預(yù)應(yīng)力管樁處理軟弱土單樁承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

劉兆鵬 張繼平 張印濤

【摘要】成都天府機(jī)場(chǎng)軟弱土厚度分布不均，填方高度不一，飛行區(qū)局部原碎石樁＋塑料排水板處理區(qū)沉降收斂緩慢。為評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力管樁對(duì)沉降緩慢區(qū)軟弱土處理的適用性、確定地基處理方案，開展了預(yù)應(yīng)力管樁單樁承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力管樁單樁豎向承載力較高、樁身完整性好、質(zhì)量可控，適用于原碎石樁＋塑料排水板處理區(qū)軟弱土的加固處理。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為后續(xù)正式工程確定預(yù)應(yīng)力管樁施工工藝和參數(shù)，制定單樁豎向承載力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】軟弱土;預(yù)應(yīng)力管樁;單樁承載力;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】 TU473.1＋1????????? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

預(yù)應(yīng)力管樁（以下簡(jiǎn)稱"管樁"）根據(jù)樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)和主筋配筋形式可分為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（簡(jiǎn)稱 PHC 管樁）、混合配筋管樁（簡(jiǎn)稱 PRC管樁）和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（簡(jiǎn)稱 PC管樁）[1]。管樁地基具有沉降變形小、質(zhì)量易控制、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)與民用建筑、公路等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用[2]。

針對(duì)軟弱地基管樁單樁的承載特性和施工工藝亦有較多的研究。劉文慶[3]對(duì) PHC管樁處理后的高速公路軟弱地基進(jìn)行了沉降計(jì)算，驗(yàn)證了其滿足規(guī)范要求;李文勇等[4]采用數(shù)學(xué)模型對(duì)安慈高速軟土地基管樁單樁極限承載力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比;張聰[5]通過理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，對(duì)超長 PHC管樁的豎向荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了研究;謝澤華等[6]對(duì)管樁加固沿海高速公路軟土地基進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證了管樁加固軟土的有效性;宋文濤[7]針對(duì)管樁處理某高速公路軟土路基的研究表明，管樁在施工中會(huì)出現(xiàn)樁身開裂、棱角掉落、樁位偏斜等質(zhì)量問題，施工前需提出防治措施，確保管樁的施工質(zhì)量。

上述關(guān)于管樁的研究，均是針對(duì)特定區(qū)域的軟土進(jìn)行的，因不同地區(qū)軟土性質(zhì)、施工環(huán)境等均存在差異，特別是將管樁作為復(fù)合地基處理軟弱土，在機(jī)場(chǎng)道面區(qū)中的應(yīng)用較少[8]，缺乏可參考的經(jīng)驗(yàn)資料。在進(jìn)行大面積地基處理前，需通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)判斷其適用性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，確定檢測(cè)指標(biāo)等。本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)管樁處理軟弱土的適用性，并為后續(xù)正式工程確定管樁施工工藝和參數(shù)，制定單樁豎向承載力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等提供依據(jù)。

1工程背景

成都天府機(jī)場(chǎng)本期飛行區(qū)工程包括新建西一、東一、北一跑道及相應(yīng)的滑行道及站坪。工程場(chǎng)區(qū)屬淺丘寬谷地貌，場(chǎng)地高程大部分在420～470 m之間。場(chǎng)區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，沖溝面積占場(chǎng)區(qū)總面積的26.5%，沖溝內(nèi)分布厚薄不均的軟弱土，軟弱土最厚達(dá)14.4 m，是沉降的主要地層。同時(shí)，填方區(qū)填方高度變化較大，下伏軟弱土容易產(chǎn)生不均勻沉降。

為減少工后沉降和工后差異沉降，飛行區(qū)道面影響區(qū)大面積采用以排水固結(jié)為主的碎石樁＋塑料排水板地基處理，在充分利用填方荷載預(yù)壓的同時(shí)，還進(jìn)行了堆載預(yù)壓處理，以加速地基施工期沉降。因部分碎石樁＋塑料排水板處理區(qū)受場(chǎng)地條件影響，堆載預(yù)壓受限，施工期監(jiān)測(cè)資料顯示，上述區(qū)域沉降收斂緩慢，為保證工程質(zhì)量和工程進(jìn)度，需提前確定地基處理加固方案。因此，開展了管樁處理軟弱土單樁承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)位置及概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位于擬建道肩區(qū)，尺寸為25 m×25 m，原設(shè)計(jì)采用碎石樁＋塑料排水板進(jìn)行地基處理，填方高度9.8 m，堆載高度5.5 m。地基處理及土石方填筑前，該區(qū)域典型鉆孔揭露地層情況如下所述。

第①2層素填土：層底高程429.91 m，層厚0.6 m， 主要由黏土組成。第④1層粉質(zhì)黏土：層底高程420.71 m，層厚9.2 m，軟塑。第⑧2層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖：層底高程417.31 m， 層厚3.4 m， 屬極軟巖。第⑨3層中等風(fēng)化砂巖：層底高程414.01 m（勘察孔底底），層厚3.3 m，強(qiáng)度高。其中，軟弱土層為④1層軟塑狀粉質(zhì)黏土，其主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

2 .2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用管樁為 PHC400AB95型預(yù)應(yīng)力管樁，樁間距1.8 m，正三邊形布置，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層不小于1 m。樁頂設(shè)置樁帽，采用 C25水泥混凝土現(xiàn)澆，樁帽尺寸1.0 m ×1.0 m，厚度0.4 m。

成樁后通過樁身低應(yīng)變?cè)囼?yàn)判別樁身完整性，并對(duì)同一根樁進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)測(cè)試其單樁豎向承載力。

3現(xiàn)場(chǎng)施工及測(cè)試

3.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和規(guī)范要求，初定管樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要施工工藝：

（1）樁頂高程（基底開挖高程）。為避免預(yù)制樁施工對(duì)后續(xù)管線帶來不利影響，綜合地勢(shì)設(shè)計(jì)標(biāo)高、管線底標(biāo)高及樁帽高度，確定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樁頂標(biāo)高為435.0m。

（2）成樁工藝。采用錘擊法，收錘標(biāo)準(zhǔn)采用貫人度控制為主，樁長控制為輔，最后3振（每振10擊）每陣的貫人度不大于20 mm/10擊。

（3）接樁。采用E4303型焊條分2層焊接，焊后自然冷卻不少于8 min。

（4）截樁。采用鋸樁器將截樁線以上的樁體裁截。為驗(yàn)證施工工藝參數(shù)的可行性和施工機(jī)械的場(chǎng)地適應(yīng)性，先選取1#、14*2個(gè)樁位開展了試樁。試樁完成后，1"樁總錘擊數(shù)為543擊，人土深度15.5 m（樁端高程419.5 m），最后1m錘擊數(shù)163擊，最后3振（每振10擊）貫人度分別為20 mm、19 mm、18 mm。14* 樁總錘擊數(shù)為522擊，人土深度15.8 m（樁端高程419.2 m），最后1 m錘擊數(shù)178擊，最后3振（每振10擊）貫人度分別為20 mm、20 mm、19 mm。

臨近勘察鉆孔（編號(hào)XK3159 ，見第1.1節(jié)所述）顯示，試樁位置420.71 m高程處為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，417.31 m高程處為中等風(fēng)化砂巖。按照成樁后的樁端高程、詳勘鉆孔資料，1#、14 *樁端分別進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖1.21 m.1.51 m。由此可見，按照以上試樁工藝進(jìn)行試驗(yàn)，采用錘擊法成樁工藝，以最后3振每振貫人度不小于20mm作為成樁控制參數(shù)，施工后樁長能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

隨后，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)按照試樁驗(yàn)證后的管樁成樁工藝及參數(shù)開展了正式施工，為保證成樁質(zhì)量，施工時(shí)加設(shè)了樁尖。管樁日均施工10根，施工完成后，實(shí)際樁長為12.8～16.8 m。

3.2原位測(cè)試

管樁施工完成約1個(gè)月后，選取代表性的8根樁，進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱“靜載試驗(yàn)"，并分別在靜載試驗(yàn)前后對(duì)同一根樁進(jìn)行樁身低應(yīng)變?cè)囼?yàn)。

3.2.1靜載試驗(yàn)

3.2.1.1試驗(yàn)方法

按照J(rèn)GJ106-2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[9]進(jìn)行靜載試驗(yàn)，主要步驟：①清理場(chǎng)地及樁頭，儀器就位;②分級(jí)施加荷載，第--級(jí)荷載為600kN，隨后每級(jí)荷載增加300～3000 kN，共9級(jí);③每級(jí)加載后，按第5 min、15 min、30min、

45min.60min測(cè)讀樁頂沉降量，以后每隔30min測(cè)讀一次，樁頂沉降量穩(wěn)定后再施加下一級(jí)荷載;④當(dāng)荷載-沉降（Q-s）曲線上有可判定極限承載力的陡降段且樁頂總沉降量超過40 mm，或第n+1級(jí)荷載下的沉降與第n級(jí)荷載下的沉降之比不小于2且經(jīng)24 h尚未達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，終止加載;⑤分級(jí)卸載并測(cè)讀沉降量。

3.2.1.2試驗(yàn)結(jié)果

繪制Q-s曲線，見圖1。由圖1可見，Q -s曲線無明顯陡變段，呈緩變形，取沉降量為40mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值為單樁豎向極限承載力。將單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2，即可得到單樁豎向承載力特征值。單樁豎向極限承載力及單樁豎向承載力特征值見表2。

由表2可見，單樁豎向極限承載力為2 400～2 813 kN，平均值為2 594.5 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為133.3 kN;單樁豎向承載力特征值為1 200～1 407 kN，平均值為1 297.5 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為66.7 kN。

3.2.2樁身低應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

按照J(rèn)GJ 106 - 2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[9]采用基樁動(dòng)測(cè)儀進(jìn)行低應(yīng)變?cè)囼?yàn)，以測(cè)試樁身完整性，并判定樁身缺陷程度及位置。靜載試驗(yàn)前、后樁身低應(yīng)變測(cè)試結(jié)果見表3。

由表3可見，靜載試驗(yàn)前后樁身完整性類別均為1-II類，除111"樁靜載試驗(yàn)前其完整性類別為I類，靜載試驗(yàn)后其完整性類別為II類外，其他樁靜載試驗(yàn)前后樁身完整性類別未發(fā)生變化。II 類樁樁身缺陷位置在2.99 ～4.63 m之間，靜載試驗(yàn)后缺陷位置較靜載試驗(yàn)前位置偏上。

4討論

4.1施工工藝討論

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用管樁屬于高強(qiáng)度剛性樁，管樁為工廠化預(yù)制，樁端穿透填筑體及軟弱土層進(jìn)入持力層，達(dá)到加固軟弱土的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況和記錄，對(duì)管樁施工分析：

（1）當(dāng)土石方填筑高度較大且填筑體內(nèi)存在堅(jiān)硬巖石料的情況下，會(huì)出現(xiàn)管樁沉樁慢，施工困難的情況，在大面積施工時(shí)，可增設(shè)樁尖，必要時(shí)輔以引孔措施，以提高沉樁能力，加快施工速度。

（2）錘擊法沉樁工藝不可避免產(chǎn)生振動(dòng)，處理區(qū)周圍存在需要保護(hù)的既有設(shè)施時(shí)，需考慮一定的安全距離，或改用靜壓法沉樁工藝進(jìn)行施工。

（3）管樁日均施工10根，施工速度快，工期可控。

4.2原位測(cè)試結(jié)果討論

4.2.1單樁豎向承載力

由靜載試驗(yàn)結(jié)果可見，單樁豎向承載力特征值均達(dá)到1200 kN以上。同時(shí)，Q-s曲線呈緩變形，在最大試驗(yàn)荷載3000 kN情況下，樁身及地基土破壞特征不明顯，取樁頂沉降量為40 mm對(duì)應(yīng)的荷載作為單樁豎向極限承載力亦偏于安全[10]。

4.2.2樁身完整性

由低應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果可見，靜載試驗(yàn)前后樁身完整性類別均為 I-I類，符合規(guī)范要求，靜載試驗(yàn)基本未對(duì)樁身產(chǎn)生破壞性影響，管樁質(zhì)量可控。除111#樁外，其他樁靜載試驗(yàn)前后樁身完整性類別未發(fā)生變化。111#樁靜載試驗(yàn)前其完整性類別為 I類，靜載試驗(yàn)后為 I類，在所有測(cè)試樁中，該樁單樁豎向承載力最大，而樁長稍短，可能的原因?yàn)椋罕竟こ烫钪w為土石混合料，局部存在一定的不均勻性，該樁處的填筑體中巖石料占比較其他區(qū)域大且可能存在粒徑較大的填料，導(dǎo)致其單樁豎向承載力較大。同時(shí)，靜載試驗(yàn)后該樁缺陷位置距樁頂2.99 m，位于填筑體內(nèi)，靜載試驗(yàn)過程中樁身與填筑體發(fā)生相對(duì)位移，填筑體內(nèi)粒徑較大填料造成了樁身缺陷。對(duì)于 I類樁，靜載試驗(yàn)后缺陷位置較靜載試驗(yàn)前位置偏上，原因是在荷載作用下樁身缺陷發(fā)展變大。

綜上所述，本試驗(yàn)管樁承載能力較高，質(zhì)量可控，適用于加固原碎石樁+塑料排水板處理區(qū)域的軟弱土。后續(xù)正式工程應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)荷載情況和規(guī)范要求對(duì)預(yù)制樁布樁方式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如可由間距1.8 m的正三角形布置調(diào)整為間距1.8 m 的正方形布置。此外，考慮到場(chǎng)區(qū)條件復(fù)雜，在滿足地基沉降等工程要求的條件下[11]，單樁豎向承載力特征值檢測(cè)要求可取900 kN。

5結(jié)論

本文通過管樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)管樁加固原碎石樁+塑料排水板處理區(qū)軟弱土的適用性和單樁承載特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并確定了管樁施工工藝、提供了制定單樁豎向承載力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。得到主要結(jié)論和建議：

（1）管樁單樁承載能力較高，樁身完整性好，質(zhì)量可控，施工速度較快，適用于原碎石樁+塑料排水板處理區(qū)軟弱土的加固處理。

（2）正式工程應(yīng)用時(shí)，可適當(dāng)優(yōu)化管樁布置形式，由正三角形調(diào)整至正方形;單樁豎向承載力特征值檢測(cè)要求可取900 kN。

（3）管樁施工采用錘擊法沉樁工藝，收錘標(biāo)準(zhǔn)宜以貫人度控制為主，樁長控制為輔，最后3振（每振10擊）每振的貫人度不大于20 mm/10擊。

（4）大面積施工時(shí)，可通過采取設(shè)置樁尖、引孔等措施以確保預(yù)制樁施工符合設(shè)計(jì)要求。

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