唐先彬 祝向文 石 強(qiáng) 章 進(jìn) 鄭澤豪
隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn),載體樁復(fù)合地基在住宅、工業(yè)廠房及城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用逐漸廣泛。主要是其具備較好的承載性能,特別是豎向的抗拔承載力特點(diǎn)。在長(zhǎng)時(shí)間的研究過(guò)程中,相關(guān)工作人員對(duì)載體樁復(fù)合地基的承載力測(cè)試,已經(jīng)取得了一些成果,能夠在實(shí)際的工況施工中,進(jìn)行較為細(xì)致和準(zhǔn)確的分析[1]。但由于施工項(xiàng)目是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,在進(jìn)行載體樁地基施工上會(huì)存在土壤破壞面,尤其在不同性質(zhì)的土壤環(huán)境中進(jìn)行地基施工,會(huì)產(chǎn)生不同的承載力計(jì)算結(jié)果[2]。
原分析方法不能對(duì)產(chǎn)生破壞的土壤進(jìn)行模擬,需要人工測(cè)量并恢復(fù)到正常狀態(tài)下才能進(jìn)行下一次的承載力分析,會(huì)影響施工的進(jìn)行,增加施工成本。對(duì)載體樁復(fù)合地基的承載力進(jìn)行分析,能夠在不同的樁體結(jié)構(gòu)中,找到最適宜的施工位置,保證施工過(guò)程不受影響,保持持續(xù)的施工狀態(tài)[3]。
極限平衡原理能夠通過(guò)假定理論,建立與實(shí)際工程概況相符合的場(chǎng)景,并在多層級(jí)分析方法的作用下,對(duì)各類施工性能進(jìn)行分析。在已知的工程施工環(huán)境中,可以通過(guò)極限平衡原理對(duì)施工面進(jìn)行假定,根據(jù)最大值和最小值來(lái)確定,施工面中的未知性能參數(shù),以此獲取不同載體樁復(fù)合地基的承載力情況[4]。
為減少實(shí)際工程施工的局限性,本文以極限平衡原理為基礎(chǔ),研究載體樁復(fù)合地基的承載力分析方法,對(duì)建筑施工過(guò)程中的承載力進(jìn)行計(jì)算,保證在最適宜的載體樁結(jié)構(gòu)上,發(fā)揮出其最大的承載力性能。
載體樁施工機(jī)械常選用振動(dòng)沉管樁機(jī)和鉆孔灌注樁專用樁機(jī)。但是,近幾年液壓行走夯擴(kuò)樁機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。打樁機(jī)的施工優(yōu)點(diǎn)為,打樁時(shí)旋轉(zhuǎn)行走靈活、無(wú)噪音、無(wú)空氣污染、操作方便等,可逐一打樁或跳位打樁。因此本文選擇液壓行走夯擴(kuò)樁機(jī)。該打樁機(jī)設(shè)備主要包括以下部分。 一是套筒。用于導(dǎo)護(hù)井壁,設(shè)有進(jìn)料孔、套管對(duì)中裝置、套管提升器等;二是50 kN 快卸主提升機(jī)。可升降和釋放重錘;三是30 kN 輔助絞車??商嵘坠芘c背壓使用;四是樁架。構(gòu)成是中空垂桿和支承斜桿;五是細(xì)長(zhǎng)重錘。錘體長(zhǎng)度4 m ~5 m,錘徑為355 ~406 mm,普通錘重35 kN。錘體通過(guò)不纏繞的鋼絲繩與快卸絞車連接;六是底盤和液壓行走系統(tǒng)。
載體樁的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,載體建設(shè)所需的填充材料可以消耗大量的廢物,使廢物可以重復(fù)利用,具有很好的環(huán)境效益。碎磚、碎石、混凝土碎塊、鵝卵石、礦渣等材料均可用作填筑材料,并通過(guò)錘擊和夯實(shí)獲得高強(qiáng)度。將周圍土體進(jìn)一步壓實(shí),強(qiáng)度大大提高,最終提高樁基的承載能力。
(1)復(fù)測(cè)樁位線。首先將場(chǎng)地處理平整,然后根據(jù)樁基設(shè)計(jì)圖紙對(duì)建筑物進(jìn)行定位和樁位測(cè)量放樣,復(fù)核進(jìn)行復(fù)測(cè),只有合格后才能進(jìn)行施工。施工過(guò)程中,還要再次進(jìn)行復(fù)測(cè)。
(2)樁基礎(chǔ)就位。首先檢查基礎(chǔ)工作,調(diào)整樁套,把樁基礎(chǔ)移動(dòng)到即將施工的打樁處,核查樁基垂直度,保證樁位中心和樁套中心對(duì)齊;然后把樁套下降到地面位置并拉直。在施工時(shí),打樁機(jī)應(yīng)穩(wěn)定,無(wú)傾斜、無(wú)位移。同時(shí)還需要注意成孔深度的控制,在樁架上標(biāo)記控制標(biāo)高,多觀察和記錄。
(3)錘孔。首先要保證定位準(zhǔn)確,需要采用細(xì)錘對(duì)較低地面進(jìn)行夯實(shí)落距;然后對(duì)樁套垂直度利用水平尺進(jìn)行校對(duì),同時(shí)改進(jìn)重錘夯孔。最后,注意設(shè)計(jì)落距和錘重時(shí)要符合要求;套樁下沉到柱底時(shí),測(cè)量孔底孔深和高程。
(4)夯實(shí)填充物。當(dāng)樁體下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),將重錘從填料口抬起(錘底距樁體底部40 ~60 cm 為宜),用重錘作自由落體對(duì)填充物進(jìn)行夯實(shí)。充填過(guò)程大致可分為3 個(gè)階段:充填下降、平整和上升。應(yīng)控制每次灌注量(每10 cm深度添加0.01 m3灌注量為宜)和累計(jì)灌注量。填充量以0.5 ~1.8 m3為宜。大于1.8 m3時(shí),應(yīng)選擇加筋土層或改變施工參數(shù)。
(5)三次貫入測(cè)量。當(dāng)承重體達(dá)到致密狀態(tài)時(shí),重錘以6 m 的下落距離進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng),夯實(shí)填充物。三次打擊的總穿透力不得大于15 cm,每一次打擊穿透力應(yīng)小于或等于前一次打擊的穿透力。如果三次擊入深度超過(guò)15 cm,則應(yīng)繼續(xù)填充并壓實(shí)入樁套筒,直至滿足要求。
(6)夯實(shí)干硬混凝土。當(dāng)三次擊入達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),填入0.3 ~0.5 m3的干硬混凝土,繼續(xù)夯實(shí),直至錘底離套管1 ~2 cm,按拉索上的標(biāo)志控制設(shè)計(jì)標(biāo)高。
(7)澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和樁身。根據(jù)樁身長(zhǎng)度選擇預(yù)應(yīng)力管樁。采用地面樁進(jìn)行連接樁,在設(shè)計(jì)標(biāo)高處放置樁身,在管樁中澆筑高度約為30 m 的自密實(shí)混凝土,方便載體與預(yù)應(yīng)力管樁更高效的結(jié)合。
(8)拔出套筒注漿成樁?;诟邏鹤{方法,將不同的樁身之間澆筑水泥漿,以等速緩慢拔出。
載體樁是一種新型的樁基施工技術(shù),但在復(fù)合基礎(chǔ)施工中,對(duì)其承載力的測(cè)試實(shí)驗(yàn)較少,不能保證在建筑或者公路施工中載體樁的承受能力,需要選擇實(shí)際施工項(xiàng)目,對(duì)載體樁復(fù)合地基的承載力進(jìn)行測(cè)試[5]。
以某高鐵站的地基工程為施工項(xiàng)目,選擇三組載體樁作為復(fù)合地基的增強(qiáng)體,直徑分別為350 mm 和450 mm 以及550 mm,除了直徑不同以外,其余材料性質(zhì)均一致。每組樁體之間的間隔保持在3 m,各組載體樁包含18 根樁體,預(yù)設(shè)土層下埋深度為3.8 m。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用1 000 T的油壓千斤頂,進(jìn)行施工全程的加載,配置有油壓傳感器完成加載值控制,每組載體樁間隔之間布置位移傳感器,便于后續(xù)完成沉降量測(cè)試。
載體樁復(fù)合地基是否具備穩(wěn)定性,是整個(gè)建筑的重點(diǎn)測(cè)試項(xiàng)目,在建筑工程中對(duì)不同位置的載體樁進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試,需要對(duì)其承載力進(jìn)行分析。極限平衡原理在實(shí)際工程中的應(yīng)用較為廣泛,該理論能夠在不同的假設(shè)條件下,對(duì)載體樁復(fù)合地基的平衡效果進(jìn)行計(jì)算。
由于載體樁復(fù)合地基的施工過(guò)程較為復(fù)雜,基本上在承載力計(jì)算中需要反復(fù)進(jìn)行驗(yàn)證,此次設(shè)定一個(gè)承載力,將載體樁復(fù)合地基放在直角坐標(biāo)系中。按照地基工程的邊界位置,對(duì)各個(gè)點(diǎn)位的載體樁進(jìn)行標(biāo)記,為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,直接對(duì)工程的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行還原,建立一個(gè)邊界方程的直角坐標(biāo)系,具體如圖1所示。
圖1 直角坐標(biāo)系下地基承載力分析
根據(jù)圖中內(nèi)容所示,坐標(biāo)的起點(diǎn)為地基的中心位置,與任意的相鄰載體樁,能夠連成一條直線,按照不同的走向可以設(shè)置為Q-W、Q-E 和Q-B。將不同位置的承載樁進(jìn)行確定后,其與中心的連線均為一條直線,對(duì)于每個(gè)承載樁的位置均可以產(chǎn)生一個(gè)粘結(jié)力R。而最遠(yuǎn)承載樁到與中心點(diǎn)平行的垂直距離,設(shè)置為T,以此在安全系數(shù)理論下,建立承載力的邊界方程。
為驗(yàn)證不同載體樁復(fù)合地基的承載力性能,對(duì)選擇的三組地基進(jìn)行結(jié)果對(duì)比,按照建筑地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)不同參數(shù)的地基樁徑呈現(xiàn)的承載力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試分為2 個(gè)部分。首先對(duì)不同的單樁抗壓性能進(jìn)行靜載測(cè)試,即在不同的施工驗(yàn)收結(jié)果下,對(duì)不同的樁徑載體樁進(jìn)行荷載能力測(cè)試。其次在最大荷載能力下,對(duì)樁體樁的側(cè)樁抗阻力進(jìn)行測(cè)試,比較不同樁徑下側(cè)抗阻力的變化趨勢(shì)。測(cè)試開(kāi)始前將三組載體樁地基參數(shù),上傳到有限元計(jì)算模型中,模擬正常施工環(huán)境,對(duì)樁位的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行隨機(jī)初選,每組載體樁的施工時(shí)間需大于18d。
若樁體的荷載能力較高,其在多次靜壓測(cè)試下的沉降量就不會(huì)十分明顯;當(dāng)載體樁的荷載能力較低時(shí),地基會(huì)出現(xiàn)較大的沉降量。一般情況下,樁體的荷載能力越強(qiáng),地基的承載力效果就越好,在1 000 KN 和2 000 KN 以 及3 000 KN的測(cè)試條件下,對(duì)比不同樁徑的沉降量,具體如表1 所示。
據(jù)表1 所示,增加荷載能力時(shí),不同直徑的沉降量均會(huì)發(fā)生變化。隨著荷載能力的增加,沉降量也會(huì)逐漸增大。其中樁徑為450 mm 的載體樁結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的沉降量變化值較小,在荷載能力為3 000 KN 時(shí)沉降量沒(méi)有超過(guò)1.5 mm。其余兩組樁體直徑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降量雖然也符合工程設(shè)定,但是實(shí)際應(yīng)用中會(huì)以最小值的變化,為地基載體樁施工的優(yōu)先選擇。
表1 不同荷載下載體樁沉降量對(duì)比結(jié)果(mm)
而載體樁復(fù)合地基是以端承載為主的樁體,當(dāng)逐漸增加樁體荷載時(shí),樁體的側(cè)抗阻力會(huì)發(fā)生變化,以此將樁體的側(cè)抗阻力作承載力性能測(cè)試,驗(yàn)證其是否能夠滿足建筑工程項(xiàng)目的安全儲(chǔ)備設(shè)置。仍以三組荷載能力為測(cè)試強(qiáng)度,對(duì)不同直徑的載體樁復(fù)合地基,進(jìn)行側(cè)抗阻力測(cè)試,具體如表2 所示。
表2 不同樁徑側(cè)抗阻力測(cè)試結(jié)果(KPA)
根據(jù)表中內(nèi)容所示,三組載體樁地基的側(cè)抗阻力度非常相似。隨著荷載強(qiáng)度的逐漸提升,不同載體樁樁徑的側(cè)抗阻力值逐漸提高,因此將樁側(cè)阻力作為施工的安全儲(chǔ)備是合理設(shè)定。由于直徑為450 mm 的載體樁沉降量最小,直接對(duì)其的側(cè)抗阻力進(jìn)行分析,在3 000 KN 荷載能力下,其側(cè)抗阻力的數(shù)值仍屬于最佳結(jié)果。
綜合實(shí)驗(yàn)可知:在極限平衡原理下進(jìn)行承載力分析。能夠?qū)⑹┕?chǎng)景進(jìn)行還原,對(duì)不同的載體樁復(fù)合地基進(jìn)行多角度分析,在本文應(yīng)用過(guò)程中,以直徑為450 mm 的載體樁為最佳施工標(biāo)準(zhǔn),能夠在3 000 KN 荷載能力時(shí)保證最小沉降量和最大側(cè)抗阻力。
本文以極限平衡原理為基礎(chǔ),設(shè)置一個(gè)承載力分析模型,對(duì)不同載體樁的直徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,能夠在還原施工環(huán)境的狀態(tài)下,對(duì)比不同樁體的承載力效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在3 000 KN 荷載能力時(shí),直徑為450 mm 的載體樁沉降量最小,側(cè)抗阻力最大。但時(shí)間有限,在研究過(guò)程中尚存在不足之處,如對(duì)樁體的直徑選擇組數(shù)過(guò)少,所得結(jié)論具有偏差性。后續(xù)研究中會(huì)針對(duì)這一問(wèn)題,選擇更多類型的載體樁直徑進(jìn)行測(cè)試,對(duì)樁體的承載力進(jìn)行全方位分析,保證施工工程的安全性。