩施工时,桩侧阻力占施工压力的比例较低,施工压力主要作用对桩尖土的压密与冲剪破坏,静压桩施工对桩周土物理力学性能产生了很大的影响。

可见,在桩施工时施加的力与桩正常使用可提供的承载力之间的关系非常复杂。因此,对静压桩从施工到正常使用的工作机理进行对比研究,是充分合理利用静压预应力混凝土管桩承载力,避免质量隐患的根本。

2.3.1 侧阻力的歇后恢复性能

静压桩施工过程中,前面大部分桩长的施工,施工压力较低,且压力增加也很缓慢,但到了最后几米时,施工压力迅速升高。通过对施工压力记录统计可以看出,最后几米施工增长的施工压力占总施工压力的比例是较大的。桩施工时桩侧阻力占施工压力的比例是较低的。

主要原因是:

(1)在压桩过程中,桩尖将土体侧向挤压,使桩侧土体形成重塑区,特别是粘性土,土体在挤压重塑时产生超孔隙水压力,扰动了土体结构,降低了土体抗剪强度,减少了摩擦力;

(2)成柱时间较短,桩土间内聚力未恢复;

(3)施工时桩土相对运动速度较快,桩侧土给桩施加的阻力是动摩控力。

而在静压桩正常使用时,桩侧阻力与施工时的侧阻力相比有了很大变化;

①随着时间的推移,超孔隙水压力逐渐消散,土体重新固结,土体抗剪强度逐渐恢复并提高,提高了桩的侧阻力。

②桩土间内聚力基本恢复。

③桩正常使用时桩土相对运动速度很慢,桩土近似相对静止,桩侧土提供的是静摩擦力。

因此桩施工时遇到的土侧阻力于大大低于静载检测时土侧阻力。

由此可见,静压桩侧阻力的歇后恢复性能主要源自于超孔隙水压力逐渐消散,土体重新固结,土体抗剪强度逐渐的恢复和提高、桩土间内聚力的提高。

静压桩侧阻力的歇后恢复性能影响因素较多,粘性土与砂土的歇后恢复性能差别也很大。一方面是:砂土不产生超孔隙水压力,而粘性土透水性差,超孔隙水压力消散较慢;另一方面是:砂土与桩之间没有内聚力。

a.对于粘性土

由于超孔隙水压力逐渐消散,土体重新固结,土体抗剪强度逐渐恢复、提高,桩土间内聚力也不断提高。桩土间内聚力一般为10～100kPa,桩土间内聚力的提高时间较长,但其主要部分在1h内就完成了恢复。土体抗剪强度的恢复和提高所需时间较长,一般需要20～30d,透水性差的需要的时间更长。以上就是为什么有的桩承载力长时间不断提高的原因,也是有的桩停一停就压不下的原因。

采用应力应变研究中的数据,用歇后90d左右,歇后135d左右的粘性土侧阻力与歇后45d左右的粘性土侧阻力相比,得到桩机侧粘性土侧阻力的歇后恢复系数见下表2。

表2 桩侧粘性土侧阻力的歇后恢复系数

b.对于砂土

由于颗粒较大,孔隙比较大、透水性较强,在桩施工时桩侧土不会形成重塑区,也不产生超孔水压力,砂土的挤密,提高了砂土的抗剪强度,也提高挤压应力σr,根据式(4-1-5)可知桩侧阻力也提高了。

施工完成后,桩侧挤密的砂土层颗粒结构重组,颗粒孔隙比增大,逐渐恢复到施工前状态,砂土的抗剪强度降低,土的泊松比减小,使土层自重应力产生的侧压力σc和施工挤土产生的挤压应力σr均减小,减小了桩土间有效压力也就减小桩侧阻力。

由于颗粒较大,孔隙比较大,使砂土侧摩阻力歇后减小较多且较快。同样采用应力应变研究中的数据,用歇后90d左右、歇后135d左右的砂性土侧阻力与歇后45d左右的砂性土侧阻力相对比,得到桩侧砂性土侧阻力的歇后恢复系数见下表3。

表3 桩侧砂性土侧阻力的歇后恢复系数

综合表2、表3中的数据,各土层歇后恢复系数平均值如下表4。

综合以上数据可以得出以下结论:

a)砂性土层土侧阻力歇后恢复呈减小趋势,90d左右已基本稳定,砂颗粒越大,孔隙比越大,减小的比例越大,中粗砂土侧阻力减小至歇后恢复45d时的80%左右,砾砂土侧阻力减小至歇后恢复45d时的40%左右;

表4 各土层歇后恢复系数

b)粘性土层侧阻力歇后恢复呈增大趋势,相对于歇后恢复45d时的承载力有15%～30%左右的增加,但该过程时间较长;

c)介于以上两种之间的土,土侧阻力歇后恢复性能是这两种土歇后恢复性能的综合。如砾质粘性土,土侧阻力的变化90d左右已基本稳定,该时的土侧阻力较歇后恢复45d时的略有减小。

2.3.2 桩端土阻力

静压桩的施工,施工压力主要作用于桩尖,使桩尖土体不断压密,并产生冲剪破坏,将桩压入土中。静压桩由于入土性能较差,一般承载力以摩擦力为主,桩端阻力相对较小。

在静压桩的应力应变研究中可以看出,桩端阻力在桩破坏前及破坏的那一级加载中是不稳定的,变化也很大,不同桩、不同的加载分级、不同的加载速度对桩端阻力的影响也很大,因此,对桩端阻力的准确研究较为困难。

本课题对桩端阻力的研究以定性为主,主要研究静压桩的施工控制。

桩端阻力的歇后恢复性能,静压桩施工时的桩端阻力与正常使用时的桩端阻力主要影响因素大不相同。

(1)对于粘性土

由于桩下沉速度较快,土体压密过程来不及排水,产生超孔隙水压力,尽管孔隙水压力减少了桩底的有效压力,但超孔隙水压力破坏了土体结构,降低了土体抗剪强度,在桩端形成塑性区,因此,静压桩在粘性土中施工时的桩端阻力较小,施工贯入度较大。

粘性土抗剪强度较砂性土低,破坏后恢复时间较长,且恢复后的抗剪强度仍会较破坏前低。

(2)对于砂土

桩底压密过程中,由于颗粒较大,孔隙比较大、透水性较强,在桩施工时不会形成重塑区,也不产生超孔隙水压力,砂土的压密,大大提高砂土的抗剪强度,使桩端部底面压力骤升。在有砂土层的地质情况下施工的静压桩可以看出,静压桩施工进入砂土层和穿过砂土层时,施工压力都可以看到明显的变化。穿过砂土层进入粘性土层后,施工压力又骤降,基本回到进入砂土层前时的施工压力。

而在正常使用时,桩端挤密的砂土层颗粒结构重组,该重组速度较快,特别是颗粒孔隙比较大的,重组速度更快,一般1h左右就有明显变化。所以静压桩施工进入砂土层时施工压力聚升,当砂土层较厚、较密时甚至无法压入、穿过。但是,停一停后又可继续压入,和继续难以压入,如此反复。

当遇到硬夹层时、或砂土层虽不厚,但桩径较大,施工压力较小时也会发生类似情况,不同的是:反复几次施压穿过后,一般会有较大的压入量。

砾质粘性土、全风化土(标贯击数大于30击的砾质粘性土)可看成是粘性土、砂性土的混合体来分析。综合粘性土、砂性土的情况可知,砾质粘性土、全风化土的桩端阻力歇后性能是一个减弱的过程。

采用应力应变研究中的数据,用歇后90d左右、歇后135d左右的砾质粘性土、全风化土的桩端阻力与歇后45d左右的桩端阻力相对比,得到砾质粘性土、全风化土桩端阻力的歇后恢复系数见下表5。

表5 桩端阻力的歇后恢复

表中数据5#桩歇后93d的桩端阻力只有歇后45d桩端阻力的23%,分析可能是第一次静载检测沉降较大,对桩端持力层的扰动较大造成的。剔除此数据可以看出:

①砾质粘性土、全风化土的桩端阻力随时间的推移存在下降趋势;

②歇后135d左右的桩端阻力是歇后45d左右的桩端阻力的50%左右。

2.3.3 桩施工挤土问题对桩桩端阻力的影响

预应力管桩的施工产生挤土作用,使桩周土体挤压、密实度提高。当桩布置较密、桩径较大时,在预应力管桩的施工现场,我们可以看到后施工的桩一般比先施工的桩难以压入土体;施工后的地面明显隆起等现象。在个别工程基桩检测不合格时,由于这些现象的存在,往往把检测不合格的原因归咎于桩施工的挤土作用,使桩上浮,从而降低了桩承载力。

3 研究成果

3.1 歇后恢复性能

3.1.1 对于侧摩阻力的歇后恢复性能,得出了以下结论:

(1)砂性土侧摩阻力歇后恢复呈减小趋势;90d左右已基本稳定,颗粒越较大,孔隙比越大,减小的比例越大,中粗砂土侧摩阻力减小至歇后恢复45d时的80%左右,砾砂土侧摩阻力减小至歇后恢复45d时的40%左右。

(2)粘性土侧摩阻力歇后恢复呈增大趋势,相对于歇后恢复45d时的承载力有15%～30%左右的增加,但该过程时间较长。

(3)介入以上两种之间的土,土侧摩阻力歇后恢复性能是上述两种土歇后恢复性能的综合。如砾质粘性土,土侧摩阻力的变化90d左右已基本稳定,该时的土侧摩阻力较歇后恢复45d时的略有减小。

3.1.2 对于桩端阻力的歇后恢复性能,得出以下结论:

(1)砾质粘性土、全风化土的桩端阻力随时间的推移存在下降趋势;

(2)歇后135d左右的桩端阻力是歇后45d左右的桩端阻力的50%左右。

3.2 设计土层极限承载力的选取

(1)提出了砂质粘性土的极限侧阻力计算公式y =13.36x-60.8(x≥8m),建议砂质粘性土的极限侧阻力按70kPa取值,从10m开始计,埋深增加1m,极限侧阻力增加13kPa。

(2)提出了砾质粘性土的极限侧阻力取值范围为80～140kPa,建议深度15m时按100kPa取值。通过应力应变检测,还获得了下列数据提供参考。

①人工填土的极限侧阻力为0kPa;

②淤泥质土的极限侧阻力为40kPa;

③中粗砂的极限侧阻力为72～75kPa;

④粘性土中砂的极限侧阻力为126～147kPa;

⑤砾砂的极限侧阻力为71～78kPa;

⑥砾质粘性土的极限侧阻力为156～195kPa;

⑦砾质粘性土的极限端阻力为891～1596kPa;

⑧全风化的极限端阻力为1251kPa;

⑨强风化极限端阻力为10739kPa。

3.3 预应力管桩的设计、施工控制中应注意的问题

(1)采用静压法施工时,如遇到对承载力不利因素时应提高施工终止压力,同地,必须使根据施工情况、地质情况及有关规范(或经验)计算得的桩承载力基本达到设计承载力要求;

(2)避免采用短桩;

(3)避免用砂层或硬夹层作桩端持力层;

(4)当砂层或硬夹层的下卧层较弱,穿透时应避免大压力施工;

(5)注意砂层侧摩阻力减弱问题。

3.4 预应力混凝土管桩的质量验收检测的建议要求

(1)地基基础设计等级为甲级的桩基工程和地质情况复杂的乙级桩基工程,应采取施工前试桩检测——施工过程监测——验收检测三个环节对质量进行综合检测。施工前试桩采用高应变(PDA)监控+静载的方法进行,试桩数量:高应变(PDA)监控不少于总桩数的1%,静载试验根据高应变(PDA)监控情况选不少于3根。施工过程中应选取一定数量桩进行桩顶位移监测。验收检测可采用PDA高应变检测(检测比例5%)与PIT低应变检测(检测比例20%)相结合也可根据工程施工情况选取一定数量的桩做静载试验。

(2)一般场地的乙级桩基工程和丙级桩基工程,桩身完整性检测可不做。承载力检测,锤击法施工的可采用高应变法检测,静压法施工的桩若承载力存在疑问的(如桩短、持力层不稳定等)应做静载试验。

(3)对所有桩身质量有怀疑的桩及周边可能影响到的桩匀应做PIT低应变检测。