中掘法在管樁施工中的應(yīng)用及靜載試驗(yàn)分析★

楊振仲

(廈門城市職業(yè)學(xué)院,福建 廈門 361008)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(以下簡(jiǎn)稱管樁)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,在房屋建筑、市政、道路、橋梁、水利、碼頭等工程中得到了廣泛應(yīng)用。

管樁的沉樁施工方法多,根據(jù)設(shè)計(jì)要求、樁承載能力、樁基材料、樁基規(guī)格、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件及其他施工條件[1],我們可選擇錘擊法、靜壓法、中掘法和植入法等不同的沉樁施工方法。

2008年頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》只列入了錘擊法和靜壓法,沒有中掘法。雖然錘擊法和靜壓法比較早用于管樁施工,但是這兩種方法都存在一定的弊端。錘擊法的擠土效應(yīng)大,樁身易受損,對(duì)環(huán)境有振動(dòng)、噪聲、油煙污染等問題,它在城市中的應(yīng)用受到一定的限制。而采用靜壓法時(shí),亦存在明顯的擠土效應(yīng),對(duì)周邊環(huán)境有不利的影響,且壓樁機(jī)比較重,要求場(chǎng)地預(yù)先處理,作業(yè)面具有較高的承載力。采用這兩類方法的管樁直徑較小,一般為300 mm～600 mm,承載力有限,且無法用于建(構(gòu))筑物或地下管線密集的區(qū)域。

中掘法起源于20世紀(jì)80年代的日本,經(jīng)過多年的持續(xù)改進(jìn),技術(shù)上已經(jīng)比較成熟。到20世紀(jì)末,日本近70%的管樁施工采用中掘法[2]。21世紀(jì)初,國內(nèi)沈保漢[3]和侯寶隆[4]等介紹了中掘法。2012年,建華管樁集團(tuán)(現(xiàn)為建華建材投資有限公司,簡(jiǎn)稱建華建材集團(tuán))從日本引進(jìn)了中掘擴(kuò)底法施工裝備[5],并開始研究開發(fā)該工法。2017年,JGJ/T 406—2017預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)列入了中掘法。

中掘法優(yōu)點(diǎn)多,可以克服靜壓法和錘擊法的弊端,因此中掘法值得推廣。不過,作為較新的施工方法,很多人不了解中掘法,更不用說使用這種施工方法了。以下介紹中掘法在管樁施工中的應(yīng)用,并根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果,分析其抗壓承載能力。

1 適用范圍

中掘法適用于樁端持力層為一般黏性土層、粉土層、砂土層、碎石類土層、強(qiáng)風(fēng)化基巖和軟質(zhì)巖層的工程地質(zhì)情況[6],特別適合直徑800 mm及以上的管樁施工。

當(dāng)沉樁施工遇到下列情況時(shí),宜采用中掘法或植入法沉樁,并應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)沉樁工藝試驗(yàn)確定其適用性:

1)影響樁身質(zhì)量、鄰近建(構(gòu))筑物、地下管線的正常使用和安全時(shí)。

2)當(dāng)遇到碎(卵)石土、密實(shí)的砂土、堅(jiān)硬黏性土等硬土夾層,樁端難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)。

3)當(dāng)遇到孤石、漂石、堅(jiān)硬巖、較硬巖層或障礙物較多且不易清除時(shí)。

2 施工工藝

2.1 基本原理

中掘法的基本原理是在管樁中空部插入專用鉆頭,一邊鉆孔取土,一邊將管樁沉入土(巖)中;為了提高樁端阻力,可采用樁端擴(kuò)大頭加固方式、樁端加固方式及最終擊打方式;為了提高樁側(cè)摩阻力,可采取邊注漿邊鉆孔邊沉樁,由漿液填充樁身與樁周土體的空隙。

2.2 施工流程

中掘法沉樁的工法很多,比如中掘擴(kuò)底法(NAKS工法)、中掘高壓噴射擴(kuò)大頭加固法(STJ工法),以下介紹中掘擴(kuò)底法的施工流程。

1)鉆土沉樁。當(dāng)鉆頭進(jìn)入持力層之前,從鉆頭中排出壓縮空氣,同時(shí)以小于樁外徑的鉆頭直徑鉆挖樁端土體,使管樁下沉。

2)開啟擴(kuò)大翼。當(dāng)鉆頭到達(dá)持力層附近時(shí),啟用防自沉裝置,開啟液壓擴(kuò)大翼進(jìn)行鉆挖,通過數(shù)據(jù)化顯示確認(rèn)擴(kuò)大翼的開啟狀態(tài)。

3)修筑擴(kuò)大球根。擴(kuò)大翼鉆挖時(shí),注入高壓水泥漿,通過擴(kuò)大翼勻速攪拌,使水泥漿和持力層的砂礫充分拌合,修筑擴(kuò)大球根后,開啟防自沉裝置,將管樁沉入擴(kuò)大球根部的設(shè)計(jì)標(biāo)高,使樁端和擴(kuò)大球根融為一體。

4)提鉆定位。沉樁結(jié)束,啟動(dòng)防自沉裝置后,閉合液壓擴(kuò)大翼,隨后反向旋轉(zhuǎn),且提起長(zhǎng)螺旋,施工完畢。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)

中掘法主要具有以下優(yōu)缺點(diǎn):

1)優(yōu)點(diǎn)。a.擠土效應(yīng)小。在沉樁過程中,在管樁中空部鉆孔取土,減輕了擠土影響和壓樁力。b.環(huán)保節(jié)能,施工現(xiàn)場(chǎng)噪聲低,振動(dòng)小,無排漿污染,無粉塵,成樁后無需敲樁頭。c.可邊施工,邊看到施工數(shù)據(jù),質(zhì)量可控。d.可穿越碎(卵)石土、密實(shí)的砂土、堅(jiān)硬黏性土等硬土夾層。e.管樁起到護(hù)筒作用,可在傾斜土層和易坍塌的土層中施工。

2)缺點(diǎn)。a.當(dāng)施工大深度樁時(shí),不僅需要連接管樁,而且需要接長(zhǎng)螺旋鉆桿,施工比較麻煩。b.樁機(jī)比較大,場(chǎng)地狹窄難以施工。

3 靜載試驗(yàn)

確定單樁豎向抗壓極限承載力(簡(jiǎn)稱極限承載力)的方法有很多,根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》,以單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱靜載試驗(yàn))為主要依據(jù),進(jìn)行綜合判定[7]。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)由建華建材集團(tuán)提供。

3.1 工程概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于江蘇省句容市建華建材集團(tuán)所屬廠區(qū)內(nèi)。場(chǎng)地上層為粉質(zhì)黏土,下層為砂性土,場(chǎng)地土層主要由①素填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④粉土夾砂、⑤粉砂夾粉土、⑥粉細(xì)砂等組成,試樁以⑥層粉細(xì)砂作為樁端持力層。

各土層物理力學(xué)指標(biāo)詳見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)概況

對(duì)5根試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn),試樁的樁型包括錘擊法管樁、中掘不擴(kuò)底法管樁、中掘擴(kuò)底法管樁和鉆孔灌注樁。其中,試樁S1—S4均為樁徑800 mm、壁厚110 mm的PHC管樁,樁長(zhǎng)均為15 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80,試樁S5為同樁徑同樁長(zhǎng)的鉆孔灌注樁,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。本試驗(yàn)采用堆載法,用慢速維持荷載法加載。各試樁樁號(hào)、樁型、樁長(zhǎng)、樁徑和混凝土強(qiáng)度等級(jí)詳見表2。

表2 各試樁參數(shù)

4 抗壓承載能力分析

4.1 荷載-沉降規(guī)律分析

樁頂荷載-沉降曲線(Q-s曲線)綜合反映了樁-土體系的荷載傳遞、樁端阻力和樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮性狀[8]。根據(jù)各試樁靜載試驗(yàn)結(jié)果,繪制了各試樁Q-s曲線對(duì)比圖,如圖1所示。

對(duì)圖1進(jìn)行分析可得:

1)當(dāng)樁頂荷載Q較小時(shí),樁頂沉降量s亦較小。

2)隨著樁頂載荷Q逐漸增大,各試樁Q-s曲線斜率不斷增大,塑性變形亦逐漸增大。

3)Q-s曲線呈現(xiàn)緩變型。

4)當(dāng)樁頂總沉降量s達(dá)到60 mm～80 mm,終止加載,取s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值為極限荷載和極限承載力[9],各試樁極限承載力如表3所示。

表3 各試樁極限承載力

4.2 極限承載力分析

由表3可知:

1)采用錘擊法管樁S1的極限承載力最大。

2)中掘擴(kuò)底法管樁S3和S4的極限承載力比錘擊法管樁S1降低11.1%,但相較于同樁長(zhǎng)樁徑的鉆孔灌注樁S5,中掘擴(kuò)底法管樁的極限承載力有明顯提高,提高率達(dá)33.3%。

3)對(duì)比中掘擴(kuò)底法管樁S3,S4與不擴(kuò)底樁S2,擴(kuò)底樁比不擴(kuò)底樁的極限承載力也有明顯提高,提高率高達(dá)45.5%。

4.3 樁身軸力分析

在上述靜載試驗(yàn)中,在樁身預(yù)埋件上焊接應(yīng)力計(jì),從而得到樁身混凝土應(yīng)變和樁身軸力。在各級(jí)荷載作用下,各試樁樁身軸力沿樁身分布圖詳見圖2—圖5。

對(duì)圖2—圖5分析可得:

1)在各級(jí)荷載作用下,樁身軸力自上而下傳遞,隨著樁身深度增加,樁身軸力變小。

2)當(dāng)樁頂荷載較小時(shí),樁身下部軸力較小,樁端阻力較小,樁側(cè)摩阻力總和遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過樁端阻力。

3)隨著樁頂荷載增加,樁身軸力的傳遞曲線斜率逐漸增大,樁身下部軸力逐漸增大,樁端阻力逐漸發(fā)揮。

4)當(dāng)加載至極限荷載時(shí),試樁S1,S3和S4的樁端阻力分別為900 kN,1 055 kN,946 kN,占樁頂荷載的比值分別為33.3%,44.0%,39.4%,故這3根樁均為端承摩擦樁。雖然錘擊法管樁的極限承載力是中掘擴(kuò)底法管樁的1.13倍,但是其樁端承載力僅為中掘擴(kuò)底法管樁S3的85.3%,這說明中掘擴(kuò)底法管樁的樁端承載能力較高。

4.4 樁側(cè)摩阻力發(fā)揮性狀

在各級(jí)荷載作用下,各試樁樁側(cè)摩阻力沿樁身分布圖詳見圖6—圖10。

對(duì)圖6—圖10分析可得:

1)當(dāng)樁頂荷載較小時(shí),樁身淺層土體側(cè)摩阻力先發(fā)揮作用,深層土體側(cè)摩阻力后發(fā)揮作用,說明樁側(cè)摩阻力發(fā)揮具有從淺層土體向深層土體逐漸傳遞的特點(diǎn)。

2)隨著樁頂荷載增大,深層土體側(cè)摩阻力的增長(zhǎng)幅度大于淺層土體,在樁頂荷載加到較高等級(jí)后,部分淺層土體達(dá)到極限側(cè)摩阻力,而深層土體側(cè)摩阻力則繼續(xù)增大。

3)與錘擊法管樁相比,中掘法管樁在各土層的極限側(cè)摩阻力均明顯降低,這表明中掘法降低了樁側(cè)摩阻力,中掘法沉樁擠土效應(yīng)小。

4)與中掘不擴(kuò)底法管樁相比,中掘擴(kuò)底法管樁側(cè)摩阻力有較明顯提高。其中,樁身上部側(cè)摩阻力基本相當(dāng),而樁身下部側(cè)摩阻力有較明顯提高。這是由于擴(kuò)底樁在樁端注漿形成擴(kuò)大頭,在注漿壓力作用下,漿液會(huì)在樁端以上一定高度范圍內(nèi)沿著樁土間上滲,填充樁身與樁周邊土體的空隙,并滲入樁周土體一定寬度范圍,在樁周形成脈狀結(jié)石體,如同樹根植入土中,從而提高樁身下部側(cè)摩阻力。

5 結(jié)論

基于靜載試驗(yàn),研究中掘法管樁的抗壓承載能力,得到以下結(jié)論:

1)中掘法管樁Q-s曲線呈現(xiàn)緩變型,當(dāng)樁頂總沉降量s達(dá)到60 mm～80 mm,終止加載,取s=40 mm對(duì)應(yīng)的荷載值為極限荷載和極限承載力。

2)當(dāng)樁長(zhǎng)和樁徑均相等時(shí),中掘擴(kuò)底法管樁的極限承載力約為錘擊法管樁的90%,但是比鉆孔灌注樁高30%左右,比中掘不擴(kuò)底法管樁高45%左右。

3)雖然中掘擴(kuò)底法管樁的極限承載力比錘擊法管樁低,僅表現(xiàn)為樁側(cè)摩阻力降低,但是樁端阻力有明顯提高。

4)中掘法管樁樁身軸力自上而下傳遞,樁端阻力和樁側(cè)摩阻力沒有同步發(fā)揮。當(dāng)樁頂荷載較小時(shí),樁側(cè)摩阻力總和遠(yuǎn)超樁端阻力,隨著樁頂荷載增大,樁端阻力不斷增大。

5)樁側(cè)摩阻力發(fā)揮性狀受到土體深度和樁頂荷載等影響。

6)中掘擴(kuò)底法管樁豎向抗壓承載能力高。當(dāng)加載至極限荷載時(shí),樁端阻力約占樁頂荷載的40%,管樁為端承摩擦樁,樁端承載能力較高,而較高的樁端阻力提高了樁身下部的樁側(cè)摩阻力。

綜上所述,中掘擴(kuò)底法管樁豎向抗壓承載能力高,具有較多優(yōu)點(diǎn),值得在工程應(yīng)用中大力推廣。