蔣隆建
(福州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,福建 福州 350003)
靜壓法施工無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)污染,適合于市區(qū)及對(duì)環(huán)保要求較高的地區(qū)使用,工藝成熟。設(shè)計(jì)單位通常會(huì)要求采用壓樁力作為靜壓管樁的終樁控制標(biāo)準(zhǔn),但在實(shí)際施工中,經(jīng)常有施工、監(jiān)理或甲方單位提出:壓樁力必須達(dá)到單樁設(shè)計(jì)極限承載力方可終樁,在試樁時(shí)打入設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)后,往往因壓樁力達(dá)不到單樁設(shè)計(jì)極限承載力設(shè)計(jì)值,要求繼續(xù)增加樁長(zhǎng),直到壓樁力達(dá)到設(shè)計(jì)值,造成實(shí)際樁長(zhǎng)較設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)增加較多,增加了工程投資,也給參建各方帶來(lái)較大的壓力。
實(shí)際上,靜壓樁沉樁結(jié)束后,承載力隨時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生改變,即承載力具有時(shí)效性[1-2],特別是軟土地基中的樁承載力隨時(shí)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)尤為明顯,因此,僅用終樁時(shí)的終壓力去推算單樁極限承載力過(guò)于保守,有必要對(duì)二者的關(guān)系進(jìn)行研究,提出合適的估算方法,以指導(dǎo)施工。部分學(xué)者考慮時(shí)間效應(yīng)根據(jù)壓樁力對(duì)單樁豎向承載力進(jìn)行了預(yù)測(cè)和試驗(yàn)[3-4],但這種關(guān)系具有很強(qiáng)的地域性,本文根據(jù)福州地區(qū)的工程案例探索適用于本地區(qū)的預(yù)測(cè)關(guān)系。
沉樁完成后,樁的承載力并非一成不變,而是隨著時(shí)間推移逐漸增大的趨勢(shì),增加比例隨著不同地區(qū)土層的不同而各異,稱為單樁承載力的時(shí)效性。靜壓管樁沉樁后,單樁承載力增長(zhǎng)的原因如下[5-7]。
1)樁周土層的固結(jié)。靜壓管樁貫入施工過(guò)程中由于土中水無(wú)法及時(shí)排出,會(huì)產(chǎn)生很大的超孔隙水壓力,且在管樁表面形成水膜,減少了樁周土的側(cè)摩阻力,反映在壓樁力上即為壓樁力要小于相應(yīng)深度的計(jì)算單樁承載力;沉樁結(jié)束后,超孔隙水壓力逐漸消散,水膜消失,樁周土層重新固結(jié),土的有效應(yīng)力增加,側(cè)摩阻力恢復(fù),使得單樁承載力逐漸增加,最終收斂于計(jì)算的單樁承載力。
2)樁周土層的觸變恢復(fù)和硬殼效應(yīng)。靜壓管樁沉樁過(guò)程中,樁周土層的一小部分土體受到徑向擠壓和豎向剪切作用,緊靠樁身區(qū)域的土體變成完全塑性區(qū),使得施工沉樁時(shí)阻力變小,但經(jīng)過(guò)一段休止期后,該部分土體的粘聚力和剪切強(qiáng)度逐漸得到恢復(fù)甚至超過(guò)土體原始抗剪強(qiáng)度,在樁身表面形成了一層3~20 mm厚的“硬殼”,當(dāng)樁承受豎向荷載發(fā)生向下位移趨勢(shì)時(shí),該“硬殼”層會(huì)隨樁身一起產(chǎn)生位移趨勢(shì),剪切面發(fā)生在該層之外,即發(fā)生在完全塑性區(qū)與部分?jǐn)_動(dòng)區(qū)交界處,相當(dāng)于擴(kuò)大了樁徑,實(shí)際上增加了樁側(cè)摩阻面積,增加了樁的承載力。
通過(guò)對(duì)單樁承載力及終壓力概念的分析,二者在原理及應(yīng)用上存在著本質(zhì)差別,主要表現(xiàn)如下。
1)概念不同。單樁承載力是管樁施工完成且在休止期后,能夠保持正常使用所能承受的最大長(zhǎng)期荷載作用;壓樁力是管樁施工過(guò)程中貫入土層所需要的“動(dòng)態(tài)”靜壓力。
2)性質(zhì)不同。單樁承載力是土層穩(wěn)定后的樁側(cè)土摩阻力和樁端土承載力對(duì)樁所能提供的支承力;壓樁力是克服樁尖土層的抗沖剪阻力,是一種破壞土層的極限荷載。
3)數(shù)值大小不同。單樁承載力包括樁端土承載力和樁側(cè)土層的摩阻力,一般可以按照地區(qū)土質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到,對(duì)于長(zhǎng)樁而言,樁側(cè)土摩阻力占主要部分;壓樁力包括樁端土層的阻力和樁側(cè)土層的滑動(dòng)摩阻力,在連續(xù)壓樁的施工過(guò)程中,反映的主要是樁尖土層的阻力。
4)作用效果不同。壓樁力會(huì)使樁尖土體沖剪破壞擠壓樁管周?chē)翆樱纬删哂泻芨呖紫端畨毫Φ臄_動(dòng)重塑區(qū);單樁承載力要靠消散孔隙水壓力,使緊貼樁身的擾動(dòng)重塑土產(chǎn)生再固結(jié)而逐漸恢復(fù)土體的抗剪強(qiáng)度才能最后形成。終壓力可以理解為壓樁結(jié)束時(shí)刻的單樁承載力。
擬建道路工程位于福建省福州市三江口片區(qū),在K8+839下穿通道兩端各60 m范圍的過(guò)渡段路基擬采用靜壓管樁進(jìn)行軟基處理,場(chǎng)地土層的地質(zhì)資料見(jiàn)表1,整個(gè)場(chǎng)地地層分布較為均勻,路堤填方高度4~5 m,管樁外徑400 mm,壁厚95 mm,正方形布樁,樁間距2.5 m,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)34 m,持力層為粉質(zhì)黏土⑦,按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008),樁端土塞效應(yīng)系數(shù)取0.8,計(jì)算得到單樁承載力特征值見(jiàn)表2。
表1 場(chǎng)地土層地質(zhì)資料
表2 單樁承載力特征值計(jì)算
2019年8月,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)靜壓管樁進(jìn)行試樁,試樁點(diǎn)位取原勘察孔附近,保證地層變化情況可控,打至設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)時(shí)記錄壓樁力為終壓力,按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)共試樁6根,經(jīng)7天的休止期后,采用靜載試驗(yàn)對(duì)單樁承載力進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如表3所示。
表3 單樁承載力靜載試驗(yàn)結(jié)果
1)壓樁力是沉樁結(jié)束第零時(shí)刻的單樁承載力,在沉樁結(jié)束且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的休止期后,單樁承載力存在較大幅度的增長(zhǎng),根據(jù)本項(xiàng)目試樁的結(jié)果,7天后單樁承載力增長(zhǎng)幅度大部分在152%~217%,個(gè)別樁達(dá)到314%,如果在施工中把終壓力當(dāng)成單樁承載力去理解的話,會(huì)認(rèn)為設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)達(dá)不到所要求的承載力,從而需要增加樁長(zhǎng),在實(shí)際工程項(xiàng)目中經(jīng)常碰到有甲方與施工單位提出類似的疑問(wèn)和要求,這是對(duì)壓樁力與單樁承載力二者概念不清導(dǎo)致的。
2)壓樁力是一個(gè)與地層、含水量、樁長(zhǎng)、施工工藝等多因素有關(guān)的動(dòng)態(tài)變化參數(shù),在不同場(chǎng)地甚至同一場(chǎng)地的不同位置均會(huì)出現(xiàn)較大的變化,需要通過(guò)試樁來(lái)了解本項(xiàng)目的特異性。由于此次收集的檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量較少,要定量分析壓樁力與單樁承載力的函數(shù)關(guān)系比較困難,從指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工及設(shè)計(jì)的角度出發(fā),可以采用UQ比作為大致把控的指標(biāo),即
UQ比=終壓力U/單樁極限承載力Q
根據(jù)本次試樁及檢測(cè)的結(jié)果,本項(xiàng)目UQ比變化范圍為0.3~0.4,在實(shí)際大范圍施工中可以據(jù)此控制終壓力,按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)施工到位后終壓力能夠30%~40%倍要求的單樁極限承載力,即可認(rèn)為休止期后檢測(cè)單樁極限承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
3)從試樁的結(jié)果來(lái)看,在本項(xiàng)目深厚淤泥的地質(zhì)條件下,休止期后單樁承載力較終壓力有大幅度的增長(zhǎng),根據(jù)本文中對(duì)二者關(guān)系的分析,增長(zhǎng)的部分主要來(lái)自于樁周飽和軟黏土中超孔隙水壓力消散、土體重塑后樁側(cè)摩阻力的增長(zhǎng),由于樁長(zhǎng)較長(zhǎng),樁側(cè)摩阻力增長(zhǎng)部分非??捎^。因此,在實(shí)際施工中要做好靜壓管樁的試樁工作,掌握本場(chǎng)地的情況,充分發(fā)揮靜壓樁在土體恢復(fù)后單樁承載力的增長(zhǎng)潛力,讓樁的承載力最大限度發(fā)揮,使軟基處理的設(shè)計(jì)、施工更為科學(xué)合理,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理的施工效果。
針對(duì)福州地區(qū)深厚淤泥地質(zhì)條件下采用靜壓管樁的道路軟基處理案例,結(jié)合施工過(guò)程中的問(wèn)題及樁基檢測(cè)結(jié)果資料,對(duì)靜壓管樁終壓力和單樁極限承載力的關(guān)系進(jìn)行了辨析,指出單樁極限承載力在沉樁完成后仍存在大幅度的增長(zhǎng)并分析了原因,提出UQ比作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試樁及大范圍施工的依據(jù)。
在淤泥層深厚的福州三江口地區(qū),要充分重視靜壓管樁的試樁工作,總結(jié)試樁及檢測(cè)成果,以作為大面積施工的指導(dǎo)。對(duì)于以其他地層為主的場(chǎng)地,不一定適用本項(xiàng)目所提出的UQ比,應(yīng)結(jié)合具體場(chǎng)地試樁結(jié)果確定。
本文提出的UQ比目前僅可用于初步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,但對(duì)靜壓樁沉樁后的單樁極限承載力發(fā)展過(guò)程及原理還無(wú)法進(jìn)一步解讀,下一階段可考慮結(jié)合工程案例通過(guò)埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)、沉樁完成后對(duì)樁周土進(jìn)行靜力觸探等方式探索樁周土及孔隙水的變化情況,完善單樁極限承載力隨時(shí)間增長(zhǎng)的理論過(guò)程,以更好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及實(shí)施。
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