预应力管桩基础设计应注意的问题

作者:佚名 来源:互联网 2012-11-24 15:12:33 0人评论 712次浏览 分类:基础工程

    经过十年来的推广应用,预应力混凝土管桩作为一种较新型的基桩已被广东土木界所接受。广东现有管桩厂四五十家,年生产量四百万米左右,占全国的三分之二以上。目前广东高层建筑桩基主要采用人工挖孔桩、冲钻孔灌注桩和预应力管桩。在10-40层楼房的基础工程中,原来采用人工挖孔桩和冲钻孔灌注桩的,有不少已被预应力管桩所替代,这是因为预应力管桩具有工程造价较便宜、质量较可靠、长度易调整、施工速度快、监理方便、检测时间短、现场简洁等优点。但是,若对管桩的应用条件认识不清,对使用方法掌握不当,也会发生工程质量问题。下面就设计预应力管桩基础应注意的问题谈一些看法。

 

一、管桩的应用条件

 

    了解管桩的应用条件,对控制管桩基础的设计质量非常有益。

    管桩的制作质量要求已有国家标准《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476-92)。管桩按混凝土强度等级分为:预应力混凝土管桩和预应力高强混凝土管桩。前者代号为PC桩,其混凝土强度等级一般为 C60C70;后者代号为PHC桩,混凝土强度等级为C80,一般要经过高压蒸养才能生产出来,从成型到使用权用的最短时间只需三四天。管桩按抗裂变距和极限变距的大小又可分为:A型、AB型、B型,有效预压应力值约3.56.0Mpa的有效预压应力,打桩时桩身混凝土就可能不会出现横向裂缝,所以,对于一般的建筑工程,采用A类或AB类型桩就行。目前,广东地区常用的管桩规格如表1

 

常用管桩规格表:

 

外径(㎜) 壁厚(混凝土强度等级 节长(承载力标准值(KN) 适用楼层

300 65-75 C60-80 511 600.900 612

400 90-95 C60-80 512 9001700 618

500 100 C60-80 512 18002350 1030

550 125 C80 512 20002700 2035

600 105-130 C80 613 18002500 1030

 

    管桩的施工方法即沉桩方式有六七种之多。广东前几年主要采用打入法,过去用过自由落锤,目前几乎都采用柴油锤。柴油锤的极限贯入度厂家规定为20/10击,过小的贯入度作业会损坏柴油锤,减少其使用寿命。

 

    管桩用柴油锤施打,震动大,噪音大。近年来,广东开发了一种静压沉桩工艺,即采用液压式静力压桩机将管桩压到设计持力层。前几年在广东应用的静压桩机,最大压桩力只有1600kN2400 kN,现在,静压桩机的最大压桩力增大到5000 kN,可以将φ500 和φ550的预应力管桩压下去,单桩承载力可达20002500 kN,适用于1530层的高层建筑,特别适用于市区施工。

 

    管桩桩尖形式主要有三种:十字型、圆锥型和开口型。前两种属于封口型。穿越砂层时,开口型和圆锥型比十字型好。开口型桩尖一般用在入土深度为40m以上且桩径≥550㎜的管桩工程中,成桩后桩身下部约有1/3-1/2桩长的内腔被土体塞住,从土体闭塞效果来看,单桩承载力不会降低,但挤土作用可以减少。封口桩尖成桩后,内腔可一目了然,对桩身质量及长度可用目测法检查,这是其他桩型所没有的。十字型桩尖加工容易,价钱便宜,破岩能力强,故广东省约90%以上的管桩采用十字型桩尖。桩尖规格不符合设计要求,也会造成工程质量事故。

 

    管桩桩端持力层可选择为强风化岩层、坚硬的粘土层或密实的砂层,广东汕头、湛江及珠江三角洲某些地区,基岩埋藏太深,管桩桩尖一般座落在中密至密实的砂层上,桩长约3040m,这是以桩侧摩阻力为主的端承摩擦桩。广东其他许多地区基岩埋藏较浅,约1030m,且基岩风化严重,强风化岩层厚达几米、十几米,这样的工程地质条件,最适合预应力管桩的应用。预应力管桩一般可以打入强风化岩层1-3m,即可打入N=5060的地层;管桩不可能打入中风化岩和微风化岩层。这是一个基本概念,弄不清这个概念就无法正确应用预应力管桩。

 

    预应力管桩的应用,同基他任何桩型一样都有基局限性。有些工程地质条件就不宜用预应力管桩。主要有下列四种:(1)孤石和障碍物多的地层不宜应用;(2)有坚硬夹层时不宜应用或慎用;(3)石灰岩地区不宜应用;(4)从松软突变到特别坚硬的地层不宜应用。详见下节2.4.

 

二、管桩基础设计应注意的问题

 

2.1工程勘察问题

 

    勘察是设计的前提。错误的勘察必然会导致错误的设计。目前工程勘察存在以下问题:

 

①勘察是设计的前提。错误的勘察点要适当加密。就是一些小型工程,勘察点也不宜少于五个。有些建设单位为省勘察费用而减少必要的勘察点,结果导致打桩施工时的更大浪费甚至失败。

 

②标贯试验次数少

 

    管桩工程要求地质勘察报告中多提供有用的N值,所谓有用的N值,主要是遇到砂夹层、下卧软弱层、残积层及强风化岩层时多做一些标贯试验,残积层最好每2m、强风化岩层最好每1m测一次N值,有利于配桩和打桩收锤。有些勘察单位往往在持力层上面的软土层中做了许多标贯试验,而在硬夹层和强风化岩层中一个也不做,这样会给设计和施工带来许多困难,甚至会引起工程质量中故。

 

③勘察中的弄虚作假

 

    个别勘察单位作风不正。有些孔根本没有钻探,凭空写出来。有些土层随意升级,如将残积土定为强风化岩,将强风化岩定为中风化岩。设计人员根据这些报告确定管桩的持力层,必然出差错。

 

④标贯值不准

 

    一个原因就是试验设备不标准,如锤不是63.5kg,落距不是76cm;另一原因就是触探杆长度校正系数取值问题,现行国家规范列出的触探杆长度最长21m,校正系数为0.7,而广东3040的管桩是常见的,根据广东经验,30m时校正系数为0.6139m0.52,有些勘察单位将大于21m的触探杆长度校正系数为0.7m,这就会引起对持力层的误判。三是当标贯深度达不到30cm时又如何表达N值,常用的换算方法不能反应实际情况。

 

⑤提供的岩土力学指标不符合实际

 

    目前有些勘察人员对建工方面的岩土标准不熟,对基础工程更是隔行隔山,加之现行规范对管桩基础没有专门的规定,给出的设计参数比实际偏小许多,不利于管桩的推广应用。

 

⑥标贯本身试验的缺陷

 

    目前我国的现场标贯试验几乎全是在水冲成孔中进行的,有的特种土层,遇水后立即软化,现场测得的贯入击数比实际偏低很多,根据这样的标贯击数来判断管桩的可打性,有时也会出差错。

 

2.2单桩承载力问题

 

①管桩的竖向承载力按现行规范公式计算普遍偏低

 

    对于入土深度40m以上的超长管桩,采用现行规范提供的设计参数,是可以求得较高的承载力,但对于一些1020的中短桩,尤其象广州开发区那样的地质,强风化岩层顶面埋深约20m,地面以下16-17m都是淤泥软土,只有下部2-3m才是硬塑土层,这种桩尖进入强风化岩层1-3m的管桩,按现行规范提供的设计参数计算,承载力远远偏小,有时计算值要比现在实际应用值小一半左右。单桩承载力设计值定得很低,会造成很大浪费。事实上,管桩有其独特之处,管桩穿越土层的能力比预预制方桩强得多,管桩桩尖进入风化岩层后,经过剧烈的挤压,桩尖附近的强风化岩层已不是原来的状态,岩体承载力几乎达到中风化岩体的原状水平,据对多知试压桩试验结果进行反算以及广州开发区建总对管桩应力实测数据表明,管桩桩尖进入强风化岩层后qp=50006000 kPaqs=130180kPa,而现行的规范没有列出强风化岩体的设计参数,一般的设计人员参照坚硬的土层,取qp=25003000 kPaqs=4050 kPa,这样的设计结果必然偏小。

 

    1991年笔者在《预应力管桩的设计、施工和工程质量控制》一文中提出了一个估算桩尖进入强风化岩层的管桩单桩竖向承载力标准值的经验公式。

 

    Rk=100NAp+UpΣqsiLi

 

    式中Rk——管桩竖向承载力标准值;

 

    N——桩端处强风化岩的标贯值;

 

    Ap——桩尖(封口)投影面积;

 

    Up——管桩桩身外周长;

 

    Li——各土层划分的各段桩长;

 

    qsi——桩周土的摩擦力标准值,按GBJ7-89规范附录十五所列数值的上限(高值)取用,强风化岩的qs值取150 kPa

 

    公式适用范围:

 

    a、管桩桩尖必须进入N50的强风化岩层,当N60时,取N=60

 

    b、当计算出来的Rk大于桩身额定承载力Rb时,取Rk为额定承载力Rb

 

所谓桩身额定承载力就是桩身最大允许轴向承压力,目前我国管桩生产厂家流行的算式是套用日本和英国的公式,即

 

    Rb=1/4*fce-σpc)·A

 

    式中Rb——管桩桩身额定承载力;

 

    fce——管桩桩身混凝土设计强度,如C80时,取fce=80 kPa

 

    σpc——桩身有效预应力;

 

    A——桩身有效横截面积。]

 

②桩间距大小影响管桩的承载力

 

    规定桩的最小中心距是为了减少桩周应力重迭,也是为了减少打桩对邻桩的影响.<建筑桩基技术规范>(JGJ94-94)规定挤土预桩排数超过三排(含三排)且桩数超过9(9)的摩擦型桩基,桩的最小中心距为3.0d。目前,大面积的管桩群,在高层建筑的塔楼基础中被广泛应用,有的一个大承台含有管桩200余根。如果此时桩间距仍为3.5甚至3.0,打桩引起的土体上涌现象很明显,有时甚至可以将施工场地地面抬高1左右,这样不仅影响桩的承载力,还可以将薄弱的管桩接头拉脱。因此高层建筑主楼的管桩基础,最小桩间距为4.0,有条件时采用4.5,这样挤土影响可大大减少,对保证管桩的设计承载力很有帮助。当然,太大的桩间距又会增加桩承台的造价。

 

③对静载试桩荷载最大值的不同理解将会引起对管桩承载力的不同评价

 

    现行基础规范采用RKR两种不同承载力表达方式,Rk是单桩的竖向承向承载力标准值,R是单桩竖向承载力设计值,对桩数为3根或3根以下的桩承台,取R=1.1 Rk,四根或四根以上的桩承台取R=1.2 Rk。检验单桩竖向承载力时是用2 Rk还是用2R来进行静载荷试验?不少设计人员往往要求将二倍的单桩承载力设计值作为静载试验荷载值来评价桩的好坏。这是一种误解。按规范要求,应以2 Rk作为最大荷载值来检验桩的承载力,因为2 Rk等于单桩竖向极限承载力。如果用2倍单桩承载力设计值,也即用2.4 Rk2.2 Rk(大于极限承载力)为最大荷载来试压,对一些承载力富余量较多的管桩,是可以过关的;对一些承载力没什么富余的管桩,按2 Rk来试压,是可以合格的,按2.4 Rk来试压是不合格的,结论完全不一样。

 

2.3收锤标准问题

 

    收锤标准即停止施打的控制条件与管桩的承载力之间的关系相当密切,尤其是最后贯入度,常常被作为收锤时的重要条件,但将最后贯入度作为收锤标准的唯一指标的观点值得商榷,因为贯入度本身就是一个变化的不确定的量:

 

①不同柴油锤贯入度就不同

 

    重锤与轻锤打同一根桩,贯入度要求不一样。

 

②不同桩长贯入度要求不同

 

    同一个锤打长桩和打短桩,贯入度要求不一样。根据动量原理,冲击能相同,质量大(长桩)的位移小即贯入度小,反之贯入度大。所以,承载力相同的管桩,短桩的贯入度要求可大一些,长桩的贯入度应该小一些。

 

③收锤时间不同贯入不一样

 

    在粘土层中打管桩,刚打好就立即测贯入度,贯入度可能比较大,由于粘土的重塑固结作用,过几小时或几天再测试,贯入度就小得多了,在一些风化残积土很厚的地区打桩,初时测出的贯入度比较大,只要停一二个小时再复打,贯入度就锐减,有的甚至变为零。而在砂层中打桩,刚收锤时贯入度很小,由于砂粒的松驰时效影响,过一段时间再复打,贯入度可能会变大。

 

④有无送桩器测出的贯入度不一样

 

    因为送桩器与桩头的连接不是刚性的,锤击能量在这里的传递不顺畅,所以,同一大小的冲击能量,直接作用在桩头上,测出的贯入度大一些,装上送桩器施打,测出的贯入度小一些。为要达到设计承载力,使用送桩器时的收锤贯入度应比不用送桩器的收锤贯入度要严些。

 

⑤不同设计在承载力贯入度要求也不同

 

    一般来说,同一场区同一规格承载力设计值较低的桩,收锤贯入度要求大一些,反之,贯入度可小一些。

 

⑥不同设计承载力贯入度的“灵敏度”不同

 

    以桩侧摩阻力为主的端承摩擦桩,对贯入度的“灵敏度”较低,摩阻力占的比例越大,“灵敏度”越低;而以桩端阻力为主的摩擦端承桩,由于要有足够的端承力作保证,收锤时的贯入度要求比较严格,也可说这类桩对贯入度的“灵敏度”高。

 

    广东近十年来应用管桩已有1000多万米,大多数(80%)管桩的桩尖座落在强风化基岩上,一般来说,桩尖进入N=5060的强风化岩层中,单桩承载力标准值可达到或接近管桩桩身的额定承载力,贯入度大多数为1550/10击,说明桩锤选小了,换大一级柴油锤即可解决问题。用重锤低击的施打方法,可使打桩的破损减少到最低程度,承载力也可达到设计要求。

 

    收锤标准应与场地的工程地质条件、单桩承载力设计值、桩的种类规格长短、柴油锤的冲击能量等多种因素有关,收锤标准应包括最后贯入度、桩入土深度、总锤击数、每米锤击数及最后1m锤击数、桩端持力层及桩尖进入持力层深度等综合指标。这些综合指标不是无侧重的,据笔者经验,桩端持力层、最后贯入度或最后1m锤击数这几个指标是收锤标准中的主要指标。桩端持力层是定性控制,最后贯入度或最后1m锤击数是定量控制。当然,主要指标也会随着工程条件不同而不所不同,如摩擦桩,上述三个指标都不是主要指标,桩长才是主要控控制指标。就是摩擦端承桩,上述三个主工指标也会随着地质条件的变化而变化,如强风化岩上面有10多米甚至更厚的坚硬风化残积土层,管桩桩端持力层并非一定要打到强风化岩层,大致进入坚硬风化残积土层,管桩桩端持力层并非一定要打到强风化岩层,大致进入坚硬的风化残积土层8m左右即要满足设计承载力和沉降要求,若死死抱住非打到强风化残积土层不可的观点,有时桩的总锤击数可高达30004000击,这对工程质量并无益处,每米进尺锤击数也是一个不可忽视的参考指标,通过观察桩的每米进尺锤击数,可以清楚地看出桩长范围内土层的软硬及厚度,甚至可以判断桩尖进入强风化岩层的深度,为打桩收锤提供直观的信息。所以,一定要具体情况具体分析,不能认为列出这么多收锤指标,收锤验收时一定要全部达以这些指标不可,应该有所侧重,突出重点,抓住主要矛盾,参考其他指标,作综合评定。否则,又会走向事物的另一端,引起新的工程质量问题。

 

    如何确定收锤标准?一般的规范都提出“宜通过试打桩确定”。通过试打桩可以了解管桩的可打性,验证选锤的合理程度,提出较适合实际的收锤标准。问题是大多数工程,试打桩以后没有立即进行静载荷试验,一般要等工程桩全部打完以后再做静载荷抽检,万一当初试打桩时收锤标准定得不当,等最后的静载荷试压结果出来,发现桩的承载力达不到设计要求,为时已晚,挽救非常困难,因而不少设计人员在试打桩时往往将收锤标准定得非常苛刻,从而与施工发生矛盾,为解决这一矛盾,笔者推荐有PDA打桩分析仪配合柴油打桩机进行现场试打桩,可以尽快地得出比较合理的收锤标准,方法是:①试打桩应选在地质钻探技术孔附近,按不少于1%工程桩数量且不少于3根进行;②按地质资料提供的桩入土深度再加长34m作为配桩长度,用柴油锤按常规方法施打;③桩尖接近持力层时桩头外装上传感器,启动PDA,继续锤击;④根据土的性质估计土的恢复系数,如在粘性土层,取恢复系数α=1.21.25;砂土层取α=0.91.0;⑤当PDA显示瞬时阻力为2 Rk/α时停止锤击,记下每米锤击数、入土深度,测出最后贯入度,分析桩尖进入持力层深度;⑥经过24h再复打一次,若PDA测出的瞬时阻力达到2 Rk时,说明恢复系数估计正确,前一天测得的收锤指标可以作为今后施打试桩附近的管桩的收锤验收标准。⑦整个场地几根试打桩完成后,经过综合分析,可提出整个场区的统一收锤标准,也可根据不同情况,分别提出不同的收锤标准。⑧全部工程桩打完后,再选一些试打桩作静载试验,进行动静对比。这样做,一般不会出什么问题。

 

2.4不宜应用管桩的工程地质条件问题

 

    设计者如果不了解不宜应用预应力管桩的地质条件而设计应用预应力管桩,那么一定不会出现工程质量事故。广东地区有过不少的失败实例。笔者有过这方面的总结文章,谈了四类不宜应用管桩的工程地质条件,其中孤石和障碍物多的地层、有坚硬夹层且又不能做持力层的地区不宜应用管桩,道理显而易见,此外不再赘述。

 

    下面重点探讨其他两类不宜应用预应力管桩的工程地质条件。

 

2.4.1石灰岩(岩溶)地区

 

    石灰岩不能做管桩的持力层,除非石灰岩上面存在可作管桩持力层的其他岩土层。大多数情况下,石灰岩上面的覆盖土层属于软土层,而石灰岩是水溶性岩石(包括其他溶岩)几乎没有强风化岩层,基岩表面就是新鲜岩面;在石灰岩地区,溶洞、溶沟、溶槽、石笋、漏斗等等“喀斯特”现象相当普遍,在这种地质条件下应用管桩,常常会发生下列工程质量事故:

 

①管桩一旦穿过覆盖层就立即接触到岩面,如果桩尖不发生滑移,那么贯入度就立即变得很小,桩身反弹特别厉害,管桩很快出现破环现象:或桩尖变形、或桩头打碎、或桩身断裂,破损率往往高达3050%

 

②桩尖接触岩面后,很容易沿倾斜的岩面滑移。有时桩身突然倾斜,断桩后可很快被发现;有时却慢慢地倾斜,到一定的时候桩身被折断,但不易发现。如果覆盖层浅而软,桩身跑位相当明显,即使桩身不折断,成桩的倾斜率大大超过规范要求。

 

③施工时桩长很难掌握,配桩相当困难。桩长参差不齐相差悬殊是石灰岩地区的普遍现象。

 

④桩尖只落在基岩面上,周围土体嵌固力很小,桩身稳定性差,有些桩的桩尖只有一部分在岩面上而另一部分却悬空着,桩的承载力难以得到保证。

 

    在岩溶地区打桩,时常可见到一种打桩的假象:当一根桩的桩尖附近的桩身混凝土被打碎以后,破碎处以上的桩身混凝土随着上部锤击打桩而连续不断地破坏,表面上看,锤击一下桩向下贯入一点,实质上这些锤击能量都用于破坏底部桩身混凝土并将其碎块挤压到四周的土层中,打桩入土深度仅仅是个假象而已。1994年广州市西郊某工程,设计采用φ400管桩,用D50柴油锤施打,取Rk=1200Kn,其中有一根桩足足打入73m,打桩时每锤击一次管桩向下贯入一点,未发现异常,但此地钻孔资料表明019m为软土,19.90m以下是微风化白云质灰岩,管桩不可能打入微风化岩。为了分析原因,设计者组织钻探队在离桩边约40㎝处进行补钻,当钻到地面以下1112m处,碰到混凝土破碎造成的,在这个工地上,类似这样的“超长桩”占整桩数15%以上,给基础工程质量的检测和补救工作带来许多困难和麻烦。总之,凡是设计以石灰岩做持力层的打入式管桩工程,没有一个设计师的日子是好过的。

 

2.4.2从松软突变到特别坚硬的地层

 

    大多数石灰岩地层也属于这种“上软下硬,软硬突变”的地层,但这里指的不是石灰岩,而是其他岩石如花岗岩、砂岩、泥岩等等,一般来说,这些岩石有强、中、微风化岩层之分,管桩以这些基岩的强风化层作桩端持力层是相当理想的,不过有些地区,基岩中缺少强风化岩层,且基岩上面的覆土层比较松软,在这样的地质条件下打管桩,有点类似于石灰岩地区,桩尖一接触硬岩层,贯入度就立即变小甚至为零。石灰岩地层溶洞、溶沟多,岩面地伏不平,而这类非溶岩面一般比较平坦,成桩的倾斜率没有石灰岩地区那么大,但打桩的破损率并不低。在这样的工程地质条件下打管桩,不管管桩质量多好,施工技术多高明,桩的破损率仍然会很高,这是因为中间缺少一层“缓冲层”。这个道理如同钉铁钉一样,铁钉钉入有弹性的木板时,敲一下进去一些,不会发生什么问题;铁钉若想打入坚硬的岩石时,只要敲几下就被弯而折屈。这样的工程地质条件在广州、佛山、三水、中山、深圳等地都遇到过,打管桩的破损率高达1020%,因此,有些工程半途改桩型,有些做补强措施,有些也弄得难以收场。实际上,基岩上部完全无强风化岩情况比较少见,但有些强风化岩层很薄,只有几十厘米,这样的地质条件应用管桩也是弊多利少。有些工程整个场区的强风化岩层较厚,只有少数承台下强风化的岩层很薄,那么,这少数承台中的桩,收锤贯入度要放宽,单桩承载力设计值要降低,适当增加一些桩,也是可以解决问题的。

 

    以上探讨的是打式管桩不宜实用的工程地质条件,如果是采用静压方法情况就不同了,有些不宜应用管桩的工程地质条件也可以应用管桩了,所以大吨位静力压桩法是大有发展前景的。

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