浅层持力层条件下PHC 预制管桩进尺穿透含卵砾石高标超厚贯土层技术研究

2023-11-11陈剑为廖文健毛云俊向光耀

中国建筑装饰装修 2023年20期

陈剑为占彬廖文健毛云俊向光耀

预应力高强度混凝土（Pre-stressed High-strength Concrete，PHC）预制管桩是一种广泛应用的桩基技术，但在某些地质条件下，如浅层持力层含有卵砾石的高标超厚贯土层，其进尺施工会面临诸多挑战。这类地质条件对桩基的贯入深度、桩端持力层强度和稳定性提出更高的要求。为了解决这些问题，有必要研究在浅层持力层条件下，如何提高PHC 预制管桩在卵砾石高标超厚贯土层的贯入深度和施工效率[1，2]。本研究旨在分析浅层持力层条件下PHC 预制管桩在穿透含卵砾石高标超厚贯土层中的施工技术，探讨不同施工参数对施工过程和持力性能的影响。研究采用了综合方法，包括现场试验和数值模拟。现场试验用于获取实际施工数据和监测桩基行为，验证数值模拟结果的准确性。数值模拟基于地质资料和工程参数建立模型，分析了不同施工参数对施工过程和桩基性能的影响。当穿越含有卵砾石的高标超厚贯土层时，合理选择桩径、桩长、桩间距等施工参数是确保施工成功的关键。采用适当的施工工艺，如预先钻孔、喷浆加固等，可以有效减少施工难度和风险。数值模拟结果与现场试验数据吻合较好，验证了研究的可靠性。

1 PHC 预制管桩的应用背景与施工优点

PHC 预制管桩技术是一种常用于地基处理和基础工程中的先进施工技术。PHC 预制管桩是由高强度预应力混凝土制成的管状构件，具有优良的承载能力和抗震性能[3，4]。一般来说，PHC 预制管桩技术的施工过程主要包括以下4 个步骤：第1，根据设计要求进行现场勘察和标定桩位；第2，在施工现场进行钻孔作业，将钢筋笼置入钻孔中，并注入高强度混凝土；第3，进行压浆处理，保证桩身的一体性和密实度；第4，进行桩顶修整和验收。

1.1 PHC预制管桩的应用背景

PHC 预制管桩技术是一种应用广泛的基础处理方法，其应用背景如下：

1）若土壤条件复杂，传统基础处理方法无法满足承载要求，采用PHC预制管桩技术能够有效解决上述土壤条件下形成的基础问题，提供稳定的基础支撑。

2）在土地资源有限的城市和人口密集地区，无法实施大规模的地基处理工程，采用PHC 预制管桩技术能充分利用有限的土地资源，从而在有限的土地空间内实施地基处理工程。此外，PHC 预制管桩技术具有快速施工等优势，能够提高施工效率，缩短工期，满足工程进度要求。同时，与传统灌注桩或钻孔灌注桩等施工方法相比，PHC 预制管桩技术的施工过程更加简化，成本更低，能够有效降低工程造价[5，6]。

3）在地震带地区，工程的抗震性能至关重要。PHC 预制管桩技术通过应用预应力混凝土，提高了桩体的抗震性能，增加了结构的稳定性和安全性。

综上所述，PHC 预制管桩技术在解决现代工程建设中的基础问题方面具有明显的优势，提供了一种可行、高效的解决方案。

1.2 PHC预制管桩的施工优点

PHC 预制管桩施工具有很多优点，使其成为一种广泛应用的基础处理方法，具体优点如下：

1）高承载能力。PHC 预制管桩采用预应力混凝土制成，具有较高的强度和刚度，因此，能够承受较大的垂直和水平荷载，提供稳定的基础支撑能力。

2）施工效率高。PHC 预制管桩采用工厂预制制作，在现场施工时只需要进行简单的组装和安装，施工过程简化，施工速度快，能够缩短工期。

3）适应性强。PHC 预制管桩适用于各种土质和地质条件，包括软土地基、河床沉积物以及砂质土壤等，能够有效解决不同土壤条件下的基础问题。

4）节约土地资源。PHC 预制管桩采用垂直布置，占地面积相对较小，特别适用于土地资源有限的城市和人口密集地区，能够充分利用有限的土地空间。

5）施工质量可控。PHC 预制管桩在工厂环境下制作，质量控制措施统一，能够保证桩体的质量[7，8]。

6）抗震性能好。PHC 预制管桩采用预应力混凝土制成，能够提高桩体的抗震性能，同时增加结构的稳定性和安全性，在地震带地区具有重要意义。

PHC 预制管桩施工具有承载能力高、施工效率高、适应性强、节约土地资源、施工质量可控及抗震性能良好等优点，能为工程提供一种高效的基础处理方案。

2 工程概况与地质情况分析

某海滨城市商务中心包括3 座建筑群，占地约20000 m2，3 座建筑物呈现矩形平面布局，地下室及其9 ～11 层采用框剪结构，总建筑面积为31047.58 m2。

根据地质勘察单位提供的报告，该场地的原始地貌为靠近山脚冲积扇前沿的地区，地势西北高、东南低。经过人工整平后，地面较为平缓。地层自上而下分布如下：第1 层是最近填土层，厚度为1.0 ～5.5 m；第2 层是均匀的黏土层，厚度2.0 ～10.5 m；第3 层是细粉状砂层，以石英为主要成分，厚度为0.5 ～3.5 m；第4 层是卵砾石层，厚度为0.5 ～5 m，主要由微风化的花岗岩组成，填充物为砂粒和黏土；第5 层是残积砾质黏土层，主要成分为石英和高岭土，厚度为2.5 ～10.0 m；最底层是强风化的花岗岩层，具有明显的花岗岩结构，厚度为5 m。岩土层的主要物理力学性质指标，如表1 所示。

3 桩基的施工与技术检测

3.1 试压桩

施工单位进场后，首要任务是进行试验性压桩。为确定静压桩施工的控制标准和技术参数，选择3 根具有代表性的桩进行试验。确定的控制标准和技术参数如下：第1，终压力值为主要控制标准，桩长为辅助控制指标；第2，终压力值设定为4500 kN；第3，进行3 次复压，每次复压的累计沉降量不超过20 mm；第4，每次复压持续时间不少于5 min。施工过程中，施工单位根据上述控制标准和技术参数指导静压桩施工。

3.2 工程桩施工

试压桩后，施工单位进行工程桩施工。施工过程中，大部分桩号符合标准和参数要求，但个别桩号在进入粉细砂层后出现问题，导致压力上升、桩身发出声音，甚至发生停机现象。对此，施工单位选择重新启动机器，直至达到终压值，最终成功完成工程桩施工。

3.3 桩基静载检测

在静压PHC 管桩施工完成的10 d内，施工单位根据桩基检测规范和压桩施工中的异常情况，选择4 根桩进行静载试验。试验结果显示，其中有1 根桩（编号102#）的极限承载力未达到设计要求，被认定为不合格桩。鉴于此，施工单位扩大了承载力检测范围，并选择了另外2 根桩（编号分别为55#和101#）进行静载试验，但结果仍然不合格。单桩竖向静载试验结果，如表2 所示。

表2 单桩竖向静载试验结果

4 单桩抗压极限承载力不合格的原因

PHC 管桩进入卵砾石层时，卵砾石层具有较大渗透系数，停压后超孔隙水压力迅速消散，导致压桩阻力随卵砾石层性质和深度变化。桩端持力层为卵砾石时，挤出咬合和摩擦形成反作用力，使桩处于动态平衡。卸载后，砾石和砂粒重新排列，降低桩端承载力和桩侧摩阻力，使极限承载力小于终压力。桩周侧阻力受砂性土和粘性土的摩阻力影响，停压后桩周砂土固结导致桩周侧阻力减小，而粘性土的桩周侧阻力增加。特别是短桩长度小于14 m 时，极限承载力相对终压力的降低更大。即使桩端持力层为碎石土或砂土层，桩周土为粘土，短桩极限承载力仍远小于压桩终压力。

5 卵砾石层中静压PHC 管桩沉桩的常见问题与对策

卵砾石层中静压PHC 管桩沉桩的常见问题及产生的原因，如表3 所示。

表3 卵砾石层中静压PHC 管桩沉桩的常见问题及产生的原因

为确保桩基施工的质量和稳定性，提出以下主要对策：第1，在桩基设计阶段考虑土层的特性和桩身材料的性能，以确保桩基的承载力能够满足实际需求。根据土层情况，可以调整桩径、桩长等参数，以提高桩基的稳定性和持力性能。第2，改进施工工艺，减少施工中对桩体产生的不良影响，确保桩体的一致性和完整性。第3，加强施工过程中的质量监控，包括施工参数的实时监测、桩身材料的质量检查等。定期进行检测和验收，以确保施工质量符合标准要求。以上为卵砾石层中静压PHC 管桩沉桩的常见问题与对策。