錘擊式沉管灌注樁貫入度控制標(biāo)準(zhǔn)的探討
2009-09-28
摘要：通過(guò)工程實(shí)例，介紹了錘擊式沉管灌注樁貫入度設(shè)計(jì)的一般方法，指出了存在的問(wèn)題，初步分析了問(wèn)題存在的原因，提出了解決問(wèn)題的實(shí)用方法。
關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ) 施工
1問(wèn)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(diǎn)，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(jì)施工中難以操作的指標(biāo)，灌注樁沉管的貫入度的控制便是其中之一。本文擬通過(guò)工程實(shí)踐來(lái)對(duì)此進(jìn)行探討。
一般認(rèn)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(dòng)力公式結(jié)合當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)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(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式確定，或者簡(jiǎn)單地套用當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)，以及貫入度是否為一項(xiàng)控制性的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)于這些問(wèn)題，筆者認(rèn)為有必要作進(jìn)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(jì)中沒(méi)有貫入度設(shè)計(jì)的規(guī)定，僅提出灌注樁的貫入度“必須準(zhǔn)確測(cè)量”，嚴(yán)格控制?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7－89）也沒(méi)有引入灌注樁貫入度設(shè)計(jì)概念。顯然，貫入度作為灌注樁設(shè)計(jì)指標(biāo)并由設(shè)計(jì)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(jí)建筑物。由于國(guó)家規(guī)范對(duì)二級(jí)建筑物沒(méi)有規(guī)定要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定單樁承載力，而是“應(yīng)根據(jù)靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、經(jīng)驗(yàn)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(jì)施工前進(jìn)行樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員依據(jù)現(xiàn)有的打樁動(dòng)力公式結(jié)合當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)確定貫入度。在施工時(shí)，對(duì)于以摩擦為主的摩擦樁，大多數(shù)情況下沉管達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的貫入度，這時(shí)通常采用四個(gè)方法解決：（1）加深樁長(zhǎng)；（2）復(fù)打樁；（3）擴(kuò)大樁徑；（4）加樁。每種方法（有時(shí)二種、三種方法同時(shí)采用）都會(huì)增大工程量，增加成本。而這些做法都屬慣例，似乎沒(méi)有人會(huì)懷疑貫入度要求本身的合理性。當(dāng)工程驗(yàn)收時(shí)，單樁承載力檢驗(yàn)合格，證明設(shè)定的貫入度“沒(méi)有問(wèn)題”，又可以作為經(jīng)驗(yàn)被采用。因此，如何把握貫入度，對(duì)于工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性都有較大的意義。
2單樁豎向承載力的計(jì)算
2.1荷載傳遞機(jī)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(dāng)荷載分級(jí)逐步加到樁頂時(shí)，樁身上部受到壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于土的向下位移，與此同時(shí)，樁周表面受到土的向上摩阻力，樁身荷載通過(guò)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(jìn)一步發(fā)揮出來(lái)。當(dāng)樁周摩阻力全部發(fā)揮達(dá)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(dān)。樁的這種傳遞理論，是符合靜壓試樁實(shí)際的，且已為許多樁的荷載試驗(yàn)所證實(shí)。
2.2單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值
單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：
Rk＝u∑qsikli＋qpkAp（1）
式中Rk——單樁的豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值；
qpk?——極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；
Ap——樁身橫截面面積；
u——樁身周邊長(zhǎng)度；
qsik?——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；
li——按土層劃分的各段樁長(zhǎng)。
貫入度的設(shè)計(jì)一般依據(jù)現(xiàn)有的打樁動(dòng)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(yàn)公式是根據(jù)功能原理和實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出來(lái)的，適用對(duì)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(yàn)公式設(shè)計(jì)灌注樁的貫入度，顯然是不恰當(dāng)?shù)摹Ｔ诠こ虒?shí)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(shí)例
本例為東莞某學(xué)校的樁基實(shí)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(chǎng)地土層分層描述如表1.
設(shè)計(jì)要求采用錘擊沉管灌注樁，樁端以中細(xì)砂層上部為持力層，樁長(zhǎng)L＝22m（從場(chǎng)地地坪算起），樁徑？＝480mm，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為600kN.
沉管貫入度計(jì)算：
?。?）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(wú)樁墊時(shí)，n＝0.5；
ε——恢復(fù)系數(shù)，無(wú)樁帽時(shí)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(biāo)準(zhǔn)值，kN.
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況和設(shè)計(jì)要求，有關(guān)參數(shù)取值為：
Q＝30kN， 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：
e＝0.54cm／擊
?。?）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(shí)取800錘；
Rk——單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果可知，廣東公式要求較之更加嚴(yán)格。該地成功經(jīng)驗(yàn)為：對(duì)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(jì)算結(jié)果和當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(shí)際施工中，樁管打至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，大部分樁貫入度都超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，個(gè)別樁多達(dá)22～50cm/10錘，距設(shè)計(jì)要求相差很大。為了減小貫入度，對(duì)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(duì)貫入度較大的以及經(jīng)灌砂復(fù)打的樁，選擇了6根樁進(jìn)行了靜載測(cè)試，有關(guān)數(shù)據(jù)如表2、3.
因?yàn)榇舜戊o載測(cè)試目的并不是做樁的破壞試驗(yàn)，所以最大試驗(yàn)荷載以滿足設(shè)計(jì)要求為限。至最大試驗(yàn)荷載時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)極限特征。
從測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果看出：（1）該地區(qū)的灌注樁沉管貫入度實(shí)際值是設(shè)計(jì)值的2～8倍（至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)），這時(shí)即使不加長(zhǎng)樁長(zhǎng)或復(fù)打，樁的承載力也完全能達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？梢娯炄攵仍O(shè)計(jì)值偏小。（2）對(duì)于貫入度特別大的3號(hào)樁，經(jīng)灌砂復(fù)打，測(cè)試結(jié)果表明，樁的承載力也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且最大沉降量仍未超過(guò)規(guī)范極限值。可見，若嚴(yán)格控制貫入度不甚合理，
分析其原因有以下幾點(diǎn)：
?。?）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(shí)，土對(duì)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。
?。?）成樁后灌注樁的實(shí)際樁徑往往比管徑大6%～7%，這是因?yàn)闃堆ブ睆捷^大所致。由于實(shí)際樁徑擴(kuò)大使得樁的承載力相應(yīng)增加，因此盡管施工時(shí)的貫入度相對(duì)較大，但靜載試驗(yàn)加載至最大荷載時(shí)沉降量仍然較小。
?。?）灌注樁的實(shí)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(shí)樁管的摩阻力小于成樁后的摩阻力。
（4）沉管時(shí)由于連續(xù)錘擊震動(dòng)，土體內(nèi)摩擦角變化很大。而在樁身灌注混凝土28天后，進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)，土體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，承載力有一定幅度提高。
?。?）灌砂復(fù)打?qū)吨芡梁蜆抖送吝M(jìn)行了擠密，使樁側(cè)摩阻力提高，樁端土的強(qiáng)度提高。
?。?）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(jì)算只是權(quán)宜之計(jì)。經(jīng)過(guò)綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，以及其成因分析，認(rèn)為可以適當(dāng)加大貫入度的設(shè)計(jì)值。為了安全起見，后續(xù)樁的貫入度控制在2倍設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)；個(gè)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(xiàng)工程竣工已近6年，運(yùn)行正常。這說(shuō)明當(dāng)時(shí)貫入度控制原則是安全合理的。
4結(jié)論
?。?）對(duì)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(jì)有效地減小貫入度的方法。
?。?）簡(jiǎn)單套用現(xiàn)有的打樁動(dòng)力公式設(shè)計(jì)沉管貫入度，有時(shí)與工程實(shí)際情況不符，將造成工程浪費(fèi)。
?。?）灌注樁貫入度作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)施工指標(biāo)，應(yīng)該加以控制，但是應(yīng)該避免盲目性。在無(wú)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(biāo)比較準(zhǔn)確，宜先在此打樁，仔細(xì)做好記錄，在設(shè)計(jì)標(biāo)高附近一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量每10擊的貫入度。綜合分析貫入度的現(xiàn)場(chǎng)施工記錄、設(shè)計(jì)值，以及當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)，調(diào)整實(shí)施的貫入度值，以盡可能地使貫入度控制值趨于合理。
參考文獻(xiàn)
?。?］中國(guó)建筑科學(xué)研究院。建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94－94）［S］。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995
?。?］中華人民共和國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)部。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ7－89）［S］。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989.
?。?］陳載賦。鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)與特種結(jié)構(gòu)手冊(cè)［M］。成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1994.
?。?］J E波勒斯。基礎(chǔ)工程分析與設(shè)計(jì)［M］。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987.
