錘擊式沉管灌注樁貫入度控制標準的探討

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1、問題的提出
    樁基幾乎可應(yīng)用于各種工程地質(zhì)條件和各種類型的工程，尤其適用于軟弱地基。錘擊式沉管灌注樁以其諸多優(yōu)點，成為多層住宅、綜合樓的首選樁型。但其自身也存在一些缺陷和在設(shè)計施工中難以操作的指標，灌注樁沉管的貫入度的控制便是其中之一。本文擬通過工程實踐來對此進行探討。
    一般認為，樁的貫入度與其極限承載力有直接的關(guān)系。貫入度通常依據(jù)現(xiàn)有的打樁動力公式結(jié)合當?shù)爻晒?jīng)驗確定。但灌注樁沉管的貫入度與樁承載力的關(guān)系是否可以用簡單的經(jīng)驗公式確定，或者簡單地套用當?shù)爻晒?jīng)驗，以及貫入度是否為一項控制性的設(shè)計指標，對于這些問題，筆者認為有必要作進一步的探討。 
    《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94－94)在灌注樁基礎(chǔ)設(shè)計中沒有貫入度設(shè)計的規(guī)定，僅提出灌注樁的貫入度“必須準確測量”，嚴格控制?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GBJ7－89)也沒有引入灌注樁貫入度設(shè)計概念。顯然，貫入度作為灌注樁設(shè)計指標并由設(shè)計人員提出缺乏規(guī)范依據(jù)。
    目前，采用灌注樁的一般是九層以下的二級建筑物。由于國家規(guī)范對二級建筑物沒有規(guī)定要進行現(xiàn)場試驗確定單樁承載力，而是“應(yīng)根據(jù)靜力觸探、標準貫入、經(jīng)驗參數(shù)等估算，并參照地質(zhì)條件相同的試樁資料，綜合確定”，因此這類建筑很少在設(shè)計施工前進行樁的現(xiàn)場試驗，設(shè)計人員依據(jù)現(xiàn)有的打樁動力公式結(jié)合當?shù)爻晒?jīng)驗確定貫入度。在施工時，對于以摩擦為主的摩擦樁，大多數(shù)情況下沉管達不到設(shè)計要求的貫入度，這時通常采用四個方法解決：(1)加深樁長；(2)復(fù)打樁；(3)擴大樁徑；(4)加樁。每種方法(有時二種、三種方法同時采用)都會增大工程量，增加成本。而這些做法都屬慣例，似乎沒有人會懷疑貫入度要求本身的合理性。當工程驗收時，單樁承載力檢驗合格，證明設(shè)定的貫入度“沒有問題”，又可以作為經(jīng)驗被采用。因此，如何把握貫入度，對于工程的安全性、經(jīng)濟性都有較大的意義。 
    2、單樁豎向承載力的計算 
    2.1荷載傳遞機理
    樁在荷載作用下，樁身上部首先受到壓縮，一部分荷載往下部樁身傳遞，另一部分則在樁與樁周土之間形成摩阻力。當荷載分級逐步加到樁頂時，樁身上部受到壓縮而產(chǎn)生相對于土的向下位移，與此同時，樁周表面受到土的向上摩阻力，樁身荷載通過樁周摩阻力傳遞到樁周土層中去，致使樁身荷載和樁身壓縮變形隨深度遞減。隨著荷載的增加，樁身壓縮量和位移量增加，樁身下部的摩阻力隨之進一步發(fā)揮出來。當樁周摩阻力全部發(fā)揮達到極限狀態(tài)后，若繼續(xù)增加荷載，則荷載量將全部由樁端土承擔。樁的這種傳遞理論，是符合靜壓試樁實際的，且已為許多樁的荷載試驗所證實。
　　2.2單樁豎向極限承載力標準值
　　單樁豎向極限承載力標準值按下式計算：
　?。遥耄剑?sum;ｑsikｌi＋ｑpkＡｐ（１） 
　　式中 Ｒｋ——單樁的豎向承載力標準值； 
      ｑｐｋ——極限端阻力標準值； 
      Ａｐ——樁身橫截面面積； 
      ｕ——樁身周邊長度； 
     ｑsik——樁側(cè)第i 層土的極限側(cè)阻力標準值； 
     ｌｉ——按土層劃分的各段樁長。 
　　貫入度的設(shè)計一般依據(jù)現(xiàn)有的打樁動力公式［３］，主要有格爾謝凡諾夫公式、工程新聞修正公式、海利公式和廣東打沉管灌注樁公式等。上述經(jīng)驗公式是根據(jù)功能原理和實驗推導(dǎo)出來的，適用對象為預(yù)制樁(包括鋼管樁)；而灌注樁與預(yù)制樁在施工方法上有很大區(qū)別，如果套用上述經(jīng)驗公式設(shè)計灌注樁的貫入度，顯然是不恰當?shù)?。在工程實踐上，這種方法往往偏于安全，結(jié)果是使工程成本增加。 
　　3、工程實例
    本例為東莞某學(xué)校的樁基實際工程。該小區(qū)位于東江形成的三角洲平原，屬于沖積地貌，地形平坦，場地土層分層描述如表1。
    設(shè)計要求采用錘擊沉管灌注樁，樁端以中細砂層上部為持力層，樁長L＝22ｍ(從場地地坪算起)，樁徑?＝480mm，單樁承載力標準值為600kN。
    沉管貫入度計算：
    (1)格氏公式
    式中ｅ——打樁最后階段平均每錘的貫入度，cm； 
    ｎ——樁及樁墊材料系數(shù)，無樁墊時，n＝0.5；
    ε——恢復(fù)系數(shù)，無樁帽時ε２＝0.25； 
    Ｑ——錘重，kN； 
    ｑ——樁、樁帽、樁錘的非沖擊部分重量，kN；
    Ｈ——落錘高度，cm； 
    Ａ——樁的橫截面積，cm２； 
    ｍ——安全系數(shù)，永久建筑為2； 
    Ｒｋ——單樁承載力標準值，kN。
    根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況和設(shè)計要求，有關(guān)參數(shù)取值為：
  ?。眩?0kN, q＝26kN, A ＝1.810ｃｍ２，Ｈ＝100×0.8＝80cm，Ｒｋ＝600ｋＮ 
    將有關(guān)數(shù)據(jù)代入格氏公式后得：
  ?。澹?.54ｃｍ／擊 
　　(2)廣東打沉管灌注樁公式
　　式中ｅ——打樁最后階段平均每錘的貫入度，cm； 
        Ｑ——錘重，kN； 
        Ｈ——落錘高度，m； 
        Ａ——參數(shù)，樁徑＝480mm, A＝9； 
        Ｂ——參數(shù)，樁徑＝480mm, Ｂ＝120； 
        N——總錘數(shù)，此時取800錘； 
       Ｒｋ——單樁承載力標準值，kN。
       將有關(guān)數(shù)據(jù)代入廣東打沉管灌注公式后得：
   　　ｅ＝0.18ｃｍ／擊 
　　由上述計算結(jié)果可知，廣東公式要求較之更加嚴格。該地成功經(jīng)驗為：對于樁徑?＝480mm、設(shè)備錘重為30kN、設(shè)定錘落距為1.0m情況，最后三陣錘擊，每陣10錘，貫入度＜6cm。綜合考慮計算結(jié)果和當?shù)爻晒?jīng)驗，設(shè)計規(guī)定，最后三陣錘擊，要求貫入度控制在6cm／10擊以下。
　　但在實際施工中，樁管打至設(shè)計標高時，大部分樁貫入度都超過了設(shè)計要求，個別樁多達22～50cm/10錘，距設(shè)計要求相差很大。為了減小貫入度，對于部分貫入度較大的樁采用了灌砂復(fù)打，擠密砂土的新方法?？紤]到本小區(qū)樁基工程量大，基樁總數(shù)約為3 000余根，為了工程安全和節(jié)省投資，并為后續(xù)施工提供依據(jù)，為此對貫入度較大的以及經(jīng)灌砂復(fù)打的樁，選擇了6根樁進行了靜載測試，有關(guān)數(shù)據(jù)如表2、3。 
　　因為此次靜載測試目的并不是做樁的破壞試驗，所以最大試驗荷載以滿足設(shè)計要求為限。至最大試驗荷載時，沒有出現(xiàn)極限特征。
　　從測試試驗結(jié)果看出：(1)該地區(qū)的灌注樁沉管貫入度實際值是設(shè)計值的2～8倍(至設(shè)計標高時)，這時即使不加長樁長或復(fù)打，樁的承載力也完全能達到設(shè)計要求?？梢娯炄攵仍O(shè)計值偏小。(2)對于貫入度特別大的3號樁，經(jīng)灌砂復(fù)打，測試結(jié)果表明，樁的承載力也能達到設(shè)計要求，且最大沉降量仍未超過規(guī)范極限值。可見，若嚴格控制貫入度不甚合理，
　　分析其原因有以下幾點：
　　(1)由于構(gòu)造上的原因，錘擊式沉管灌注樁的預(yù)制樁靴比樁管外徑大6～8ｃｍ，施工時，土對樁管的擠壓力減少使樁管下沉阻力減少，因而使沉管貫入度增大。 
    (2)成樁后灌注樁的實際樁徑往往比管徑大6%～7%，這是因為樁靴直徑較大所致。由于實際樁徑擴大使得樁的承載力相應(yīng)增加，因此盡管施工時的貫入度相對較大，但靜載試驗加載至最大荷載時沉降量仍然較小。
    (3)灌注樁的實際樁身表面是凹凸不平的，樁身混凝土與周圍土互相咬合，致使土的摩阻力較預(yù)制樁大，且施工時樁管的摩阻力小于成樁后的摩阻力。
    (4)沉管時由于連續(xù)錘擊震動，土體內(nèi)摩擦角變化很大。而在樁身灌注混凝土28天后，進行靜載試驗時，土體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，承載力有一定幅度提高。
    (5)灌砂復(fù)打?qū)吨芡梁蜆抖送吝M行了擠密，使樁側(cè)摩阻力提高，樁端土的強度提高。
    (6)打樁公式適用于預(yù)制樁和鋼管樁估算其打樁阻力，將它用于沉管貫入度的計算只是權(quán)宜之計。經(jīng)過綜合分析試驗結(jié)果，以及其成因分析，認為可以適當加大貫入度的設(shè)計值。為了安全起見，后續(xù)樁的貫入度控制在2倍設(shè)計值范圍內(nèi)；個別貫入度較大的樁，采用灌砂復(fù)打的方法，將其控制在相同范圍內(nèi)。該項工程竣工已近6年，運行正常。這說明當時貫入度控制原則是安全合理的。 
    4、結(jié)論
    (1)對于砂土地基，采用灌砂復(fù)打，充分利用其擠密效應(yīng)，是一種經(jīng)濟有效地減小貫入度的方法。
    (2)簡單套用現(xiàn)有的打樁動力公式設(shè)計沉管貫入度，有時與工程實際情況不符，將造成工程浪費。 
  　(3)灌注樁貫入度作為一項設(shè)計施工指標，應(yīng)該加以控制，但是應(yīng)該避免盲目性。在無現(xiàn)場試驗確定單樁承載力的情況下，可以采用這樣的方法：在地質(zhì)鉆探孔附近，土層分布和各土層的物理力學(xué)指標比較準確，宜先在此打樁，仔細做好記錄，在設(shè)計標高附近一定范圍內(nèi)準確測量每10擊的貫入度。綜合分析貫入度的現(xiàn)場施工記錄、設(shè)計值，以及當?shù)爻晒?jīng)驗，調(diào)整實施的貫入度值，以盡可能地使貫入度控制值趨于合理。