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【摘要】管桩作为一种新桩型以其施工方便、承载力高、质量可靠、较为经济等优点越来越得到广泛的应用。本文根据管桩的承载力特性和受力状况,分析了影响管桩承载力的因素以及提高管桩承载力的方法,并基于对施工中常见问题的探讨,提出有效的防治措施。
【关键词】管桩 承载力
Application of the tube pile in building
Zhang Peixin
【Abstract】The tube pile, as one new pile, used conveniently in building with a higher carrying capacity, reliable quality, is applied more and more widely. In addition, it is more economical. According to the carrying capacity character and the situation of supporting the force, the writer in this paper has analyzed the factor which influences the carrying capacity of the tube pile as well as the way for improving it. In addition, based on that, the writer has also made a discussion on the common problems and offered some effective measures for protecting and solving them.
【Keywords】Tube pile Carrying capacity
1.前言。管桩的种类分为:钢管桩、预制混凝土管桩及钢管混凝土管桩。钢管桩及钢管混凝土管桩具有高强度、抗冲击疲劳性能好、贯入能力强、便于割接、质量可靠、运输方便、沉桩速度快及挤土影响小等优点,但造价高,约为预应力混凝土管桩的3-10倍。因此,一般只在必须穿越砂层或其它桩型无法施工和质量难以保证、或工期紧迫等情况下使用,或者是一些重要的特种工程的基础上,如海上钻井平台、港口平台等工程中使用。预制混凝土管桩之所以得到迅速发展和广泛的应用,主要是由于具有以下优点:①施工工期短,施工方便、不受季节限制,工业化生产:②对施工场地无污染,若采用静压式施工更无噪音,符合绿色环保施工要求;③经济效益可观,同样的地基处理效果(竖向承载力及水平承载力)所使用的混凝土比实心桩节省30%-60%且抗腐蚀能力强,工作性能同钢管桩基本相似。④对持力层起伏变化较大的地质条件适应性强,一般情况下,软土、粘性土、粉土、砂土及全风化岩体等地层条件均可采用。因此像高层建筑、码头工程、桥梁工程、铁道工程等除必须采用钢管桩的特殊基础外,在工程中钢管桩已大部分被预制混凝土管桩所代替。现在我国预制混凝土管桩使用量已经相当可观。
2.管桩的承载特性及承载力分析。
2.1 管桩的承载特性。管桩的底桩端部的桩尖(靴)形式主要有十字型、圆锥型和开口型。前两种属于封口型。采用封口型桩尖的管桩其承载力主要由桩周的侧摩阻力及桩端的端阻力组成;采用开口型桩靴的管桩则在沉桩过程中桩身下部1/3-1/2桩长的内腔被土体充塞,挤土效应较弱(与沉管桩、静压实心混凝土桩比),对周围建筑物及环境影响小,具有较高的环保性能。但是内腔土塞却为管桩提供了内侧摩阻力,使得管桩的承载力的组成变得更为复杂。影响管桩承载特性的因素很多,比如桩侧土性、桩端土性、桩径、开口管桩的壁厚、人土深度、施工顺序等。预制混凝土管桩通常只具备开口桩的功效。
2.2 管桩的受力分析。
2.2.1 管桩的竖向承载性状和单桩极限承载力。确定管桩竖向承载力的方法很多,最可靠的方法是静力载荷试验法,目前比较常用的公式有两类:一是以土的物理力学指标和大量的试桩资料为依据,经统计分析建立桩侧和桩端阻力与土类指标之间的关系;另一类是以土的力学性能指标如土的标准贯入击数为依据,我国、欧洲及美国API-RP2A的地基基础规范均采用第一类公式。其表达式为 。
由于各地地质条件不同,地质结构比较复杂,桩的类型又多,沉桩工艺也多种多样,很难用单一形式的公式来反映工程实际。
从文献进行的破坏荷载试验得知,当桩顶竖向受压时,桩身上部首先产生垂直应力和弹性变形,并向桩身下部传递,自上而下逐步建立摩阻力,桩身处于弹性压缩阶段。当荷载较小时,变形量较小,桩基基本没有发生位移,桩端阻力为零。随荷载增加,当垂直应力传递到桩端时,桩端土逐步压缩,桩土相对变形加大,桩侧摩阻力进～步发挥。在加荷载最后阶段,随着桩端阻力的不断增加,桩顶部位侧阻力首先达到极限(摩阻力趋于定值),并向下逐步扩大极限阻力的分布范围,在此过程中相对于荷载增量,作为抗力的摩阻力增量所占比例愈来愈小,而桩端阻力增量所占的比例则愈来愈大,最终导致桩端土出现塑性区并迅速扩展。桩因急剧下沉而失效,桩端土的刺入破坏先于桩身强度破坏,此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。
2.2.2 管桩的水平承载性状和单桩极限承载力。随着我国工程技术的迅速发展,大陆架浅海石油的勘探和开发技术的进步以及陆上高层建筑的发展,使得这些管桩不仅要承受巨大的竖向载荷,还要承受巨大的水平载荷。而桩在侧向载荷作用分析是工程中非常重要但却尚未圆满解决的问题。文献采用卧式千斤顶施加水平力试验来测定单桩水平载荷,施加的水平荷载分级一般取预估水平极限荷载的1/10-1/15,每级荷载施加-后,恒载4min测桩的水平位移值,然后卸载至零,停2min测出桩的残余水平位移值,至此完成一个加卸载循环,如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。多级加荷后,出现下列情况之一时可停止试验:①桩身折断;②水平位移超过40mm或达到设计要求的水平位移允许值。当桩身应力达到极限强度时的桩顶水平力使桩顶水平位移超过20-30mm,或桩侧土体破坏的前一级水平荷载,即是单桩水平极限承载力标准值。
2.2.3 影响管桩承载力的因素。
2.2.3.1 偏斜。偏斜桩是指随着桩周土的水平运动,桩与土之间产生的水平压力导致桩身产生水平挠曲和弯矩,致使桩偏斜的被动桩。预应力管桩偏斜后,其极限承载力要低于铅直桩的极限承载力。偏斜预应力管桩的承载力减少程度不仅与其偏斜的程度有关,且与其所处的土层性质、入土桩长、桩与承台布置等均有一定的关系。
当遇到超过偏斜限量值的桩时,无论其是否发生裂缝,均应进行纠偏扶正处理,将其倾斜度控制在允许的范围内。较浅的(一般2-3m)可以将桩倾斜反向土方挖除后扶正;较深的可以用钻孔取土、高压水冲取土等方式将桩倾斜反向一侧土取出后扶正。然后对纠偏扶正的桩进行检测,看其是否在纠偏施工中发生异常情况,如无异常可进行下步施工。
2.2.3.2 裂缝。浅部裂缝——一般裂缝位置多发生在深度4-6m,也有的在3m以内,出现这种情况多数是桩裂缝部位的下部有相对比较坚硬的土层。深部裂缝一裂縫位置发生在8-10m,出现此种情况多是地基土上部软土层较厚。裂缝的存在势必影响到桩基竖向永久性受荷特性,为确保桩基工程的安全使用,需对桩基进行加固处理。如接桩、补桩,一定情况下还需经计算确定。
2.2.3.3 偏心载。竖向荷载的偏心是预应力混凝土管桩产生弯曲荷载的重要原因,荷载的偏心也势必影响桩的竖向承载力。用柱下多桩承台,严格地讲,承台下大多数桩都处于偏心承载状态,对于偏心承载桩如何对桩的承载能力做出正确的评估,桩在正常使用极限状态下所能承受的偏心距临界值是多少,竖向荷载偏心距与桩的承载能力有何关系,这是预应力混凝土管桩基础设计要特别考虑的问题。
文献根据材料力学原理和现行钢筋混凝土结构设计规范的规定,提出预应力混凝土管桩在偏心荷载(或在桩顶水平位移)作用下内力与位移的计算方法,包括純弯状态下桩身抗裂弯矩临界值;在轴心力和弯矩共同作用下桩身抗裂弯矩的极限值;桩顶允许承载力与竖向力偏心距(或桩顶水平位移)之间的相互关系式等。
3.管桩设计施工中的问题及质量控制。
3.1 挤土效应。在沉桩过程中,土体向四周排挤,使周围的土受到严重的扰动,主要表现为径向位移,桩尖和桩周一定范围内的土体受到不排水剪切以及很大的水平挤压,产生较大的剪切变形,形成具有很高孔隙水压力的扰动重塑区,降低了土的不排水抗剪强度,促使桩周邻近土体会因不排水剪切而破坏。由于群桩施工中的迭加作用,会使已打入桩和邻近管线产生较大侧向位移和上浮。桩群越密越大,土的位移也越大。
施工遇到挤土效应采取的防治措施是:①合理安排沉桩顺序、控制每日打桩的数量,减少孔隙水压力的迭加:②采用先开挖基坑后沉桩的施工工序,可减少地基浅层软土的侧向位移和隆起,有利于降低沉桩所引起的超静孔隙水压力,从而减少地基深层土体变位。③在场地设置袋装砂井或塑料排水板,创造排水条件以降低孔隙水压力。④预钻孔辅助沉桩。
3.2 浮桩。浮桩现象是静压管桩挤土效应的一种表现形式。该问题表现得很隐蔽,并且往往是等到压桩工程完工后做静载检测时才发现,而此时桩机可能已退场。此时再来处理就非常被动。比较好的处理措施是:提前选取有代表性的桩进行测量监控,在桩施工结束后应立即用水准仪测量记录其桩顶标高,并在整个施工过程中定期复测,通过比较来检查桩身是否有上浮现象。如果发现有上浮现象,则需采取前面提过的控制压桩速率、重新调整压桩路线或钻孔取土等措施,减少挤土效应进而控制桩身上浮现象。如果采取上述措施后仍不能解决桩身上浮现象,则可采用复压的补救方法进行处理。
3.3 沉桩达不到设计要求。沉桩达不到设计的最终控制要求主要原因是:①勘探点不够或勘探资料粗糙,对工程地质情况不明,尤其是对持力层起伏标高不明,导致设计考虑持力层或选择桩长有误。②设计持力层选择不当,预应力管桩持力层宜选择强风化层,以达到较高承载力。但当强风化层埋深较深时,考虑到桩长限制,不得已选择全风化层作持力层时,承载力将受较大影响,特别是全风化层有遇水易软化特点,地下水可能通过桩管内从桩尖渗入,大大降低桩端承载力。③设计对单桩承载力预估不准,导致实际桩长与压桩力不匹配。④桩身断裂致使不能继续施压。
防治措施为首先详细探明工程地址地质情况,必要时应作补勘,正确选择持力层或标高;施工采用合适吨位桩机;根据工程地质条件,合理选择桩的施工方法及打桩顺序,避免断桩,确保桩身质量。科学设计,通过试桩确定合理终压标准。
3.4 断桩。断桩是预制混凝土管桩施工中常常遇到的问题,其产生的主要原因主要有:①使用了厂家生产的未经检验的不合格的桩;②桩尖碰到地下障碍物管桩被蹩断:③管桩施工中垂直度没有控制好;④管桩由软弱土层突然进入硬土层,桩机压力迅速升高,桩身受到瞬间冲击力而引起;⑤基坑施工中,由于软土推挤隆起,基坑壁侧向移动造成断桩。
施工中若发现有断桩,就要采取补强加固方案处理。对预应力管桩浅层断桩可采用接桩。对深层断桩的接桩(包括部分错位桩纠偏后接头)要抽干桩内积水,确认桩的倾斜在允许范围内,放人钢筋笼,钢筋笼应伸到断桩下3m,用高等级混凝土灌注。接桩后要进行承载力检测。当断桩处错位,无法复原时,应重新补桩。对工程事故应分析问题的原因、补桩的可能性和对已施工桩的影响,考虑其它可利用条件以及经济和工期等要求。
4.结语。管桩作为一种新桩型以其桩身质量可靠、承载力高、施工速度快、现场整洁、较为经济等优点越来越得到广泛的应用。但由于管桩的应用时间不长,在研究和应用等方面都还存在着不少亟待解决的问题,而工程实践的发展已远远超过理论研究水平,使得管桩的应用受到严重制约。本文总结了管桩的承载力特性和受力分析、影响管桩承载力的因素以及提高管桩承载力的方法、施工中常见问题以及防治措施。但文中所涉及到的诸多问题目前都还没有得到圆满的解决,因此还需要通过大量的科学研究和工程实践来做进一步探讨。
【关键词】管桩 承载力
Application of the tube pile in building
Zhang Peixin
【Abstract】The tube pile, as one new pile, used conveniently in building with a higher carrying capacity, reliable quality, is applied more and more widely. In addition, it is more economical. According to the carrying capacity character and the situation of supporting the force, the writer in this paper has analyzed the factor which influences the carrying capacity of the tube pile as well as the way for improving it. In addition, based on that, the writer has also made a discussion on the common problems and offered some effective measures for protecting and solving them.
【Keywords】Tube pile Carrying capacity
1.前言。管桩的种类分为:钢管桩、预制混凝土管桩及钢管混凝土管桩。钢管桩及钢管混凝土管桩具有高强度、抗冲击疲劳性能好、贯入能力强、便于割接、质量可靠、运输方便、沉桩速度快及挤土影响小等优点,但造价高,约为预应力混凝土管桩的3-10倍。因此,一般只在必须穿越砂层或其它桩型无法施工和质量难以保证、或工期紧迫等情况下使用,或者是一些重要的特种工程的基础上,如海上钻井平台、港口平台等工程中使用。预制混凝土管桩之所以得到迅速发展和广泛的应用,主要是由于具有以下优点:①施工工期短,施工方便、不受季节限制,工业化生产:②对施工场地无污染,若采用静压式施工更无噪音,符合绿色环保施工要求;③经济效益可观,同样的地基处理效果(竖向承载力及水平承载力)所使用的混凝土比实心桩节省30%-60%且抗腐蚀能力强,工作性能同钢管桩基本相似。④对持力层起伏变化较大的地质条件适应性强,一般情况下,软土、粘性土、粉土、砂土及全风化岩体等地层条件均可采用。因此像高层建筑、码头工程、桥梁工程、铁道工程等除必须采用钢管桩的特殊基础外,在工程中钢管桩已大部分被预制混凝土管桩所代替。现在我国预制混凝土管桩使用量已经相当可观。
2.管桩的承载特性及承载力分析。
2.1 管桩的承载特性。管桩的底桩端部的桩尖(靴)形式主要有十字型、圆锥型和开口型。前两种属于封口型。采用封口型桩尖的管桩其承载力主要由桩周的侧摩阻力及桩端的端阻力组成;采用开口型桩靴的管桩则在沉桩过程中桩身下部1/3-1/2桩长的内腔被土体充塞,挤土效应较弱(与沉管桩、静压实心混凝土桩比),对周围建筑物及环境影响小,具有较高的环保性能。但是内腔土塞却为管桩提供了内侧摩阻力,使得管桩的承载力的组成变得更为复杂。影响管桩承载特性的因素很多,比如桩侧土性、桩端土性、桩径、开口管桩的壁厚、人土深度、施工顺序等。预制混凝土管桩通常只具备开口桩的功效。
2.2 管桩的受力分析。
2.2.1 管桩的竖向承载性状和单桩极限承载力。确定管桩竖向承载力的方法很多,最可靠的方法是静力载荷试验法,目前比较常用的公式有两类:一是以土的物理力学指标和大量的试桩资料为依据,经统计分析建立桩侧和桩端阻力与土类指标之间的关系;另一类是以土的力学性能指标如土的标准贯入击数为依据,我国、欧洲及美国API-RP2A的地基基础规范均采用第一类公式。其表达式为 。
由于各地地质条件不同,地质结构比较复杂,桩的类型又多,沉桩工艺也多种多样,很难用单一形式的公式来反映工程实际。
从文献进行的破坏荷载试验得知,当桩顶竖向受压时,桩身上部首先产生垂直应力和弹性变形,并向桩身下部传递,自上而下逐步建立摩阻力,桩身处于弹性压缩阶段。当荷载较小时,变形量较小,桩基基本没有发生位移,桩端阻力为零。随荷载增加,当垂直应力传递到桩端时,桩端土逐步压缩,桩土相对变形加大,桩侧摩阻力进～步发挥。在加荷载最后阶段,随着桩端阻力的不断增加,桩顶部位侧阻力首先达到极限(摩阻力趋于定值),并向下逐步扩大极限阻力的分布范围,在此过程中相对于荷载增量,作为抗力的摩阻力增量所占比例愈来愈小,而桩端阻力增量所占的比例则愈来愈大,最终导致桩端土出现塑性区并迅速扩展。桩因急剧下沉而失效,桩端土的刺入破坏先于桩身强度破坏,此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。
2.2.2 管桩的水平承载性状和单桩极限承载力。随着我国工程技术的迅速发展,大陆架浅海石油的勘探和开发技术的进步以及陆上高层建筑的发展,使得这些管桩不仅要承受巨大的竖向载荷,还要承受巨大的水平载荷。而桩在侧向载荷作用分析是工程中非常重要但却尚未圆满解决的问题。文献采用卧式千斤顶施加水平力试验来测定单桩水平载荷,施加的水平荷载分级一般取预估水平极限荷载的1/10-1/15,每级荷载施加-后,恒载4min测桩的水平位移值,然后卸载至零,停2min测出桩的残余水平位移值,至此完成一个加卸载循环,如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。多级加荷后,出现下列情况之一时可停止试验:①桩身折断;②水平位移超过40mm或达到设计要求的水平位移允许值。当桩身应力达到极限强度时的桩顶水平力使桩顶水平位移超过20-30mm,或桩侧土体破坏的前一级水平荷载,即是单桩水平极限承载力标准值。
2.2.3 影响管桩承载力的因素。
2.2.3.1 偏斜。偏斜桩是指随着桩周土的水平运动,桩与土之间产生的水平压力导致桩身产生水平挠曲和弯矩,致使桩偏斜的被动桩。预应力管桩偏斜后,其极限承载力要低于铅直桩的极限承载力。偏斜预应力管桩的承载力减少程度不仅与其偏斜的程度有关,且与其所处的土层性质、入土桩长、桩与承台布置等均有一定的关系。
当遇到超过偏斜限量值的桩时,无论其是否发生裂缝,均应进行纠偏扶正处理,将其倾斜度控制在允许的范围内。较浅的(一般2-3m)可以将桩倾斜反向土方挖除后扶正;较深的可以用钻孔取土、高压水冲取土等方式将桩倾斜反向一侧土取出后扶正。然后对纠偏扶正的桩进行检测,看其是否在纠偏施工中发生异常情况,如无异常可进行下步施工。
2.2.3.2 裂缝。浅部裂缝——一般裂缝位置多发生在深度4-6m,也有的在3m以内,出现这种情况多数是桩裂缝部位的下部有相对比较坚硬的土层。深部裂缝一裂縫位置发生在8-10m,出现此种情况多是地基土上部软土层较厚。裂缝的存在势必影响到桩基竖向永久性受荷特性,为确保桩基工程的安全使用,需对桩基进行加固处理。如接桩、补桩,一定情况下还需经计算确定。
2.2.3.3 偏心载。竖向荷载的偏心是预应力混凝土管桩产生弯曲荷载的重要原因,荷载的偏心也势必影响桩的竖向承载力。用柱下多桩承台,严格地讲,承台下大多数桩都处于偏心承载状态,对于偏心承载桩如何对桩的承载能力做出正确的评估,桩在正常使用极限状态下所能承受的偏心距临界值是多少,竖向荷载偏心距与桩的承载能力有何关系,这是预应力混凝土管桩基础设计要特别考虑的问题。
文献根据材料力学原理和现行钢筋混凝土结构设计规范的规定,提出预应力混凝土管桩在偏心荷载(或在桩顶水平位移)作用下内力与位移的计算方法,包括純弯状态下桩身抗裂弯矩临界值;在轴心力和弯矩共同作用下桩身抗裂弯矩的极限值;桩顶允许承载力与竖向力偏心距(或桩顶水平位移)之间的相互关系式等。
3.管桩设计施工中的问题及质量控制。
3.1 挤土效应。在沉桩过程中,土体向四周排挤,使周围的土受到严重的扰动,主要表现为径向位移,桩尖和桩周一定范围内的土体受到不排水剪切以及很大的水平挤压,产生较大的剪切变形,形成具有很高孔隙水压力的扰动重塑区,降低了土的不排水抗剪强度,促使桩周邻近土体会因不排水剪切而破坏。由于群桩施工中的迭加作用,会使已打入桩和邻近管线产生较大侧向位移和上浮。桩群越密越大,土的位移也越大。
施工遇到挤土效应采取的防治措施是:①合理安排沉桩顺序、控制每日打桩的数量,减少孔隙水压力的迭加:②采用先开挖基坑后沉桩的施工工序,可减少地基浅层软土的侧向位移和隆起,有利于降低沉桩所引起的超静孔隙水压力,从而减少地基深层土体变位。③在场地设置袋装砂井或塑料排水板,创造排水条件以降低孔隙水压力。④预钻孔辅助沉桩。
3.2 浮桩。浮桩现象是静压管桩挤土效应的一种表现形式。该问题表现得很隐蔽,并且往往是等到压桩工程完工后做静载检测时才发现,而此时桩机可能已退场。此时再来处理就非常被动。比较好的处理措施是:提前选取有代表性的桩进行测量监控,在桩施工结束后应立即用水准仪测量记录其桩顶标高,并在整个施工过程中定期复测,通过比较来检查桩身是否有上浮现象。如果发现有上浮现象,则需采取前面提过的控制压桩速率、重新调整压桩路线或钻孔取土等措施,减少挤土效应进而控制桩身上浮现象。如果采取上述措施后仍不能解决桩身上浮现象,则可采用复压的补救方法进行处理。
3.3 沉桩达不到设计要求。沉桩达不到设计的最终控制要求主要原因是:①勘探点不够或勘探资料粗糙,对工程地质情况不明,尤其是对持力层起伏标高不明,导致设计考虑持力层或选择桩长有误。②设计持力层选择不当,预应力管桩持力层宜选择强风化层,以达到较高承载力。但当强风化层埋深较深时,考虑到桩长限制,不得已选择全风化层作持力层时,承载力将受较大影响,特别是全风化层有遇水易软化特点,地下水可能通过桩管内从桩尖渗入,大大降低桩端承载力。③设计对单桩承载力预估不准,导致实际桩长与压桩力不匹配。④桩身断裂致使不能继续施压。
防治措施为首先详细探明工程地址地质情况,必要时应作补勘,正确选择持力层或标高;施工采用合适吨位桩机;根据工程地质条件,合理选择桩的施工方法及打桩顺序,避免断桩,确保桩身质量。科学设计,通过试桩确定合理终压标准。
3.4 断桩。断桩是预制混凝土管桩施工中常常遇到的问题,其产生的主要原因主要有:①使用了厂家生产的未经检验的不合格的桩;②桩尖碰到地下障碍物管桩被蹩断:③管桩施工中垂直度没有控制好;④管桩由软弱土层突然进入硬土层,桩机压力迅速升高,桩身受到瞬间冲击力而引起;⑤基坑施工中,由于软土推挤隆起,基坑壁侧向移动造成断桩。
施工中若发现有断桩,就要采取补强加固方案处理。对预应力管桩浅层断桩可采用接桩。对深层断桩的接桩(包括部分错位桩纠偏后接头)要抽干桩内积水,确认桩的倾斜在允许范围内,放人钢筋笼,钢筋笼应伸到断桩下3m,用高等级混凝土灌注。接桩后要进行承载力检测。当断桩处错位,无法复原时,应重新补桩。对工程事故应分析问题的原因、补桩的可能性和对已施工桩的影响,考虑其它可利用条件以及经济和工期等要求。
4.结语。管桩作为一种新桩型以其桩身质量可靠、承载力高、施工速度快、现场整洁、较为经济等优点越来越得到广泛的应用。但由于管桩的应用时间不长,在研究和应用等方面都还存在着不少亟待解决的问题,而工程实践的发展已远远超过理论研究水平,使得管桩的应用受到严重制约。本文总结了管桩的承载力特性和受力分析、影响管桩承载力的因素以及提高管桩承载力的方法、施工中常见问题以及防治措施。但文中所涉及到的诸多问题目前都还没有得到圆满的解决,因此还需要通过大量的科学研究和工程实践来做进一步探讨。