張瑞松 浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司 杭州 310012

利用靜力觸探指標(biāo)合理選擇預(yù)制樁型的探討

張瑞松＊浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司 杭州 310012

當(dāng)工程設(shè)計(jì)采用混凝土預(yù)制樁時(shí),對(duì)于以黏性土、粉土、砂土為主地基土的非端承樁,可利用靜力觸探指標(biāo)確定合理的預(yù)制樁身強(qiáng)度及樁型,避免因樁身強(qiáng)度不夠或樁端持力層不正確而在施工過程中造成工程事故。

預(yù)制樁 靜力觸探 樁身強(qiáng)度

樁基的設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括樁的豎向承載力計(jì)算、沉降計(jì)算和裂縫控制計(jì)算。當(dāng)然需要進(jìn)行水平承載力計(jì)算時(shí),還要考慮水平位移的計(jì)算。其中在樁身豎向承載力的設(shè)計(jì)中,一般情況下僅需考慮建、構(gòu)筑物使用階段的樁身豎向承載力。但對(duì)于預(yù)制擠土樁來講,當(dāng)?shù)鼗烈责ば酝痢⒎弁?、砂土為主時(shí),往往在樁基施工時(shí)的壓樁力或柴油錘的沖擊力會(huì)超過使用階段的樁身豎向承載力設(shè)計(jì)值。若樁身豎向承載力不足會(huì)造成兩種結(jié)果:①強(qiáng)行施工造成樁身破壞;②樁端進(jìn)入持力層深度不夠或根本沒到持力層。這容易造成設(shè)計(jì)人員對(duì)此類樁基是否已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)的要求判斷不清楚,而且一旦施工已經(jīng)全面鋪開,更換樁型會(huì)造成施工進(jìn)度延誤,業(yè)主的投資也會(huì)造成損失。由于《建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范》并沒有對(duì)施工階段的樁身承載力提供計(jì)算公式,因此設(shè)計(jì)人員一定要在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該對(duì)上述情況下的樁自身承載力有量化的判斷,才不至于事后被動(dòng)。筆者結(jié)合兩個(gè)分別使用靜壓和錘擊施工方法的預(yù)應(yīng)力管樁工程,重點(diǎn)討論靜力觸探技術(shù)指標(biāo)在樁型選擇上的應(yīng)用。

1 利用靜力觸探技術(shù)確定樁身強(qiáng)度

1.1 采用靜壓施工方法的實(shí)例

杭州某美國(guó)獨(dú)資制藥有限公司在杭州下沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)新建生產(chǎn)基地。其中有一包裝車間長(zhǎng)167.45m,寬92.35m,建筑面積約19900m2,為單層局部?jī)蓪咏ㄖ?。上部采用鋼結(jié)構(gòu),根據(jù)生產(chǎn)工藝要求,±0.000標(biāo)高采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板并架空,單柱最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值約為2600kN。擬建場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類,工程抗震設(shè)防類別為丙類。場(chǎng)地地下水(土)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性,在干濕交替情況下,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性;對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。工程地質(zhì)勘探報(bào)告表明,勘探深度以內(nèi)的地基土共劃分為六個(gè)工程地質(zhì)亞層,其主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1(表中的厚度按照地勘資料中的Z41填寫,Z41孔口高程為國(guó)家85高程5.96 m,±0.000相對(duì)標(biāo)高相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高6.20 m,樁頂相對(duì)標(biāo)高為-1.95 m,樁型選用浙江省《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中的PC 500 AB 100-13)。

根據(jù)地勘單位的推薦意見,樁型優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)性較好的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,分別選用Φ400、Φ500兩種樁型,分別用規(guī)范的原位測(cè)試法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法[1]進(jìn)行對(duì)比分析:

先假定預(yù)應(yīng)力混凝土管樁帶閉口型樁尖,按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法:

Φ400管樁:

Φ500管樁:

表1 土層主要的物理力學(xué)指標(biāo)

若按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中雙橋探頭靜力觸探的原位測(cè)試法:

Φ400管樁:

Φ500管樁:

綜合比較以上的數(shù)據(jù),Φ400管樁的單樁豎向極限承載力只有1200kN,而Φ500管樁的單樁豎向極限承載力有1700kN,兩者相差41.67%,而市場(chǎng)上的管樁單價(jià)差異沒有這么大,況且Φ400樁數(shù)多,承臺(tái)大;Φ500樁數(shù)少,承臺(tái)小,所以最后選用了Φ500的樁型。但是按照經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法Φ500的樁用浙江省《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中的PTC-500(65)即可(樁身豎向承載力極限值2219 kN),而按照原位測(cè)試法Φ500的樁必須用浙江省《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中的PC-500 (100)才行(樁身豎向承載力極限值3991kN)。根據(jù)施工單位的現(xiàn)場(chǎng)施工紀(jì)錄,Φ500樁的壓樁力大部分為2200～2700kN,個(gè)別達(dá)到3000kN以上。施工記錄的壓樁力數(shù)值與原位測(cè)試法的數(shù)值比較接近,但大部分偏大一些,主要原因是隨著樁的施工數(shù)量越來越多,地基土的擠密效應(yīng)越來越好,施工時(shí)樁的壓樁力也越來越大。如果選用的是PTC -500(65)的樁型,則現(xiàn)場(chǎng)樁壓壞或樁尖持力層不到位的情況會(huì)非常普遍。

1.2 采用錘擊施工方法的實(shí)例

江蘇省昆山市某臺(tái)商獨(dú)資企業(yè)位于昆山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)。二期擴(kuò)建工程中有一公用廠房長(zhǎng)55.0m,寬33.0m,建筑面積約4380m2,為四層建筑物。上部采用混凝土框架結(jié)構(gòu),單柱最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值約為5500kN。擬建場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類,工程抗震設(shè)防類別為丙類。場(chǎng)地地下水潛水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性,長(zhǎng)期浸水條件下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性;干濕交替條件下地下水可能產(chǎn)生弱腐蝕性。工程地質(zhì)勘探報(bào)告表明勘探深度以內(nèi)的地基土共劃分為七個(gè)工程地質(zhì)亞層,其主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表2(表中的厚度按照地勘資料中的J38填寫,J38孔口高程約為吳淞高程3.70m,±0.000相對(duì)標(biāo)高相當(dāng)于吳淞絕對(duì)標(biāo)高4.80m,樁頂相對(duì)標(biāo)高為-2.00m,樁型選用江蘇省《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中的PHC-600 (130)AB-C80-10、8)。

根據(jù)地勘報(bào)告顯示,該工程5層砂質(zhì)粉土有輕微液化,6層粉砂夾粉土不液化。所以選擇樁端的持力層落在6層粉砂夾粉土上。由于業(yè)主在一期施工時(shí)已經(jīng)碰到樁基施工困難的問題,設(shè)計(jì)院就直接選用Φ600的樁型,在滿足施工時(shí)樁身強(qiáng)度的情況下,樁盡量長(zhǎng)以節(jié)約投資?，F(xiàn)分別用規(guī)范的原位測(cè)試法和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法[1]進(jìn)行對(duì)比分析:

表2 土層主要的物理力學(xué)指標(biāo)

土層名稱土層狀態(tài)厚度(m)壓縮模量ES(MPa)靜探qc (MPa)靜探fs (kPa)樁側(cè)阻、端阻特征值qsik(kPa)qpk(kPa) 1-2素填土稍密0.501.0034.44 2粘土軟塑～可塑1.704.00.6437.8315 3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土軟塑～流塑2.002.50.3612.0715 4粉質(zhì)粘土可塑～硬塑4.606.02.0091.09501600 5砂質(zhì)粉土稍密～中密7.208.85.8069.29602600 6粉砂夾粉土中密4.7010.011.09129.81705400 7-1粉砂夾粉土中密9.3523000 7-2粉砂中密～密實(shí)10.8705000

先假定預(yù)應(yīng)力混凝土管樁帶閉口型樁尖,按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法:

Φ600管樁:

若按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中雙橋探頭靜力觸探的原位測(cè)試法:

Φ600管樁:

綜合比較以上的數(shù)據(jù),按照經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法, Φ600的樁用江蘇省《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中的PC-600(110)AB-C60-10、8即可(樁身豎向承載力極限值為4320 kN),而按照原位測(cè)試法Φ600的樁宜選用江蘇省《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中的PHC-600(110)AB-C80-10、8 (樁身豎向承載力極限值為5920kN)。需要說明的是,該工程地勘資料原先提供的qsik和qpk值都比表2中的小,經(jīng)對(duì)照該工程一期的地勘資料和其他相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)數(shù)值差異較大之后,由勘探單位發(fā)聯(lián)系單變更為表2中數(shù)據(jù),但是雙橋靜力觸探的qc和fs數(shù)據(jù)沒有調(diào)整,所以由原位測(cè)試法和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算出的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值相差不大,而實(shí)際情況要更大些。

由于PHC-600(110)AB不在業(yè)主單位供貨目錄范圍內(nèi),所以最后改為PHC-600(130)AB -C80-10、8樁型。因?yàn)闃渡韽?qiáng)度有一定的余量,施工單位在現(xiàn)場(chǎng)采用DD10.3的導(dǎo)桿式柴油錘,沖程高度1.8～2.5m,錘沖擊力為4000～5000kN,現(xiàn)場(chǎng)施工非常順利。但從經(jīng)濟(jì)角度來講,選用PHC-600(110)AB更節(jié)省投資。

2 靜力觸探技術(shù)選樁型應(yīng)注意的問題

2.1 適用范圍

靜力觸探技術(shù)適用于以黏性土、粉土、砂土為主的地基土,不適用于端承樁。當(dāng)基礎(chǔ)土以淤泥質(zhì)黏性土為主時(shí),一般施工時(shí)的壓樁力比以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值要小,也就不存在施工階段樁身強(qiáng)度的問題。當(dāng)樁基為端承樁時(shí),雖然也存在施工階段樁身強(qiáng)度的問題,但強(qiáng)度主要與樁端的巖層性質(zhì)有關(guān)。如該巖層在當(dāng)?shù)仄毡榇嬖?當(dāng)?shù)囟加幸惶鬃约旱目刂茦?biāo)準(zhǔn),把具體的樁型、單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與相應(yīng)的錘重、落距、最后的貫入度以及最小樁長(zhǎng)聯(lián)系起來,設(shè)計(jì)人員找到當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)即可。

2.2 判別單樁承載力特征值的依據(jù)

當(dāng)采用靜壓方式施工時(shí),壓樁力一般會(huì)比利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值大很多[2],但這不能作為判斷單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值的依據(jù)。然而實(shí)際的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值也確實(shí)會(huì)比用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值大,只是沒有達(dá)到施工時(shí)壓樁力那么大的值。因此如有條件,可以在正式施工之前,在工程樁之外打幾根試樁,以它的靜載試驗(yàn)值作為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值比較合理,當(dāng)然這需要業(yè)主的理解和配合。

2.3 腐蝕性地下水(土)對(duì)樁型選擇的影響

根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]的要求,當(dāng)?shù)叵滤?土)有腐蝕性時(shí),對(duì)腐蝕等級(jí)為中、弱時(shí),除該規(guī)范規(guī)定的防腐措施外,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的鋼筋保護(hù)層厚度不應(yīng)小于35mm,這樣就限制了PTC甚至一些PC樁的使用范圍。另外對(duì)某些強(qiáng)腐蝕環(huán)境下,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是不宜采用的,設(shè)計(jì)人員要注意甄別使用。

2.4 地勘報(bào)告提供的計(jì)算數(shù)據(jù)

現(xiàn)在勘探市場(chǎng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)比較激烈,不排除有些勘探單位對(duì)局部數(shù)據(jù)進(jìn)行造假,設(shè)計(jì)人員最好根據(jù)當(dāng)?shù)厥?biāo)的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》或者相鄰地塊的地勘資料對(duì)地勘報(bào)告上的qsik、qpk、qc、fs數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析,遇到不合理指標(biāo)要及時(shí)溝通,避免被誤導(dǎo)。本文中采用錘擊施工方法的實(shí)例中就遇到這種情況。

2.5 施工方法的選擇

一般情況下錘擊的施工方法更適合在場(chǎng)地周邊比較空曠的地方;樁錘選用時(shí)應(yīng)遵循重錘低擊的原則,在施工時(shí)若不控制樁錘落距,相對(duì)于靜壓方式對(duì)樁自身承載力控制的余量要求更高;在有液化土層的地方,錘擊施工更容易引起液化土層的液化,施工中需要控制打樁的速度。另外,目前施工現(xiàn)場(chǎng)的錘擊樁機(jī)械大部分選用國(guó)產(chǎn)的導(dǎo)桿式,而標(biāo)準(zhǔn)圖中一般指的是桶式錘,兩者錘重一樣,但沖擊力有較大區(qū)別,設(shè)計(jì)要注意區(qū)別。

靜壓的施工方法適合在建設(shè)場(chǎng)地周邊有較多建筑物的時(shí)候,對(duì)周邊的環(huán)境影響比較小,施工質(zhì)量容易保證;但當(dāng)壓樁力很大、表層的地基土比較差時(shí),靜壓的施工方法要謹(jǐn)慎使用,防止樁架移位時(shí)表層土移位擠斷已施工的樁基。

2.6 靜力觸探技術(shù)選擇樁身承載力

預(yù)制樁施工后期的壓樁力或者柴油錘沖擊力一定會(huì)比用原位測(cè)試法計(jì)算出來的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值要高,這主要跟布樁系數(shù)、原有地基土的密實(shí)程度以及樁帶不帶閉口樁尖有關(guān),一般后期的提高幅度在10%～20%。因此在選擇樁身承載力時(shí)要留有一定的余量。若施工中局部樁的壓樁力或者柴油錘沖擊力特別大,則有可能遇到孤石,建議移位施工。

2.7 液化土的影響

當(dāng)?shù)鼗林泻幸夯翆訒r(shí),對(duì)于采用錘擊方式施工的樁基要控制施工速度。當(dāng)施工中沖擊力突然減小,要暫停施工。

3 結(jié)語

當(dāng)?shù)鼗烈责ば酝?、粉土、砂土為主時(shí),利用靜力觸探指標(biāo)通過原位測(cè)試法可以量化預(yù)制樁在施工階段樁身所需要的強(qiáng)度,可以有效防止樁基在施工過程中因?yàn)闃渡韽?qiáng)度不足而引起工程事故,避免樁型選擇的盲目性。當(dāng)施工階段的樁身強(qiáng)度利用比較充分時(shí),能夠有效節(jié)約投資。

1 JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

2 張永雨.靜力觸探預(yù)估靜壓樁承載力的試驗(yàn)研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2006.

3 GB 50046-2008,工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2008.

Pile strength and type can be rationally determined by using index of cone penetration test for the non-point bearing pile in the foundation soil predominated in cohesive,silt and sand soil when the precast concrete piles are used in the projects,and prevent from the engineering accident resulted from the insufficient strength of the pile and the incorrect pile tip bearing stratum.

Probe on Rational Selection of Precast Concrete Pile by Using Index of Cone Penetration Test

Zhang Ruisong
(Zhejiang Tianzheng Design and Engineering Co.Ltd.,Hangzhou310012)

precast concrete pile cone penetration test pile strength

＊張瑞松:高級(jí)工程師,主任工程師,一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師,注冊(cè)咨詢工程師。1994年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)工業(yè)與民用建筑專業(yè)。一直從事設(shè)計(jì)和管理工作。聯(lián)系電話:(0571)88362936,E-mail:zhang-rs@zpcdi.com。

2011-03-03)