利用静力触探指标合理选择预制桩型的探讨

张瑞松 浙江省天正设计工程有限公司 杭州 310012

利用静力触探指标合理选择预制桩型的探讨

张瑞松＊浙江省天正设计工程有限公司 杭州 310012

当工程设计采用混凝土预制桩时,对于以黏性土、粉土、砂土为主地基土的非端承桩,可利用静力触探指标确定合理的预制桩身强度及桩型,避免因桩身强度不够或桩端持力层不正确而在施工过程中造成工程事故。

预制桩 静力触探 桩身强度

桩基的设计内容应当包括桩的竖向承载力计算、沉降计算和裂缝控制计算。当然需要进行水平承载力计算时,还要考虑水平位移的计算。其中在桩身竖向承载力的设计中,一般情况下仅需考虑建、构筑物使用阶段的桩身竖向承载力。但对于预制挤土桩来讲,当地基土以黏性土、粉土、砂土为主时,往往在桩基施工时的压桩力或柴油锤的冲击力会超过使用阶段的桩身竖向承载力设计值。若桩身竖向承载力不足会造成两种结果:①强行施工造成桩身破坏;②桩端进入持力层深度不够或根本没到持力层。这容易造成设计人员对此类桩基是否已经满足设计的要求判断不清楚,而且一旦施工已经全面铺开,更换桩型会造成施工进度延误,业主的投资也会造成损失。由于《建筑桩基设计规范》并没有对施工阶段的桩身承载力提供计算公式,因此设计人员一定要在设计阶段就应该对上述情况下的桩自身承载力有量化的判断,才不至于事后被动。笔者结合两个分别使用静压和锤击施工方法的预应力管桩工程,重点讨论静力触探技术指标在桩型选择上的应用。

1 利用静力触探技术确定桩身强度

1.1 采用静压施工方法的实例

杭州某美国独资制药有限公司在杭州下沙经济技术开发区新建生产基地。其中有一包装车间长167.45m,宽92.35m,建筑面积约19900m2,为单层局部两层建筑物。上部采用钢结构,根据生产工艺要求,±0.000标高采用现浇钢筋混凝土楼板并架空,单柱最大荷载标准值约为2600kN。拟建场地的抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅲ类,工程抗震设防类别为丙类。场地地下水(土)对混凝土结构具微腐蚀性,在干湿交替情况下,对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性;对钢结构具微腐蚀性。工程地质勘探报告表明,勘探深度以内的地基土共划分为六个工程地质亚层,其主要土层的物理力学指标见表1(表中的厚度按照地勘资料中的Z41填写,Z41孔口高程为国家85高程5.96 m,±0.000相对标高相当于绝对标高6.20 m,桩顶相对标高为-1.95 m,桩型选用浙江省《先张法预应力混凝土管桩》中的PC 500 AB 100-13)。

根据地勘单位的推荐意见,桩型优先选用经济性较好的预应力混凝土管桩,分别选用Φ400、Φ500两种桩型,分别用规范的原位测试法和经验参数法[1]进行对比分析:

先假定预应力混凝土管桩带闭口型桩尖,按照《建筑桩基技术规范》经验系数法:

Φ400管桩:

Φ500管桩:

表1 土层主要的物理力学指标

若按照《建筑桩基技术规范》中双桥探头静力触探的原位测试法:

Φ400管桩:

Φ500管桩:

综合比较以上的数据,Φ400管桩的单桩竖向极限承载力只有1200kN,而Φ500管桩的单桩竖向极限承载力有1700kN,两者相差41.67%,而市场上的管桩单价差异没有这么大,况且Φ400桩数多,承台大;Φ500桩数少,承台小,所以最后选用了Φ500的桩型。但是按照经验系数法Φ500的桩用浙江省《先张法预应力混凝土管桩》中的PTC-500(65)即可(桩身竖向承载力极限值2219 kN),而按照原位测试法Φ500的桩必须用浙江省《先张法预应力混凝土管桩》中的PC-500 (100)才行(桩身竖向承载力极限值3991kN)。根据施工单位的现场施工纪录,Φ500桩的压桩力大部分为2200～2700kN,个别达到3000kN以上。施工记录的压桩力数值与原位测试法的数值比较接近,但大部分偏大一些,主要原因是随着桩的施工数量越来越多,地基土的挤密效应越来越好,施工时桩的压桩力也越来越大。如果选用的是PTC -500(65)的桩型,则现场桩压坏或桩尖持力层不到位的情况会非常普遍。

1.2 采用锤击施工方法的实例

江苏省昆山市某台商独资企业位于昆山市经济技术开发区内。二期扩建工程中有一公用厂房长55.0m,宽33.0m,建筑面积约4380m2,为四层建筑物。上部采用混凝土框架结构,单柱最大荷载标准值约为5500kN。拟建场地的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅲ类,工程抗震设防类别为丙类。场地地下水潜水对混凝土结构无腐蚀性,长期浸水条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性;干湿交替条件下地下水可能产生弱腐蚀性。工程地质勘探报告表明勘探深度以内的地基土共划分为七个工程地质亚层,其主要土层的物理力学指标见表2(表中的厚度按照地勘资料中的J38填写,J38孔口高程约为吴淞高程3.70m,±0.000相对标高相当于吴淞绝对标高4.80m,桩顶相对标高为-2.00m,桩型选用江苏省《先张法预应力混凝土管桩》中的PHC-600 (130)AB-C80-10、8)。

根据地勘报告显示,该工程5层砂质粉土有轻微液化,6层粉砂夹粉土不液化。所以选择桩端的持力层落在6层粉砂夹粉土上。由于业主在一期施工时已经碰到桩基施工困难的问题,设计院就直接选用Φ600的桩型,在满足施工时桩身强度的情况下,桩尽量长以节约投资。现分别用规范的原位测试法和经验参数法[1]进行对比分析:

表2 土层主要的物理力学指标

土层名称土层状态厚度(m)压缩模量ES(MPa)静探qc (MPa)静探fs (kPa)桩侧阻、端阻特征值qsik(kPa)qpk(kPa) 1-2素填土稍密0.501.0034.44 2粘土软塑～可塑1.704.00.6437.8315 3淤泥质粉质粘土软塑～流塑2.002.50.3612.0715 4粉质粘土可塑～硬塑4.606.02.0091.09501600 5砂质粉土稍密～中密7.208.85.8069.29602600 6粉砂夹粉土中密4.7010.011.09129.81705400 7-1粉砂夹粉土中密9.3523000 7-2粉砂中密～密实10.8705000

先假定预应力混凝土管桩带闭口型桩尖,按照《建筑桩基技术规范》经验系数法:

Φ600管桩:

若按照《建筑桩基技术规范》中双桥探头静力触探的原位测试法:

Φ600管桩:

综合比较以上的数据,按照经验系数法, Φ600的桩用江苏省《先张法预应力混凝土管桩》中的PC-600(110)AB-C60-10、8即可(桩身竖向承载力极限值为4320 kN),而按照原位测试法Φ600的桩宜选用江苏省《先张法预应力混凝土管桩》中的PHC-600(110)AB-C80-10、8 (桩身竖向承载力极限值为5920kN)。需要说明的是,该工程地勘资料原先提供的qsik和qpk值都比表2中的小,经对照该工程一期的地勘资料和其他相关资料发现数值差异较大之后,由勘探单位发联系单变更为表2中数据,但是双桥静力触探的qc和fs数据没有调整,所以由原位测试法和经验系数法计算出的单桩竖向极限承载力标准值相差不大,而实际情况要更大些。

由于PHC-600(110)AB不在业主单位供货目录范围内,所以最后改为PHC-600(130)AB -C80-10、8桩型。因为桩身强度有一定的余量,施工单位在现场采用DD10.3的导杆式柴油锤,冲程高度1.8～2.5m,锤冲击力为4000～5000kN,现场施工非常顺利。但从经济角度来讲,选用PHC-600(110)AB更节省投资。

2 静力触探技术选桩型应注意的问题

2.1 适用范围

静力触探技术适用于以黏性土、粉土、砂土为主的地基土,不适用于端承桩。当基础土以淤泥质黏性土为主时,一般施工时的压桩力比以经验系数法计算的单桩竖向极限承载力标准值要小,也就不存在施工阶段桩身强度的问题。当桩基为端承桩时,虽然也存在施工阶段桩身强度的问题,但强度主要与桩端的岩层性质有关。如该岩层在当地普遍存在,当地都有一套自己的控制标准,把具体的桩型、单桩竖向极限承载力标准值与相应的锤重、落距、最后的贯入度以及最小桩长联系起来,设计人员找到当地标准即可。

2.2 判别单桩承载力特征值的依据

当采用静压方式施工时,压桩力一般会比利用经验系数法计算的单桩竖向极限承载力标准值大很多[2],但这不能作为判断单桩竖向极限承载力标准值的依据。然而实际的单桩竖向极限承载力标准值也确实会比用经验系数法计算的单桩竖向极限承载力标准值大,只是没有达到施工时压桩力那么大的值。因此如有条件,可以在正式施工之前,在工程桩之外打几根试桩,以它的静载试验值作为单桩竖向极限承载力标准值比较合理,当然这需要业主的理解和配合。

2.3 腐蚀性地下水(土)对桩型选择的影响

根据《工业建筑防腐蚀设计规范》[3]的要求,当地下水(土)有腐蚀性时,对腐蚀等级为中、弱时,除该规范规定的防腐措施外,预应力混凝土管桩的钢筋保护层厚度不应小于35mm,这样就限制了PTC甚至一些PC桩的使用范围。另外对某些强腐蚀环境下,预应力混凝土管桩是不宜采用的,设计人员要注意甄别使用。

2.4 地勘报告提供的计算数据

现在勘探市场的价格竞争比较激烈,不排除有些勘探单位对局部数据进行造假,设计人员最好根据当地省标的《地基基础设计规范》或者相邻地块的地勘资料对地勘报告上的qsik、qpk、qc、fs数值进行对比分析,遇到不合理指标要及时沟通,避免被误导。本文中采用锤击施工方法的实例中就遇到这种情况。

2.5 施工方法的选择

一般情况下锤击的施工方法更适合在场地周边比较空旷的地方;桩锤选用时应遵循重锤低击的原则,在施工时若不控制桩锤落距,相对于静压方式对桩自身承载力控制的余量要求更高;在有液化土层的地方,锤击施工更容易引起液化土层的液化,施工中需要控制打桩的速度。另外,目前施工现场的锤击桩机械大部分选用国产的导杆式,而标准图中一般指的是桶式锤,两者锤重一样,但冲击力有较大区别,设计要注意区别。

静压的施工方法适合在建设场地周边有较多建筑物的时候,对周边的环境影响比较小,施工质量容易保证;但当压桩力很大、表层的地基土比较差时,静压的施工方法要谨慎使用,防止桩架移位时表层土移位挤断已施工的桩基。

2.6 静力触探技术选择桩身承载力

预制桩施工后期的压桩力或者柴油锤冲击力一定会比用原位测试法计算出来的单桩竖向极限承载力标准值要高,这主要跟布桩系数、原有地基土的密实程度以及桩带不带闭口桩尖有关,一般后期的提高幅度在10%～20%。因此在选择桩身承载力时要留有一定的余量。若施工中局部桩的压桩力或者柴油锤冲击力特别大,则有可能遇到孤石,建议移位施工。

2.7 液化土的影响

当地基土中含有液化土层时,对于采用锤击方式施工的桩基要控制施工速度。当施工中冲击力突然减小,要暂停施工。

3 结语

当地基土以黏性土、粉土、砂土为主时,利用静力触探指标通过原位测试法可以量化预制桩在施工阶段桩身所需要的强度,可以有效防止桩基在施工过程中因为桩身强度不足而引起工程事故,避免桩型选择的盲目性。当施工阶段的桩身强度利用比较充分时,能够有效节约投资。

1 JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

2 张永雨.静力触探预估静压桩承载力的试验研究[D].郑州:郑州大学,2006.

3 GB 50046-2008,工业建筑防腐蚀设计规范[S].北京:中国计划出版社,2008.

Pile strength and type can be rationally determined by using index of cone penetration test for the non-point bearing pile in the foundation soil predominated in cohesive,silt and sand soil when the precast concrete piles are used in the projects,and prevent from the engineering accident resulted from the insufficient strength of the pile and the incorrect pile tip bearing stratum.

Probe on Rational Selection of Precast Concrete Pile by Using Index of Cone Penetration Test

Zhang Ruisong
(Zhejiang Tianzheng Design and Engineering Co.Ltd.,Hangzhou310012)

precast concrete pile cone penetration test pile strength

＊张瑞松:高级工程师,主任工程师,一级注册结构工程师,注册咨询工程师。1994年毕业于浙江工业大学工业与民用建筑专业。一直从事设计和管理工作。联系电话:(0571)88362936,E-mail:zhang-rs@zpcdi.com。

2011-03-03)