探討靜壓樁施工中壓力值與最終承載力的關系
作者：聶會民
來源：《科技資訊》 2011年第10期
聶會民
(河南省鄭州市熱力總公司 鄭州 450003)
摘 要:靜壓樁技術在我國各個地區得到了廣泛的應用,可是對靜壓樁的研究卻是滯后于它的應用。在靜壓樁的實際施工過程中,大家都想找到一個方法去判斷現場壓力值和之后靜載荷實驗所確定的特征值之間的關系,這樣在施工過程中就可以做到心中有數,同時也可以對于樁基的最終承載能力做出合理的預測。筆者結合實際的施工過程對靜壓樁沉樁機理,壓樁力與承載力計算以及二者之間的關系做以下探討。
關鍵詞:靜壓樁 壓力值 承載能力 定量與定性
中圖分類號:TU473.16 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2011)04(a)-0110-01
本文系統的分析沉樁引起的超孔隙水壓力的研究情況,以及壓樁力與承載力的計算和兩者之間的關系。最后對于終壓力與承載力關系,結合數個靜壓樁工程資料,用專業統計分析軟件DPS定量或定性分析了二者間的影響因素,以期由終壓力直接推算極限承載力。
1 靜壓樁
1.1 靜壓樁的簡介
靜壓樁全名錨桿靜壓樁(presd pile by anchor rod),屬于樁基礎的一種,常采用的方法是靜力壓樁機壓樁,利用錨桿將樁分節壓入土層中的沉樁工藝。錨桿可用垂直土錨或臨時錨在混凝土底板、承臺中的地錨。靜壓法施工是通過靜力壓樁機以壓樁機自重及樁架上的配重作反力將預制樁壓入土中的一種沉樁工藝。靜壓樁的工作原理與錘擊截然相反,它具有沒有噪聲、無震動,沒有沖擊力等優點,適合在今后巖土工程的需求;而壓樁樁型幾乎選用的是預應力管樁,它具有工藝簡明,質量可靠,價格低,檢測方便的特征。這兩者的結合很大程度推動了靜壓樁的應用。
1.2 靜壓樁適用范圍
靜壓樁經常適用于高壓縮性粘土層和砂性比較輕的軟粘土層,同時也適用于覆土層不厚的巖溶地區。
當靜壓樁適用于粘土層時,當樁須貫穿一定厚度的砂性土夾層時,要結合樁機的壓樁力和終壓力及土
層形狀、厚度、密度、上下土層的力學指標,樁型、樁的構造、強度、樁截面規格的大小和布樁形狀、地下水位的高低和終壓前的穩壓時間、穩壓次數等。
當靜壓樁適用于巖溶地區時,這些地區幾乎很難采用鉆孔樁鉆進,而采用沖孔樁時容易卡錘,采用打入式樁時容易打碎。只有采用靜壓樁緩慢壓入,同時可以顯示壓樁的阻力,但是在溶洞、溶溝發育充分的巖溶地區,以及土層中存在較多孤石、障礙物的地區,要慎用靜壓樁。
2 靜壓樁沉樁機理和終壓力以及極限承載能力
2.1 靜壓樁基礎的成樁機理
靜壓樁在沉淀機理施工的時候,樁尖刺入土層使原有的土層初適應力狀態遭到破壞,造成樁尖下土體的壓縮變形,同時土體對樁尖的相應阻力,隨樁貫入壓力而增大。當樁尖處土體受到的壓力超過它的抗剪強度時,土體會發生急劇變形同時達到極限破壞,從而使土體產生塑性流動或擠壓側移以及下拖。地表處,粘性土體向上隆起,砂性土被拖帶下沉。地層深處因為上覆土層的壓力使土體想樁四周水平方向擠開,使貼近樁四周土體結構被破壞。由于較大輻射向壓力的作用使得領近樁四周處的土體受到很大程度的擾動影響,樁身就會受到土體強大法向抗力而引起的樁周摩阻力和樁尖阻力的抵抗,當樁頂靜壓力大于沉樁時的阻力時,樁將繼續刺入下沉,反之,就停止下沉。
壓樁時,地基土體受到強烈擾動,樁周土體的實際抗剪強度與地基土體的靜態抗剪強度存在很大程度上的差異。隨樁的沉入,樁與樁周土體間出現相對剪切位移,因土體的抗剪強度和樁土間的粘力作用,土體對樁周表面會產生相應的摩阻力。樁周土體土質較硬時,剪切面發生在樁與土的接觸面;當樁周土體土質松軟時,剪切面發生在鄰近樁表面處的土體內,粘性土隨著樁的沉入,樁周土體的抗剪強度呈現下降趨勢,直至降低到重塑強度。砂性土中,除了松砂外,抗剪強度變化不大,但是各土層作用于樁上的樁側摩阻力并不是一個常值,是隨樁繼續下沉而顯著減少的變值,樁下部摩阻力對沉樁阻力起顯著作用,值占沉樁阻力的50％～80％,它與樁周處土體強度成正比,與樁的入土深度成反比。
土質為粘性土時,樁尖處土體受擾動重塑、超靜孔降水壓力的作用,土體抗壓強度顯著下降;土質為砂性土時,密砂受松弛效應的影響土體抗壓強度減少,松砂受擠密效應的影響土體抗壓強度增大。成層土地基中,硬土中的樁端阻力還會受到分界處粘土層的影響,當上覆蓋層為軟土時,在臨界深度以內樁端阻力隨壓入硬土內深度增加而增大,下臥為軟土時,在臨界厚度以內樁端阻力隨壓入硬土增加而減少。
2.2 終壓力
一般將樁摩阻力從上到下分為三區:上部柱穴區、中部滑移區、下部擠壓區。
(1)靜壓樁終壓力的概念:靜壓樁的壓樁力是指沉樁過程中為克服樁尖土層抗剪阻力和樁周土摩擦力所施加的壓樁機靜壓力。終壓力pa是樁尖達到持力層終止壓樁時出現的最終靜壓力,也是終止壓樁瞬間出
現的荷載,每次出現持續的時間通常為5s～10s。
(2)終壓力的意義:壓樁力過大易壓壞樁,過小的話則無法到達合適的持力層,樁底嵌固不好,有效樁長不足,單樁承載力不滿足設計要求,易出現多樁承臺施工時鄰樁上涌的質量事故。安全適宜的壓樁力既可確保樁身不受破壞,同時也保證了樁端嵌固至合適的持力層,并通過大噸位擠密樁底土體提高樁端土體力學性能,取得較高樁端土極限端阻力。
(3)終壓力的計算:只要使用按國際圖集選用的樁,很大程度上不需在進行抗震、疲勞、吊運驗算,而只需進行靜力抗壓強度和壓屈失穩驗算。因為樁、土的相互作用和靜壓樁施工的特點,使樁身受終壓力壓曲的問題變得復雜,它主要受下列因素的影響。
①樁側土的約束。
②樁的長度。
③樁露出地面的自由長度10。
④壓樁施工送樁時,樁頂受軸向壓力和彎距以及水平力的聯合作用。
綜合壓樁施工的特點和各地、各部門的規定,現提出一種簡化方法計算終壓力Pa。
2.3 終壓力與極限承載力的關系
靜壓樁施工完成之后,土體中空隙水壓力開始消散,土體發生固結強度漸漸恢復,上部柱穴區被充滿,中部柱滑移區消失,下部柱擠壓區壓力減小,這時柱才獲得工程意義中的極限承載力。結合大量的工程實踐,粘性土中長度較長的靜壓樁最終的極限承載能力比壓樁施工時的終壓力要大,針對某些土體固結系數較高的軟土地區,靜壓樁最后獲得的單樁豎向極限承載力比終壓力值要高出一到兩倍左右,但是因為粘性土中的短柱,土體強度經一段時間的恢復,摩阻力雖然有提高,同時因為樁身短,側摩阻力占樁的極限承載力的比例差異不大,最終極限承載力達不到樁的終壓力。
因為樁的終壓力和極限承載力是兩個不同的概念,對那些剛剛接觸靜壓樁的設計、施工人員往往將兩者混為一談。兩者的數值不一定相等,它們主要與樁長、樁周土及樁端土的性質有關,但是兩者還是有一定的關聯。實踐者結合自身工作經驗提出自己的做法,對設計承載力較高的工程,終壓力值盡可能達到設計取值的1.5～1.7倍,還要結合土質以及布樁情況考慮復壓;對于14m～21m的中長樁,終壓力控制在設計值的1.7～2倍以上,宜復壓3次;而小于14m的短樁,終壓力控制在設計值的2～2.5倍以上,并復壓3～5次。
3 結語
在靜壓樁施工過程中,應靈活合理的運用規范,正確的選擇終壓力,提高樁的承載力。實踐證明,超載施
壓法可提高靜壓樁的承載力和抗震性能,降低工程造價,具有實用價值。
