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厚層老黏土區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁上浮分析與處理對(duì)策

2020-09-25 03:46彭典華呂桂生
廣東土木與建筑 2020年9期
關(guān)鍵詞:厚層沉樁管樁

彭典華,呂桂生

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司 武漢430080)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展,濱海城市建設(shè)逐漸向海邊洼地拓展,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁因生產(chǎn)工廠化、樁身質(zhì)量穩(wěn)定、施工速度快、造價(jià)低及環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于濱海地區(qū)工程建設(shè)項(xiàng)目中。濱海地區(qū)地層多為上軟下硬(如吹填土、淤泥或淤泥質(zhì)土、厚層老黏性土、密實(shí)砂卵石層、基巖)。在厚層老黏性土層中施工管樁時(shí),如布樁密度大,非常容易產(chǎn)生較嚴(yán)重的擠土效應(yīng),主要表現(xiàn)在[1-5]:①沉樁時(shí)產(chǎn)生較明顯的地面豎向隆起和土體水平向位移,導(dǎo)致鄰近樁產(chǎn)生上浮、偏移位和樁身屈曲,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致樁身斷裂;②對(duì)鄰近建構(gòu)筑物或地下管線造成不良影響甚至破壞;③因樁周粘性土中應(yīng)力不斷增大,導(dǎo)致其超孔隙水壓力不斷疊加,而在后期超孔隙水壓力緩慢消散過(guò)程中,使樁基承載力具有較明顯的時(shí)間效應(yīng);④樁周土體被擾動(dòng)或重塑,土的原始結(jié)構(gòu)遭到破壞,土的工程性質(zhì)與沉樁前相比有較大改變(粘性土強(qiáng)度降低,砂性土擠密);⑤深基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí),由于擠土應(yīng)力的釋放,極易出現(xiàn)樁的偏位、傾斜,甚至折斷等現(xiàn)象。

預(yù)應(yīng)力管樁在濱海地區(qū)應(yīng)用時(shí),如何避免因擠土效應(yīng)帶來(lái)基礎(chǔ)質(zhì)量問(wèn)題,并形成有效的配套處理方法,是工程技術(shù)人員應(yīng)該思考和關(guān)注的問(wèn)題。本文結(jié)合濱海地區(qū)某銅冶煉基地項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力管樁上浮現(xiàn)象的分析處理,提出了解決樁體上浮的幾點(diǎn)較有效的措施,對(duì)處理類似工程問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值。

1 管樁上浮機(jī)理

取一段管樁為受力分析隔離體,作用在隔離體上有浮力、樁側(cè)摩阻力(牽引力)、合阻力(即阻止樁向上或下運(yùn)動(dòng)的阻力總和反作用于隔離體的力)和重力(隔離體自重),樁體是否上浮實(shí)質(zhì)是四者平衡關(guān)系協(xié)調(diào)的結(jié)果[6~8]。浮力為隔離體上、下底面的壓力差,與孔隙水壓力分布梯度緊密相關(guān)。在沉樁過(guò)程中,樁周土體結(jié)構(gòu)受擠壓變形而產(chǎn)生破壞,在一定徑向范圍形成擾動(dòng)或重塑區(qū),該范圍內(nèi)土體強(qiáng)度有所下降,并以樁體為中心沿垂直或徑向移動(dòng)來(lái)消散外力,而當(dāng)樁周為老黏性土體時(shí),其壓縮性低,在徑向移動(dòng)受限后,僅能通過(guò)垂直向上的運(yùn)動(dòng)來(lái)消散應(yīng)力,優(yōu)先從先打入樁周形成的擾動(dòng)或重塑區(qū)釋放壓應(yīng)力,且由此而產(chǎn)生的超孔隙水壓力增長(zhǎng)程度在飽和老黏土中較高,緩慢的消散速度致使其破壞力增強(qiáng),更容易造成樁周土的向上運(yùn)動(dòng)。而牽引力與樁周土體運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)(方向)有關(guān),樁周土體向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越大,樁周土對(duì)樁的向上摩擦力亦越強(qiáng),即向上牽引力越大。當(dāng)牽引力與浮力和合力大于重力與合阻力的合力時(shí),樁體出現(xiàn)上浮。另在覆土壓力的影響下,淺部土體比深部土體的擠土效應(yīng)要明顯得多,隆起量越多。

產(chǎn)生樁上浮的條件有:高密度布樁(特別是樁徑不小于500 mm、樁間距4~4.5d、片塊狀布置樁)、施工速率較快、樁身穿越或進(jìn)入厚層老黏性土。由于老粘性土的滲透性較差,超孔隙水壓力的消散非常慢,有利于擠土效應(yīng)的產(chǎn)生;高密度布樁、施工速率越快,土體中應(yīng)力疊加效果就越顯著,基樁發(fā)生上浮的幾率則大幅增加。

2 工程概況

擬建場(chǎng)地位于某市濱海冶金產(chǎn)業(yè)園北側(cè),北臨作業(yè)區(qū)8~13 號(hào)碼頭群,東臨14~20 號(hào)碼頭群,西側(cè)靠園區(qū)疏港公路,原始地貌為濱海灘涂地貌,后經(jīng)人工圍海造地,形成魚(yú)塘。場(chǎng)地吹填整平,并經(jīng)真空聯(lián)合堆載(回填約2.0 m 厚粘性土)+滿夯的地基預(yù)處理后,地面高程達(dá)5.50 m左右。地層結(jié)構(gòu)及巖土參數(shù)如表1所示,地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面Fig.1 Engineering Geological Profile

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Foundation Soils

先期開(kāi)始施工的單元熔煉區(qū)爐體區(qū)采用PHC600-130(AB)型,樁間距2.4 m,正方形滿布,總樁數(shù)224套,設(shè)計(jì)承載力特征值2 100 kN,廠房基礎(chǔ)采用PHC500-120(AB)型,2~4 樁承臺(tái),樁間距1.8~2.5 m,樁數(shù)32 套,設(shè)計(jì)承載力特征值1 950 kN,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)均約48 m,樁身需穿越平均厚約15 m 可硬塑老黏土,樁端進(jìn)入含泥卵石層不少于6.0 m(實(shí)際施工進(jìn)入約3.0 m,樁長(zhǎng)約45 m),十字型樁尖,錘擊沉樁,采用設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)和貫入度雙控,最后三陣的貫入度為3~5 cm。因工期緊,4 臺(tái)錘擊式樁機(jī)同時(shí)施工,施工順序如圖2 所示。3 月1 日~4 日試驗(yàn)性施工,5 日開(kāi)始全面施工,至15 日完成沉樁256 套(平均日沉樁量約22 套)。該單元樁基施工完成7 天后進(jìn)行靜載試驗(yàn),PHC600 試驗(yàn)加載到3 300 kN 時(shí),沉降急劇增加,北側(cè)最先施工的樁試驗(yàn)沉降量達(dá)300 mm 依然未穩(wěn)定,周邊PHC500的廠柱基礎(chǔ)樁靜載試驗(yàn)?zāi)芗虞d到3 800 kN,較PHC600樁稍好。施工期間樁基區(qū)域地面隆起250~500 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、地面隆起量、現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)及低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果等綜合判斷:該區(qū)域內(nèi)大部分管樁發(fā)生了上浮。

圖2 打樁順序Fig.2 Piling Sequence

3 上浮分析及處理

3.1 上浮分析

如圖2 所示,布樁密度大,PHC600 管樁樁間距2.4 m×2.4 m,平面布樁系數(shù)約5.0%,大于預(yù)制樁穿深厚軟土?xí)r平面布樁系數(shù)不宜大于4.0%和擠土樁最小樁間距4.5倍樁徑的要求[9,10]。

沉樁速度過(guò)快,在厚層可硬塑老黏土中沉樁時(shí),由于樁的擠密效應(yīng),在樁周的黏性土層中產(chǎn)生超孔隙水壓力快速疊加,導(dǎo)致土體的隆起和側(cè)移。因工期緊,4 臺(tái)打樁機(jī)同時(shí)從北向南進(jìn)行打樁施工,如圖3 所示。每日沉樁速度較快,圖3顯示每日沉樁數(shù),施工期間單日最大沉樁數(shù)為41套,平均每天成樁約22套,超孔隙水壓力和土體變形來(lái)不及充分消散,此時(shí)的飽和粘性土表現(xiàn)為較大的隆起變形,樁周形成擾動(dòng)重塑區(qū),樁身被抬起,樁尖脫離持力層。

場(chǎng)區(qū)淺部為厚10~20 m 的淤泥或淤泥質(zhì)粘土,中部為約15 m 厚的可硬塑老黏土,下部為含泥卵石(樁端持力層)。淺層軟土雖在樁基施工前進(jìn)行過(guò)預(yù)處理,能有效完成大部分沉降固結(jié),但深層厚層可硬塑老黏土在高密度快速沉樁過(guò)程中,在土體中產(chǎn)生嚴(yán)重的擠土效應(yīng),導(dǎo)致深層老黏土超孔隙水壓力急劇上升,因滲透性很差,迫使土體隆起,引起樁身上浮和偏移。后期開(kāi)挖校測(cè)樁頭軸線位置印證了樁位偏移,特別是群樁外圍先打的樁偏移量較大。

綜上所述,本預(yù)應(yīng)力管樁產(chǎn)生上浮內(nèi)因在于樁身需穿越厚層老黏土,外因?yàn)楦呙芏炔紭逗涂焖俪翗丁?/p>

3.2 上浮樁處理

針對(duì)管樁上浮較成熟的處理方法:①?gòu)?fù)壓;②錘擊復(fù)打;③樁底壓密注漿;④樁底旋噴注漿;⑤補(bǔ)樁,補(bǔ)鉆孔樁或錨桿樁;⑥復(fù)合地基,樁間補(bǔ)打柔性樁加強(qiáng)樁間土。樁基施工帶樁尖,管樁內(nèi)取土壓密注漿和旋噴注漿均不可取,樁外注漿經(jīng)濟(jì)成本較大,且工期較長(zhǎng);大面積浮樁采用補(bǔ)樁法不僅成本高而且工期長(zhǎng);錘擊復(fù)打有較多成熟經(jīng)驗(yàn),但要求待復(fù)打樁樁頭有完整法蘭盤(pán),施工人員具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)于中長(zhǎng)樁,復(fù)打后的總錘擊數(shù)易超過(guò)樁身疲勞強(qiáng)度極限,造成樁身?yè)p壞。在充分分析、比較后,決定采用靜壓樁機(jī)進(jìn)行復(fù)壓的處理方案。

復(fù)壓處理采用600 t 靜壓樁機(jī)進(jìn)行,復(fù)壓施工終壓標(biāo)準(zhǔn)控制為設(shè)計(jì)特征值的2.2~3.0 倍,采用逐步加載多次復(fù)壓的方式。對(duì)于已破樁頭鋸切平整,在樁頭處覆蓋15~30 mm 橡膠帶并套上覆鋼帽,以保護(hù)已破樁頭不被壓碎,根據(jù)不同的送樁深度分層開(kāi)挖,分層復(fù)壓。復(fù)壓樁頂壓沉量等值線如圖4所示。

從圖4可看出,壓沉量較大(即上浮量大于500 mm)的樁主要集中在群樁中部,結(jié)合圖3 和圖4 的施工順序和單日沉樁數(shù)量看,施工設(shè)備集中、日沉樁量較大的區(qū)域或時(shí)段樁基的上浮量較大。從圖5 可以看出,最大壓沉量約為100 cm,約90%的樁復(fù)壓沉降量大于10 cm,約75%的樁復(fù)壓沉降量為10~60 cm,復(fù)壓沉降量為30~40 cm的占比最大,約22%。

圖3 熔煉區(qū)每日施工樁數(shù)Fig.3 Number of Piles Constructed Per Day in the Melting Zone(set)

圖4 復(fù)壓壓沉量等值線Fig.4 Pressure-sink Isoline(mm)

圖5 復(fù)壓沉降量分布比例Fig.5 Ratio of Distribution of Settlement under Recompression

3.3 處理效果

熔煉區(qū)為冶煉基地最先施工、工期最緊的施工單元,施工中涉及的問(wèn)題又極具代表性,為了能總結(jié)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)其他各單元的后續(xù)施工,也為了驗(yàn)證上浮樁復(fù)壓后的質(zhì)量是否能保證滿足工程設(shè)計(jì)要求,各參建方會(huì)商對(duì)復(fù)壓樁全部進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè),并抽取10%樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè),Ⅰ類樁為97.8%,Ⅱ類樁2.2%,抽檢樁位偏移較大的邊樁傾斜率均不大于1.0%,對(duì)復(fù)壓樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)均能達(dá)到設(shè)計(jì)承載力,如表2所示。

從表2 可以看出,復(fù)壓處理后PHC600 的單樁豎向極限承載力均不小于4 200 kN,后期臨近吹煉主廠房的載荷試驗(yàn)得到了進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

表2 單樁靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)一覽Tab.2 Single Pile Static Load Test

4 預(yù)防措施

基于熔煉區(qū)熔煉主廠房樁基施工后普遍出現(xiàn)樁上浮現(xiàn)象,通過(guò)復(fù)壓后樁基承載力能滿足設(shè)計(jì)要求,為此針對(duì)冶煉基地其他管樁,特別是群樁基礎(chǔ)施工提出幾點(diǎn)避免浮樁現(xiàn)象的措施:

⑴優(yōu)化施工順序、工藝和沉樁速度。采用由中間向兩邊沉樁順序,對(duì)于間距較小的樁,采用跳打的方式。有條件的情況下優(yōu)先采用靜壓樁機(jī),減小施工振動(dòng)對(duì)周?chē)軜兜挠绊?,控制單日沉樁速度(單日沉樁?shù)不宜大于15 套),控制土體中超孔隙水壓力上升速率,嚴(yán)禁數(shù)臺(tái)樁機(jī)集中在一起快速沉樁。

⑵高密度布樁區(qū)。在樁位處設(shè)置適當(dāng)減壓孔或在非樁位處設(shè)置適當(dāng)應(yīng)力釋放孔,減少沉樁擠土效應(yīng);或在非樁位處設(shè)置豎向排水通道,加快超孔隙水壓力的消散。

⑶采用信息化施工。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)做好樁頂標(biāo)高測(cè)量工作,及時(shí)復(fù)測(cè)已打樁頂標(biāo)高,對(duì)上浮現(xiàn)象及時(shí)做出判斷及采取措施。

⑷正確選擇樁型可以避免及減少擠土效應(yīng)的有害影響,避免采用高密度、大直徑的預(yù)應(yīng)力管樁,盡量選擇非擠土樁、部分?jǐn)D土小直徑管樁,如單樁排土量PHC500較PHC600減少約45%。

⑸合理確定樁距,預(yù)應(yīng)力管樁最小樁中心距應(yīng)不小于4.5d(d 為管樁直徑)。對(duì)非飽和土的最大布樁平面系數(shù)應(yīng)控制在6.5%以內(nèi),對(duì)飽和土的最大布樁平面系數(shù)控制在5%以內(nèi)。

⑹增加合阻力,在已打樁樁頂增加覆壓配重進(jìn)行反壓,提高已打樁樁體的上浮阻力。

針對(duì)各單元結(jié)構(gòu)荷載分布特點(diǎn)和選擇合理的施工節(jié)奏和順序,并利用場(chǎng)地地基預(yù)壓處理遺留的塑料排水板等措施,后續(xù)的施工監(jiān)測(cè)和檢測(cè)表明,其他單元如全廠控制中心、電解區(qū)、硫酸區(qū)及廠前工輔區(qū)等浮樁現(xiàn)象均得到了有效控制。

針對(duì)受結(jié)構(gòu)荷載分布需要而無(wú)法采取少布樁、大間距及小直徑布樁的單元,盡量降低單日沉樁數(shù)量,合理安排施工順序,加強(qiáng)樁位監(jiān)測(cè)等措施,避免出現(xiàn)樁位偏移過(guò)大、斷樁。對(duì)上浮樁進(jìn)行復(fù)壓沉降量最大為60 cm,復(fù)壓沉降量在10~50 cm間的樁占比約44%,復(fù)壓沉降量小于10 cm 的占比約53%,復(fù)壓后檢測(cè)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,如吹煉主廠房、精煉主廠房、余熱鍋爐/發(fā)電、蒸汽干燥及冰銅庫(kù)等區(qū)域。因受場(chǎng)地條件限制,少部分上浮樁進(jìn)行復(fù)打,發(fā)現(xiàn)復(fù)打極易導(dǎo)致首節(jié)樁出現(xiàn)豎向裂縫(淺部肉眼可見(jiàn)),如裂縫僅在待截除多余樁段出現(xiàn),則截樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高后,檢測(cè)合格可以使用;如裂縫貫通整節(jié)樁或在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高下有分布,則進(jìn)行補(bǔ)樁。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)濱海區(qū)厚層老黏土中預(yù)應(yīng)力管樁上浮原因分析,給出了避免樁上浮的若干措施及無(wú)法避免樁上浮時(shí)的處理方法,順利完成該基地近萬(wàn)套預(yù)應(yīng)力管樁的施工,并得出結(jié)論如下:

⑴濱海地區(qū)上軟下硬的地層中,高密度布樁時(shí),極易出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力管樁上浮的現(xiàn)象,合理選擇施工順序、工藝和沉樁速度尤為重要;

⑵在深厚飽和粘性土(上部軟土和下部老黏土)區(qū)域采用預(yù)應(yīng)力管樁時(shí),樁間距宜取上限值,必要時(shí)采用適當(dāng)泄壓孔且在上部軟土中設(shè)置豎向排水通道;

⑶針對(duì)性地采取措施能有效降低管樁上浮量(即浮樁數(shù)量和上浮高度);

⑷復(fù)壓處理上浮管樁比較經(jīng)濟(jì)、安全和合理,盡量避免對(duì)上浮樁復(fù)打;

⑸同等條件下應(yīng)盡量采用靜壓樁機(jī)進(jìn)行沉樁施工,并在沉樁施工過(guò)程中進(jìn)行3~5 次的復(fù)壓(每次穩(wěn)壓不少于5 s),避免或減少浮樁現(xiàn)象。

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