曾翔
(廣東厚普建設(shè)工程有限公司,廣東 廣州 511400)
近年來(lái),伴隨土體條件的變化,樁基工程技術(shù)在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用,作為建筑物和構(gòu)筑物的支撐元素,樁基工程技術(shù)應(yīng)用的歷史和經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明這種類型的基礎(chǔ)是可靠的,具有很強(qiáng)的實(shí)用功能。
根據(jù)土體條件和荷載組合的特點(diǎn),可以設(shè)計(jì)大量不同的樁身形狀和截面,以及不同的安裝技術(shù)。根據(jù)整體分類,樁可分為預(yù)制(打樁機(jī)、千斤頂、螺旋)和現(xiàn)澆(在施工現(xiàn)場(chǎng)使用各種技術(shù)直接制造),這類樁的強(qiáng)度基本相同。打入樁的三種主要設(shè)計(jì)方案可以區(qū)分:棱柱式,空心圓(直徑可達(dá)800mm)、空心殼(直徑超過(guò)800mm)以及金字塔樁??招膱A形和金字塔形樁在某些地區(qū)由于土壤條件的合理性而偶爾使用,棱形樁在任何地方都被大量使用。灌注樁的形式多種多樣,其中樁身的形狀(錐體或圓柱狀,有膨大或不膨大)、成井方式、樁體的澆筑工藝是主要的參數(shù)。鉆孔分為鉆孔和不鉆孔的方法(例如,驅(qū)動(dòng)、沖孔、頂起、滾動(dòng)和旋進(jìn))。目前樁基工程技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)是采用大長(zhǎng)度(50m以上)、大直徑(1.2~2.0m)的鉆孔灌注樁,以及采用高壓射流灌注樁。
目前最常見(jiàn)的樁基礎(chǔ)有:?jiǎn)螛?、條形、群樁和樁筏。單樁基礎(chǔ)是以在框架建筑或結(jié)構(gòu)的柱下的單樁形式實(shí)現(xiàn)的。這樣的基礎(chǔ)比聚類的方法更具成本效益,因?yàn)闆](méi)有格柵,格柵雖然不是承重單元,但占基礎(chǔ)體積的40%~50%。在單樁基礎(chǔ)的種類中,最常見(jiàn)的有鉆孔灌注樁、打入柱樁、殼樁和錐形灌注樁,結(jié)合承臺(tái)、封頭、擴(kuò)孔、柱樁主要用于管道支撐,在某些情況下,用于框架單層建筑的施工,柱荷載可達(dá)400~500kN。單樁基礎(chǔ)也用于橋梁建設(shè),以及基礎(chǔ)荷載高達(dá)1500~2000kN的框架建筑和結(jié)構(gòu)。與組合地基相比,其主要缺點(diǎn)是水平荷載和彎矩承載力有限。條形和群樁基礎(chǔ)是通用結(jié)構(gòu),成功應(yīng)用于無(wú)框架和框架建筑。此外,包括多排樁在內(nèi)的條形樁基礎(chǔ)在工程中具有廣泛應(yīng)用的特點(diǎn)。在過(guò)去的三十年中,以鋼筋混凝土筏連接樁場(chǎng)的樁筏基礎(chǔ)也得到了廣泛應(yīng)用,使用樁筏基礎(chǔ)的想法是為了利用它們的荷載分配能力(特別是在惡劣的土壤條件下,在沉重的荷載下),因?yàn)檫@種樁能夠顯著減少基礎(chǔ)沉降和由此產(chǎn)生的建筑結(jié)構(gòu)變形。
單樁的比值一般在l/d>20的范圍內(nèi),(其中l(wèi)為樁的長(zhǎng)度,d為樁的截面尺寸),即所謂的“懸掛”樁,即使在較小的荷載(通常在建筑物和構(gòu)筑物允許的荷載下),也具有沖錘沉降的特點(diǎn)。樁周土體的極限狀態(tài)同時(shí)發(fā)生在達(dá)到極限土體抗剪強(qiáng)度的時(shí)刻,也發(fā)生在樁側(cè)表面和樁端下方。斜面樁的三種強(qiáng)度構(gòu)件也有相似的規(guī)律,變截面樁(錐形、錐形)在樁基工程形成初期就已經(jīng)引起了研究人員的關(guān)注。由于摩擦力和樁尖下的地面強(qiáng)度,金字塔樁側(cè)表面的極限強(qiáng)度幾乎同時(shí)達(dá)到,棱形樁在樁側(cè)表面摩擦強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí),樁端下方的強(qiáng)度隨著強(qiáng)度的增大而繼續(xù)增大。在此基礎(chǔ)上,提出了考慮三種土體強(qiáng)度成分的金字塔樁承載力確定設(shè)計(jì)方案。采用樁的截面尺寸隨當(dāng)前深度參數(shù)的變化規(guī)律,根據(jù)得到的作用力和反力的平衡來(lái)確定樁的承載力。另外,我們應(yīng)該注意鉆孔灌注樁承載力的計(jì)算方法。當(dāng)樁的下端區(qū)域有一定的沉降時(shí),形成一個(gè)向下擴(kuò)展的錐體極限平衡區(qū),在此基礎(chǔ)上,可以建立樁的極限強(qiáng)度計(jì)算公式,同時(shí),運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算樁基,但這并不能解決樁基的極限狀態(tài)發(fā)生在樁沉降多少時(shí)的問(wèn)題,對(duì)于不同大小和軸形的樁,以及不同的土壤類型,這種沉降明顯會(huì)有很大的差異,在某些情況下,會(huì)大于行業(yè)規(guī)范所允許的沉降。為了計(jì)算沉降,可以使用基于彈性理論的解。樁被封閉在一個(gè)彈性半空間內(nèi),其中設(shè)計(jì)荷載分布選擇在“樁-土”接觸的條件。為了得到解,我們使用齊次半空間的概念,包括Gibson半空間、多層半空間以及其他方法。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用迅速擴(kuò)大,有效的數(shù)值方法不斷得到發(fā)展,其中,有限元法在樁基計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛,采用各種彈塑性土模型,并考慮了土體等級(jí)的非線性。彈塑性模型的計(jì)算考慮了土壤中的實(shí)際物理過(guò)程,可以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。然而,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法確定某些模型時(shí),可能無(wú)法獲得沿樁的整個(gè)長(zhǎng)度所需的土特性,這是其在設(shè)計(jì)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的主要障礙。在評(píng)估樁的承載力時(shí),錐貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有重要意義。根據(jù)錐體穿透數(shù)據(jù)的計(jì)算方法,由于其簡(jiǎn)單和清晰而得到很好的發(fā)展和規(guī)范,并且很容易理解。在高層建筑施工時(shí),有可能需要使用長(zhǎng)度(50m或以上)和直徑(1.5~2.0m)的鉆孔樁。安裝鉆孔樁的工作與建筑規(guī)范所規(guī)定的普通計(jì)算不同,樁在豎向壓荷載作用下在土壤中運(yùn)行,土壤極限狀態(tài)被理解為發(fā)生在沉降條件低于允許規(guī)范的情況下,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)第一極限狀態(tài)即土體等級(jí)承載力進(jìn)行樁土計(jì)算,這種方法適用于建筑工程中廣泛使用的20~25m長(zhǎng)的樁,然而,由于長(zhǎng)樁、大直徑樁在荷載作用下的運(yùn)行與標(biāo)準(zhǔn)樁存在較大差異,相應(yīng)的計(jì)算方法存在較大的誤差。
樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程包括兩個(gè)不相關(guān)的子過(guò)程:根據(jù)基礎(chǔ)的承載力計(jì)算單樁和根據(jù)變形計(jì)算整個(gè)樁基礎(chǔ)。在施工群樁(或條形樁)時(shí),允許最小樁距為3度,不考慮群樁(或條形樁)之間的相互影響,群樁基礎(chǔ)通常設(shè)計(jì)有一個(gè)“邊緣”。另外,有方法考慮了群樁中各樁具有已知荷載分布的相互影響,通過(guò)考慮極限變形,包括土壤流變特性來(lái)設(shè)計(jì)樁基的想法,對(duì)沉降計(jì)算方法的改進(jìn),結(jié)合Ⅰ和Ⅱ極限狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果,確定荷載和相應(yīng)的沉降,有意識(shí)地選擇基礎(chǔ)參數(shù)。
樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是通過(guò)考慮樁、土和筏的相互作用來(lái)進(jìn)行計(jì)算,設(shè)計(jì)的特點(diǎn)包括由變形確定的樁場(chǎng)參數(shù)(樁間距、截面、長(zhǎng)度),反映了連續(xù)樁場(chǎng)中單樁與單樁行為差異的物理本質(zhì)。數(shù)值研究表明,在連續(xù)的樁場(chǎng)中(沉降范圍高達(dá)20cm)加載樁時(shí),樁側(cè)表面的剪應(yīng)力僅發(fā)生在樁的下端,樁在樁場(chǎng)中的極限狀態(tài)準(zhǔn)則僅為樁的沉降。樁筏基礎(chǔ)具有較大的荷載分配能力,在許多情況下是基礎(chǔ)的最佳選擇,根據(jù)變土反力系數(shù)模型設(shè)計(jì)的樁基計(jì)算特性由樁剛度系數(shù)組成。由于部分土壤的軟化,土壤的合規(guī)等級(jí)減少,樁筏基礎(chǔ)發(fā)生變形時(shí),樁加固土體吸收變形的應(yīng)力,防止空洞的產(chǎn)生。為了解決問(wèn)題的計(jì)算集群基礎(chǔ)水平載荷和彎矩,使用位移方法進(jìn)行計(jì)算被認(rèn)為是成功的,然而,這種技術(shù)沒(méi)有考慮樁的相互影響,這比樁在豎向荷載作用下的相互影響更為重要。通過(guò)引入非線性阻力參數(shù)的折減系數(shù)來(lái)求解樁在水平荷載作用下的相互影響問(wèn)題是可行的,該折減系數(shù)取決于樁在方案中的位置和荷載的方向,由于這種技術(shù)的潛在價(jià)值是明顯的,它值得實(shí)際應(yīng)用和廣泛的測(cè)試。另一個(gè)重要的問(wèn)題是確定土壤阻力系數(shù)的方法。顯然,使用規(guī)范文件中比例系數(shù)的表格數(shù)據(jù)很難為各種土體條件和樁基設(shè)計(jì)提供可靠的結(jié)果。大量研究表明,錐貫入試驗(yàn)?zāi)芴峁└煽康慕Y(jié)果,因?yàn)檫@種方法能提供有關(guān)自然環(huán)境中任何需要深度的土壤信息。對(duì)于許多設(shè)計(jì)方法來(lái)說(shuō),非線性的考慮似乎是無(wú)關(guān)緊要的。因此,在框架建筑柱的群樁基礎(chǔ)中,出現(xiàn)了對(duì)允許水平位移的嚴(yán)格限制。由于樁在格架腳水平處的位移更小,不超過(guò)0.8~1cm,可以認(rèn)為樁的運(yùn)行與此位移呈線性關(guān)系。對(duì)擋土墻和抗滑坡結(jié)構(gòu)的非線性考慮更為重要。為此在某些情況下,顯著的水平位移高達(dá)10cm是允許的。樁防滑結(jié)構(gòu)和擋土墻,抗滑樁設(shè)計(jì)在布局中可以有不同的配置。單排連續(xù)樁設(shè)計(jì)效率最低,因?yàn)檫@里的樁只具有彎曲特性。在不增加樁數(shù)的情況下,將樁排由單排改為多排,在土體中形成多排框架,可以顯著改善設(shè)計(jì)。在這樣的結(jié)構(gòu)中,由于框架內(nèi)荷載的重新分配,樁的位移和強(qiáng)度會(huì)降低(在這樣的框架中,格柵起著橫桿的作用),這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)行為特征是水平荷載以剪切(滑坡)土體的形式不僅作用在格柵上,而且直接作用在樁上,尤其是在深剪切時(shí),這種情況下,樁結(jié)構(gòu)的運(yùn)行方案與建筑群或條形建筑基礎(chǔ)類型有很大的不同,由于樁上的荷載僅通過(guò)格柵傳遞,必須在設(shè)計(jì)中加以考慮。
現(xiàn)代基礎(chǔ)工程中的樁基工程技術(shù)是提高樁基結(jié)構(gòu)和技術(shù)解決方案的主導(dǎo)方向。樁基礎(chǔ)的承載能力在很大程度上取決于樁側(cè)表面土體摩擦力的形成。許多科學(xué)家致力于研究樁的下沉和運(yùn)行過(guò)程中的土摩擦力以及提高土摩擦力的方法,目前,特別重視開(kāi)發(fā)和研究創(chuàng)新的沉樁結(jié)構(gòu)和技術(shù)解決方案,使沉樁的承載力顯著提高。其中有兩個(gè)方面的創(chuàng)新技術(shù)得到了很大的發(fā)展空間:利用非爆炸性破壞物質(zhì)將棱柱形樁轉(zhuǎn)化為錐體樁以及開(kāi)發(fā)在松散土壤中使用的樁。這項(xiàng)工作的目的是開(kāi)發(fā)和研究創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和技術(shù)解決方案,以推進(jìn)浮樁,從而大大提高其承載能力。預(yù)制樁的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和技術(shù)解決方案,顯著提高了其承載能力:一個(gè)可變形樁和一個(gè)在側(cè)表面有凹槽的樁在松散的土壤中使用。在制造中心預(yù)制鋼筋混凝土樁時(shí),可以設(shè)置長(zhǎng)度為樁長(zhǎng)0.75的塑料錐形十字制動(dòng)器、在打入樁后澆注破壞性非爆炸性物質(zhì),其體積增加了2~3倍,將棱柱狀的堆變成金字塔狀的堆;當(dāng)制作預(yù)制混凝土樁時(shí),在側(cè)面安排凹槽;在打樁過(guò)程中,位于凹槽內(nèi)的液體硬化復(fù)合物滲透到樁體土體中并加固樁體,大大增加了樁體的側(cè)摩擦力和承載力,降低了沉樁能量。這種設(shè)計(jì)和技術(shù)解決方案可以減少打樁消耗的能量,同時(shí)提高其承載能力。
2.2.1 變換樁
變換樁通過(guò)將棱柱式(串聯(lián))樁楔入4個(gè)等容部分,并將其折成金字塔形,從而提高了樁的承載能力,具有更大的承載能力。這是由于在楔入時(shí),樁的四個(gè)面傾斜,樁周圍的土壤被壓實(shí)。此外,這些樁的使用可以實(shí)現(xiàn)打樁的節(jié)能,因?yàn)槔庵鶚蹲畛跏谴驑兜?,?jīng)過(guò)改造后利用了金字塔樁。然而,在常規(guī)棱柱形鋼筋混凝土樁的制造中,為了獲得可變形樁,需要在樁身的中心位置安裝一個(gè)塑料錐形十字形預(yù)埋件,其長(zhǎng)度為樁長(zhǎng)的0.75,將樁身分成四等分。改造樁的施工工藝順序:鑿成棱柱形鋼筋混凝土樁的設(shè)計(jì)標(biāo)記并在制造過(guò)程中進(jìn)行設(shè)計(jì)變更,從上方將非爆炸性破壞性物質(zhì)提交到塑料錐形十字形預(yù)埋件中,在1.5~2d,非爆炸性破壞性物質(zhì),體積增加,將樁身楔形成四等分,從而形成金字塔樁。非爆炸性破壞性物質(zhì)是一種粉末材料,當(dāng)與水相互作用時(shí),其固化體積增大,他們用破碎的生石灰和各種添加劑制備一種非爆炸破壞性物質(zhì),以提高性能。棱柱形樁與轉(zhuǎn)換樁的鐓粗方式存在質(zhì)的差異,棱柱樁在荷載作用下,頂置到一定值后,樁身鐓粗急劇增大,失去承載力。變形樁的荷載增大時(shí),鐓粗量沒(méi)有急劇增加。這是因?yàn)椋o定了拉筋樁側(cè)面與相鄰?fù)馏w的夾角,隨后的泥沙樁繼續(xù)固化相鄰?fù)馏w,從而提高了樁的承載力。
2.2.2 在松散土壤中使用的樁
這種創(chuàng)新技術(shù)可以解決在松散土中提高樁承載力的問(wèn)題,在樁的設(shè)計(jì)過(guò)程中在側(cè)面提供凹槽,不影響樁的正常工作。在操作過(guò)程中,樁體和周圍土體將荷載視為單一結(jié)構(gòu),位于凹槽內(nèi)的液體硬化化合物,在錘擊過(guò)程中受到水動(dòng)力沖擊,穿透樁內(nèi)土壤并固定樁身。以正磷酸為硬化劑的硅酸鹽-磷酸配方和以鋁酸鈉為硬化劑的鋁硅酸鹽配方被用作固定化合物,化學(xué)試劑的深度滲透進(jìn)入土壤取決于土壤的孔隙度以及時(shí)間和數(shù)量的影響。另外,打樁時(shí)潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑脂的存在減少了沉樁所消耗的能量。
與傳統(tǒng)的點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比,分布式光纖傳感技術(shù)具有傳輸距離長(zhǎng)、耐久性好、精度高、連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的樁基應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)方法通常采用傳統(tǒng)的點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù),如鋼應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)等。但傳統(tǒng)的點(diǎn)傳感器存在成本高、存活率低、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。容易受到外界環(huán)境的干擾,測(cè)點(diǎn)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇的,具有一定的盲目性。布式光纖傳感技術(shù)由于傳輸距離長(zhǎng)、耐久性好、精度高、連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),已逐漸應(yīng)用樁基工程的安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中。分布式傳感光纖的敷設(shè)步驟如下。
(1)將光纜以綁扎的方式固定在鋼籠的主筋上,并在樁的底部設(shè)置PVC軟管進(jìn)行過(guò)渡保護(hù)。在另一側(cè)對(duì)稱的主筋處將光纜綁扎成U形環(huán),兩端預(yù)留足夠的長(zhǎng)度。
(2)用起重機(jī)將鋼籠緩慢降至樁孔,在緩慢下降過(guò)程中在鋼籠的后續(xù)部位設(shè)置纖維。
(3)光纜沿基坑導(dǎo)至山坡,進(jìn)行后續(xù)定期監(jiān)測(cè)。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)主筋上布置傳感光纖,對(duì)樁基的應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。分布式傳感光纖技術(shù)能夠檢測(cè)樁基礎(chǔ)的局部變形。根據(jù)樁基的材料和幾何特性,可以求解樁基的變形和應(yīng)力。分布式傳感光纖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與鋼筋計(jì)的測(cè)試結(jié)果吻合較好,說(shuō)明分布式傳感光纖作為一種新型的監(jiān)測(cè)方法,具有較高的準(zhǔn)確性,因此在樁基工程的檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
在相同條件下,注漿樁比無(wú)注漿樁具有更大的承載能力,超厚細(xì)砂層側(cè)注漿樁極限承載力提高50%左右,組合注漿樁極限承載力可以提高60%左右。鉆孔灌注樁技術(shù)有效地改善了樁身與土體的邊界條件,提高了樁周土體的強(qiáng)度和剛度,因此,注漿后的樁身總阻力比注漿前高,對(duì)樁身荷載傳遞特性有顯著影響。在相同基底位移條件下,灌漿樁的動(dòng)員基阻力比未灌漿樁的動(dòng)員基阻力大,灌漿樁在較小位移范圍內(nèi)可發(fā)展端部承載力。注漿后樁的單位軸阻力比注漿前大,進(jìn)一步說(shuō)明樁側(cè)后注漿可以通過(guò)提高樁身周圍土體的強(qiáng)度和剛度來(lái)提高樁身阻力。高壓下的漿液會(huì)劈裂、滲透、填塞、壓實(shí)、固化樁內(nèi)黏液及周圍土體。在建筑施工中應(yīng)用鉆孔灌注樁技術(shù)可以有效提高建筑的牢固性。注漿管采用無(wú)縫鋼管,每根注漿管在使用前都必須經(jīng)過(guò)壓力測(cè)試和批準(zhǔn),在管道的連接處采用螺紋連接,螺紋處的凈厚度應(yīng)不小于管道原有厚度的2/3,以避免螺紋部位的損傷。注漿管應(yīng)點(diǎn)焊牢到鋼筋籠箍上,在放入孔內(nèi)之前,要仔細(xì)檢查注漿噴嘴的密封情況,防止因漏砂或砂子而堵塞噴嘴。注漿管應(yīng)與加固骨架一起下壓,并在管螺紋連接處的螺紋處應(yīng)用密封材料,將每段籠體放入孔內(nèi)后,向注漿管注水,檢查其水密性,管路中注滿水后,水位應(yīng)穩(wěn)定不下降,說(shuō)明管路有可靠的水密,如發(fā)現(xiàn)水泄露,必須及時(shí)糾正泄漏的原因,安裝完成后,要將管道的口部蓋上,防止其他異物進(jìn)入管道,造成管道堵塞,注漿管應(yīng)距地面20cm左右,過(guò)多的剩余樁長(zhǎng)不僅沒(méi)有必要,而且在其他樁的施工中容易受到破壞。為了保證漿液的順利通過(guò),在樁體養(yǎng)護(hù)3d后,向管道內(nèi)注入壓力水進(jìn)行通路。灌漿一般在樁體養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行,首先用清水突破灌漿孔,啟動(dòng)泵前,打開(kāi)回氣閥,開(kāi)始注水時(shí),緩慢關(guān)閉回閥,觀察壓力表讀數(shù)的變化,通過(guò)注漿路徑記錄壓力向力的變化。在注漿過(guò)程中,應(yīng)由專人負(fù)責(zé)觀察并記錄量規(guī)讀數(shù)的變化。灌漿的混合必須符合配比設(shè)計(jì),指定專人加水,并在水桶上做標(biāo)記,控制水量,混合后的漿液在進(jìn)入漿液儲(chǔ)漿桶前應(yīng)透過(guò)鋼絲網(wǎng),以濾除較大粒徑的漿液,避免漿液噴嘴被堵塞,為了防止現(xiàn)成的漿液沉淀,儲(chǔ)漿桶內(nèi)應(yīng)安裝攪拌器,不時(shí)攪拌漿液。注漿的完成主要由注漿的水泥量來(lái)控制,注漿壓力是輔助控制手段,注漿達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量即完成注漿,或者注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量的80%時(shí)注漿壓力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值,注入漿液變得非常困難,也可認(rèn)為注漿完成。注漿完畢后,用清水清洗泵和高壓膠管,并做好記錄。
綜上所述,工程實(shí)踐證明,高層建筑樁基工程技術(shù)的應(yīng)用是提高高層建筑承載力、剛度和穩(wěn)定性,提高施工質(zhì)量以及降低基礎(chǔ)施工成本的有效手段,值得高層建筑施工過(guò)程投入使用。