基于靜壓樁沉樁機(jī)理的探討

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基于靜壓樁沉樁機(jī)理的探討

[ 論文 關(guān)鍵詞]沉樁機(jī)理 終壓力 極限承載力 質(zhì)量

[論文摘要]通過(guò)論沉樁機(jī)理，闡述了沉樁的終壓力與極限承載力的關(guān)系，并對(duì)工程中常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題及處理方法進(jìn)行了分析。

一、前言

作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理，近幾年參與了不少樁基工程的施工。有感于預(yù)應(yīng)力管樁的廣泛應(yīng)用，為此對(duì)靜壓樁的沉樁機(jī)理及工程實(shí)踐中的應(yīng)用作一個(gè)介紹。

二、靜壓樁沉樁機(jī)理

靜壓法施工是通過(guò)靜力壓樁機(jī)的壓樁機(jī)構(gòu)以壓樁機(jī)自重和機(jī)架上的配重提供反力將樁壓入土中的沉樁工藝。由于這種方法具有無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)沖擊力等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)今后對(duì)綠色巖土工程的要求；同時(shí)壓樁樁型一般選用預(yù)應(yīng)力管樁，該樁作基礎(chǔ)具有工藝簡(jiǎn)明，質(zhì)量可靠，造價(jià)低，檢測(cè)方便的特性。兩者的結(jié)合便大大推動(dòng)了靜壓管樁在建設(shè)工程中的應(yīng)用，使之有望成為建設(shè)工程今后樁基 發(fā)展 的主打產(chǎn)品。

沉樁施工時(shí)，樁尖“刺入”土體中時(shí)原狀土的初應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，造成樁尖下土體的壓縮變形，土體對(duì)樁尖產(chǎn)生相應(yīng)阻力，隨著樁貫入壓力的增大，當(dāng)樁尖處土體所受應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體發(fā)生急劇變形而達(dá)到極限破壞，土體產(chǎn)生塑性流動(dòng)（粘結(jié)性）或擠密側(cè)移和下拖（砂土），在地表處，粘性土體會(huì)向上隆起，砂性土則會(huì)被拖帶下沉。在地面深處由于上覆土層的壓力，土體主要向樁周水平方向擠開(kāi)，使貼近樁周處土體結(jié)構(gòu)完全破壞。由于較大的輻射向壓力的作用也使鄰近樁周處土體受到較大擾動(dòng)影響，此時(shí)，樁身必然會(huì)受到土體的強(qiáng)大法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁尖阻力的抵抗，當(dāng)樁頂?shù)撵o壓力大于沉樁時(shí)的這些抵抗阻力，樁將繼續(xù)“刺入”下沉。反之，則停止下沉。

壓樁時(shí)，地基土體受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，樁周土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與地基土體的靜態(tài)抗剪強(qiáng)度有很大差異。隨著樁的沉入，樁與樁周土體之間將出現(xiàn)相對(duì)剪切位移，由于土體的抗剪強(qiáng)度和樁土之間的粘著力作用，土體對(duì)樁周表面產(chǎn)生摩阻力。當(dāng)樁周土質(zhì)較硬時(shí)，剪切面發(fā)生在樁與土的接觸面上；當(dāng)樁周土體較軟時(shí)，剪切面一般發(fā)生在鄰近于樁表面處的土體內(nèi)，粘性土隨著樁的沉入，樁周土體的抗剪強(qiáng)度逐漸下降，直至降低到重塑強(qiáng)度。砂性土中，除松砂土外，抗剪強(qiáng)度變化不大，各土層作用于樁上的樁側(cè)摩阻力并不是一個(gè)常值，而是一個(gè)隨著樁的繼續(xù)下沉而顯著減少的變值，樁下部摩阻力對(duì)沉樁阻力起顯著作用，其值可占沉樁阻力的50~80%，它與樁周處土體強(qiáng)度成正比，與樁的入土深度成反比。

粘性土中，樁尖處土體在擾動(dòng)重塑、超靜孔降水壓力作用下，土體的抗壓強(qiáng)度明顯下降。砂性土中，密砂受松馳效應(yīng)影響土體抗壓強(qiáng)度減少，松砂受擠密效應(yīng)影響土體抗壓強(qiáng)度增大，在成層土地基中，硬土中的樁端阻力還將受到分界處粘土層的影響，上覆蓋層為軟土?xí)r，在臨界深度以內(nèi)樁端阻力將隨壓入硬土內(nèi)深度增加而增大。下臥為軟土?xí)r，在臨界厚度以內(nèi)樁端阻力將隨壓入硬土的增加而減少。

一般將樁摩阻力分成三個(gè)區(qū)：上部柱穴區(qū)，中部滑移區(qū)，下部擠壓區(qū)。施工中因接樁或其它因素影響而暫停壓樁的間歇時(shí)間的長(zhǎng)短雖對(duì)繼續(xù)下沉的樁尖阻力無(wú)明顯影響，但對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響較大，樁側(cè)摩阻力的增大值與間歇時(shí)間長(zhǎng)短成正比，并與地基土層特性有關(guān)，因此在靜壓沉樁中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)接樁的結(jié)構(gòu)和位置，避免將樁尖停留在硬土層中進(jìn)行接樁施工。

三、終壓力與極限承載力

在靜壓樁施工完成后，土體中孔隙水壓力開(kāi)始消散，土體固結(jié)強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，上部樁柱穴區(qū)被充滿，中部滑移區(qū)消失，下部樁擠壓區(qū)壓力減小，這時(shí)樁才開(kāi)始獲得了工程意義上的極限承載力。從大量的工程實(shí)踐看，粘性土中長(zhǎng)度較長(zhǎng)的靜壓樁其最終的極限承載力比壓樁施工時(shí)的終壓力要大，在某些土體固結(jié)系數(shù)較高的軟土地區(qū)，靜壓樁最后獲得單樁豎向極限承載力可比終壓力值高出一二倍，但是粘性土中的短樁，土體強(qiáng)度經(jīng)一段時(shí)間的恢復(fù)，摩阻力雖有提高，但因樁身短，側(cè)摩阻力占樁的極限承載力的比例差異不大，最終極限承載力達(dá)不到樁的終壓力。因此樁的終壓力與極限承載力是兩個(gè)不同的概念，一些初接觸靜壓樁的設(shè)計(jì)、施工人員往往將兩者混為一談。兩者的數(shù)值不一定相等，主要與樁長(zhǎng)、樁周土及樁端土的性質(zhì)有關(guān)，但兩者也有一定的聯(lián)系。

四、常見(jiàn)質(zhì)量事故分析及處理

（一）樁身上抬。由于靜壓樁是擠土樁，在場(chǎng)地樁數(shù)量較多/樁距較密的情況下，時(shí)常后壓的樁會(huì)對(duì)已壓樁產(chǎn)生擠壓上抬，特別對(duì)于短樁，易形成所謂的吊腳樁。這種樁在做靜載試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)始沉降較大，曲線較陡，但當(dāng)樁尖達(dá)到持力層，承載力又有明顯增加，沉降曲線又趨于平緩，這是樁身上抬的典型曲線。樁身上抬除了靜載沉降偏大外，對(duì)樁而言可能會(huì)把接頭拉斷，樁尖脫空，同時(shí)大大增加對(duì)四周樁的水平擠壓力，導(dǎo)致樁傾斜偏位。在處理上施工前合理安排壓樁順序，同一單體建筑物一般要求先壓場(chǎng)地中央的樁，后壓周邊的樁；先壓持力層較深的樁，后壓較淺的樁。出現(xiàn)樁身上抬后一般采用復(fù)壓的辦法使樁基按正常使用，但對(duì)承受水平荷載的基礎(chǔ)要慎重。

（二）引孔壓樁的問(wèn)題。為了防止樁間的擠土效應(yīng)太大，或土質(zhì)太硬而使樁身較短，施工中往往采用引孔壓樁的工藝，即先鉆比管樁略小規(guī)格的直徑鉆孔，深度是樁長(zhǎng)的（2/3~1）L，然后將管樁沿鉆孔壓下去。引孔應(yīng)隨引隨壓，中間間隔時(shí)間不宜大長(zhǎng)，否則孔內(nèi)積水，一是會(huì)軟化樁端土，待水消散后孔底會(huì)留有一定空隙；二是積水往樁外壁冒，削弱了樁的側(cè)摩阻力。對(duì)于較硬土質(zhì)中引孔壓樁還會(huì)有樁尖達(dá)不到引孔孔底的現(xiàn)象，施工完成后孔底積水使土體軟化，使承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

（三）樁端封口不實(shí)。當(dāng)樁尖有縫隙，地下水水頭差的壓力可使樁外的水通過(guò)縫隙進(jìn)入樁管內(nèi)腔，若樁尖附近的土質(zhì)是泥質(zhì)土，遇水易化軟，從而直接影響樁的承載力。對(duì)于樁靴的焊接質(zhì)量要求與端板間無(wú)間隙、錯(cuò)位，保證焊縫飽滿，無(wú)氣孔。焊接對(duì)稱進(jìn)行，焊接時(shí)間控制得當(dāng)，焊接完成后 自然 冷卻10分鐘左右方可施壓，因高溫焊縫遇水后變脆，容易開(kāi)裂。工程上比較有效的補(bǔ)救技術(shù)措施是采用“填芯混凝土”法，即在管樁施壓完畢后立即灌入高度為1.2M左右的C20細(xì)石混凝土封底，樁端不漏水，樁端附近水壓平衡，樁端土承受三相壓力，承載力能保持穩(wěn)定。

（四）樁頂（底）開(kāi)裂。由于目前壓樁機(jī)越來(lái)越大，最重可達(dá)6800KN，對(duì)于較硬土質(zhì)，管樁有可能仍然壓不到設(shè)計(jì)標(biāo)高，在反復(fù)復(fù)壓情況，管樁樁身橫向產(chǎn)生強(qiáng)烈應(yīng)力，如果樁還是按常規(guī)配箍筋，樁頂混凝土抗壓不足開(kāi)裂，產(chǎn)生垂直裂縫，為處理帶來(lái)很大困難。另一種情況就是管樁由軟弱土層突然進(jìn)入硬持力層，沒(méi)有經(jīng)過(guò)渡層，樁機(jī)油壓迅速升高，樁身受到瞬間沖擊力也容易引起樁頂開(kāi)裂，如果硬持力層面不平整，樁靴卡不進(jìn)土引起樁頭折斷破碎，樁機(jī)油壓又下降，再壓時(shí)壓力不穩(wěn)定，吊線測(cè)量樁長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)比入土部分短。處理以上問(wèn)題前改進(jìn)樁尖形式（圓錐行樁尖易滑），事后用壓力灌漿把樁底破碎混凝土粘結(jié)住，適當(dāng)折減承載力設(shè)計(jì)值。

（五）基坑開(kāi)挖。由于靜壓樁逐漸用在高層建筑中，基坑開(kāi)挖不可避免。應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖深度考慮是否需要先圍護(hù)再開(kāi)挖沉樁的方案。邊打樁邊開(kāi)挖是不可取的，先打樁后開(kāi)挖應(yīng)考慮對(duì)稱均勻，如在中間開(kāi)挖把土堆在周圍就會(huì)造成四周和中心的土體高差懸殊，同時(shí)超孔隙水壓及震動(dòng)會(huì)使管樁傾斜或折斷，所以合理制定基坑開(kāi)挖方案是必不可少的。

五、結(jié)束語(yǔ)

靜壓樁的沉樁機(jī)理非常復(fù)雜，施工中出現(xiàn)的問(wèn)題也各種各樣，需要對(duì)癥下藥采取措施。相信隨著工程實(shí)踐的不斷豐富，能為靜壓樁的 發(fā)展 提供更大的空間。