預應力管樁擠土效應的探討

王德云　吳崇貴

如東縣建設局施工圖審查辦公室　江蘇如東 226400 江蘇誠嘉監理公司　江蘇如東  226400

前言

    預應力管樁具有如下特點：成批生產，質量穩定可靠；樁身混凝土強度高，耐錘打性好，穿透能力強；單樁承載力高，單位承載力價格便宜；對不同地質條件和不同沉樁工藝適應性強；經濟快捷等。目前該樁型已在國內經濟發達的沿海地區普遍推廣應用，在許多地區正取代各種傳統樁型而成為主導樁型，受到越來越多的設計人員的歡迎。

    預應力管樁產生擠土效應的現象在工程界己被普通認同，它對單樁承載力提高是許多綜合因素決定的。工程樁檢測的承載力大幅度超過設計值的普遍情況惹來不少非議，有的建設單位埋怨設計和勘察人員太保守，經驗較少的設計人員則對設計試樁檢測和勘察報告數據的真實性產生質疑。但多數工程專業人員都能認識到工程樁施打后，樁間土受到擠密樁側摩阻力提高了，土壤壓縮性愈小，樁對土的置換率愈大，這種擠土效應就會更大，有的多樁承臺因壓樁力超過樁身強度太多而不能沉到設計標高，只有及時截樁，否則樁機不能行走，影響工程施工，而樁端不在同一標高甚至不在同一持力層，這是結構設計人員最不愿接受的事實。因此設計和勘察人員向施工單位提出調整打樁順序以緩解擠土效應對沉樁的影響。但調整打樁順序只是讓一部分樁在樁周土擠密前先打下去，而樁周土在打樁后又會因后打樁的影響再被擠密，擠土效應對單樁承載力提高的最終結果是相同的。調整打樁順序一定程度上緩解擠土效應的負面效應有作用，但不能根本消除，最積極的辦法應當是了解擠土效應對承載力提高有多大，然后調整設計參數，使之充分利用，節省投資又便利施工。

1、擠土效應

    靜壓法預應力管樁施工屬于擠土類型，往往由于沉樁時使樁四周的土體結構受到擾動，改變了土體的應力狀態，相當于樁體積的土體向四周排擠，使周圍的土受到嚴重的擾動，主要表現為徑向位移，樁尖和樁周一定范圍內的土體受到不排水剪切以及很大的水平擠壓，樁周土體接近于”非壓縮性”，產生較大的剪切變形，形成具有很高孔隙水壓力的擾動重塑區，降低了土的不排水抗剪強度，促使樁周鄰近土體會因不排水剪切而破壞，與樁體積等量的土體在沉樁過程中向樁周發生較大的側向位移和隆起。在地面附近的土體是向上隆起，而在地面以下較深層土體，由于覆蓋土層壓力作用不能向上隆起，就向水平方向擠壓。由于群樁施工中的迭加作用，會使已打入樁和鄰近管線產生較大側向位移和上浮。樁群越密越大，土的位移也越大，有資料揭示，地面隆起可達50cm-60cm，有的甚至達到70cm～80cm。這主要表現在以下幾個方面：

    a．壓樁時樁周土層被壓密并擠開，使土體產生水平移動和垂直隆起，并可對周圍建筑物及地下管線有一定的影響；

    b．壓樁使土中超孔隙水壓力升高，造成土體破壞。未破壞的土體也會因超孔隙水壓力的不斷傳播和消散而蠕變，導致土體垂直隆起和水平位移；

    c．壓樁過程中樁周土體被劇烈擾動，土的原始結構受到破壞，土的工程性質發生改變。

    d．施工過程中焊接時間過長，樁的接頭較多而且焊接質量不好或樁端停歇在硬夾層。施工方法與施工順序不當，每天成樁數量太多，壓樁速率太快，布樁過多過密，這些加劇了擠土效應。

    預應力混凝土管樁的單樁豎向抗壓極限承載力(或特征值)的設計值的確定不論是直接采用巖土勘察單位的推薦值還是設計人員自行確定的，都是根據勘察報告提供的各土層側阻力和樁端阻力的極限標準值，按擬定的樁長和樁徑進行計算的方法是相同的�？辈靻挝惶峁┑南嚓P參數主要依據檢測數據，另外還帶有經驗的因素，設計人員對計算結果的調整也是依據個人經驗的。同一建設條件不同的設計和勘察人員提出的參數不盡相同，因此規范規定施工前應采用靜載試驗確定承載力，這就是我們統稱的設計試樁。試樁數量一般不宜少于工程樁總數的l％，且不少于3根。試樁位置一般由設計和勘察單位在非工程樁位置指定，通常都是分散的。設計試樁的靜載試驗結果達到設計或高于設計值，而按原設計參數施工的情況較多。但高于設計值較大或不滿足設計要求的需要修改設計的情況也時有發生。但不管依據設計試樁結果提出和修改的設計多么精確合理，即使是地質情況非常均勻全部是單樁條型承臺的磚混結構，工程樁的壓樁力總是高于設計試樁的壓力，后打樁的壓力高于先打樁的壓力。比較設計試樁和工程樁的壓力和沉降曲線Q—S，相同試驗壓力下工程樁的沉降值較設計試樁小，幾乎差1—2級荷載的對應沉降量。而框架結構的多樁承臺壓樁力較設計試樁壓力甚至增長l倍以上。

2、工程實例

    2.1實例一

    江蘇省如東13層的廣電傳媒中心大樓，框架結構。采用直徑400mm和500mm的預應力管樁，樁長分別為l2m和l5m，樁端持力層分別為4層粉土夾粉砂、5層粉土夾粉質粘土。工程樁總數410根，試驗樁數6根。具體布置見圖1。

    基礎原設計PC-500(100)A—C70—12管樁，設計要求打3根設計試樁，單樁承載力極限值為1600 kN。打了3根設計試樁，壓樁力分別為1300 kN、1 400 kN、1450kN，靜載試驗的豎向抗壓極限承載力分別為1200KN、1350kN、1350 kN。設計人員按單樁極限承載力1200的設計值重新布樁，擴大了承臺尺寸。工程樁施工過程中，壓樁力增長很快，一般都在2500 kN左右，最大的壓樁力達到了3000 kN，個別樁只有截斷才能達到設計標高。工程樁按1.2×1200=1440kN加壓試驗，試驗了3根樁其沉降量只4mm～6mm.

    2.2實例二

    江蘇省如東中坤苑小區坐落于掘港鎮東北，規劃總建筑面積30萬㎡。設計有磚混結構的住宅，異型框架柱結構的別墅，短支剪力墻結構的小高層住宅。采用直徑400mm和500mm的預應力管樁，樁長為l2m，樁端持力層分別為(4)層粉土夾粉砂。

    一期工程l8幢多層住宅設計選用FIE～400(70)管樁單樁豎向抗壓承載力極限值設計值為900kN，初步選用12m樁長。為了準確確定設計參數，在兩個單體上分別打了t3m、12m、11m、10m的各3根設計試樁。l3m樁長的最終壓樁力為l l20kN、1040kN、960kN，靜載試驗承載力極限值為ll00kN、990kN、880 kN，承載力極限值的統計值為990kN；11m樁長的壓樁力為960kN、960kN、880kN，靜載試驗的豎向抗壓承載力極限值為900kN、900kN、800kN，統計值為866kN；12m樁的l2m時壓樁力與11m時差異不大，因此未做靜載試驗。設計樁長最終確定為l2m。

    工程樁施打的7d內共打了559根樁，相當于一期工程總樁數的l/8左右，監理人員旁站了所有樁的壓樁油壓記載，經統計分析，不僅有50％以上的樁12m時的油壓低于11m時壓力，壓樁力≤8801kN的樁僅為58根樁，占已打樁數的l0．4％，且多為周邊軸線的先打的樁，壓樁力≥l280kN的達377根，占已打樁總數的67.44％，最大壓樁力為l760kN，而設計試樁13 m樁長最大壓樁力只有1120 1kN，12m的為960，據此統計分析數據，監理組向業主進行了書面報告，征得設計單位認可，后續樁長均減短lm。

    工程樁施工后業主采納設計單位的建議，對兩個單體的工程樁從壓樁力最低的和第二低的共選了3根樁按1100kN進行靜載試驗，6根樁均未達到承載力的極限狀態，最大沉降l5lnlTl。其余l6個幢號各抽了3根共48根樁按9901kN靜載試驗加壓，除兩根樁的極限承載力為810kN、900kN，其余46根樁均未達到承載力極限狀態。

    中坤苑二期11層的小高層基礎為鋼筋混凝土預應力管樁，基礎結構平面見圖2。單樁承載力設計值為l700kN，單樁條形承臺梁的最大壓樁力的在2250 kN-2500kN，而九樁承臺最大壓樁力達到3400 kN，樁帽被壓壞只得截樁。打樁結束，選擇3根位于擠土效應小的單樁進行靜載試驗，豎向抗壓承載力極限值為2210kN、2210kN、2380kN，分別為設計值的l.2倍、l.3倍、l.4倍。

    二期工程的l5幢多層，單樁承載力極限值的設計值為880 kN，設計樁長為llm，樁頂標高一2.5m�；�于一期工程工程樁的以上檢測數據，考慮擠土效應有把握認定設計富余強度過大，業主和勘察人員采納了我們的建議，用工程樁的檢測數值替代傳統的設計試樁，并將樁頂標高由一2.5m提高為一l.8m(相當減短樁長0.7m)，在一個單體上連續依次打完4條軸線的24根工程樁，當時我們的想法是如果承載力不滿足要求，還可繼續壓樁下送，最不利的情況是降低承臺標高。l0d休止期后依次選擇壓樁力最小的875kNl根和次小的1000kN的2根樁進行靜載試驗，極限承載力分別為1000kN、1100kN、1300kN，統計值確定為1133 kN，高于設計值25.9％，我們對設計參數進行調整。接著按巖土勘察報告反映的15幢單體地質條件最差的一個幢號又打了20根9m長的樁，因其中的一根擠土效應最小的邊樁加載到880 kN時沉降未能穩定，最終樁頂標高提高0.7m，樁長改為10m。工程樁按1.1×880=968 kN加壓試驗，14個單體的42根樁中僅l根樁的極限承載力為880 kN，其余41根樁均未達到承載力極限狀態。

    據此，設計參數調整后節省投資：1—10/11.7=14.5％。需要重點說明的的是縮短樁長后的11幢單樁條形承臺梁的磚混結構，順利地把樁壓到設計標高，沒有出現一期中的樁帽被壓壞的的情況，但4幢框架結構的多樁承臺均有樁帽被壓壞、樁端未達到設計標高必須截樁的情況，最大壓樁力達到l900 kN，而樁身強度豎向承載力的設計值僅為1100kN。據以上情況和巖土勘察報告分析，l5幢多層中至少有10幢的樁長可以改為9m，仍然有可挖掘的空間。

3、綜合分析

    我們曾對如東地區工程樁豎向承載力極限值與壓樁力的比值進行過統計，一般在1.25—0.9左右，個別情況波動范圍會更大些。根據壓樁力記錄推測承載力時比例系數的估值愈合理，結果就會更準確。這個比例系數波動范圍較大的原因有3點：一是打樁人員閱讀油壓表一般以半格為計量單位估讀，估讀的偏差換算成的壓樁力有401kN一80 kN左右的誤差是不可避免的；二是正如前面已敘述過的打樁時樁周土被擠密的效應由于打樁順序和樁位的不同有時間先后的差異，先被擠壓則大，反之則�。蝗�是對壓樁力的大小不能只看最終壓力，還要看最后2m一3m段的壓力記錄。分析中坤苑一期工程24根工程樁的靜載試驗的Q—s曲線，對照壓樁深度——壓樁力記錄，有21根樁符合這樣的規律：凡最終壓樁力大的沉降小。但有3根樁的結論是相反的：壓樁力大反而較小一級的80 kN的沉降大，反復分析打樁記錄發現，這種樁的前兩個記錄段(即距端層標高2m一3m)時的壓樁力均較后者相應標高低2級(80×2=160 kN)以上。二期工程壓樁力同為l000 kN的二根工程試樁，靜載試驗結果一根極限承載力為ll00kN，另一根為1300 kN，查對壓樁記錄，后者的樁端前兩個記錄段的壓樁力均比前者相應標高大l25kN。分析其原因是管樁施工過程中移機、對位、接樁占用時間占了相當大的比例，真正壓樁加力時間只有幾分鐘。當碰上樁端土強度較高，但入土深度不夠或其上土的強度相當低，雖然打樁壓力能因磨阻力變化能有所反映，但不明顯，而靜載加壓時間一般在18h一20h，最后一級加載時間可能更長，凡這種地質情況樁端土受擠壓后周邊土向上隆起，沉降驟然增大明顯，承載力降低明顯。夯擴樁施工過程中經常遇有類似情況，使二次夯擴料成數倍增長才能達到預期的錘擊數。此類情況空隙水壓力也會有些變化，對壓樁力讀數也有影響。根據樁位和打樁順序分析，極限承載力為l300kN的樁打樁后樁周土又受周邊樁施工的擠土效應較前者大。如果只根據最終壓力大小，并把比例系數看成是固定的容易產生大的偏差，積累的數據一定要相當多，分析方法要科學。

4、結語

    預應力靜壓管樁承載力高，施工對環境無污染，施工受人為控制影響小，質量可靠，壓樁力與承載力的對應關系較為準確，便于鑒定不良地質情況并可采取相應補救措施(如下壓后現澆接樁頭)，施工速度快。如能進一步挖掘和充分利用擠土效應，節省投資，方便沉樁，其優勢就更明顯，我們的建議：

    1)用工程樁靜載試驗結果替代現行規范”l％左右設計試樁”的傳統做法，按設計初步確定的設計參數，在一個單體工程先打4條一6條軸線的工程樁，然后根據打樁壓力記錄綜合分析選擇最不利樁號進行靜載試驗，這種試驗不僅能反映擠土效應對承載力提高的影響，而且對不利地質點的認定較巖土勘察報告分析的要準確，因為一個單體的鉆探點遠少于工程樁的數量，每根樁的壓樁力和壓樁深度的記錄很直觀綜合地反映了該處的地質情況，很適用。

    2)采用差別樁距：單樁條形承臺梁的擠土效應小，樁距可以小些，如3D；而多樁承臺樁的擠土效應大，樁距應大些�？煞胖�3.5D或4D。合理的安排打樁順序：先打擠土效應較大的中間樁，后打邊樁；先打多樁承臺后打單樁承臺，這種做法會增加施工難度，僅是一種消除擠土負面效應的輔助手段，積極的措施應當是充分利用擠土效應。

    3)如果將同一建筑單體內分散施打未受擠土效應的單個設計試樁同工程樁施打完成已經發生了擠土效應的工程樁的壓樁記錄和兩者靜載試驗的資料對比分析，就很明顯地看出擠土效應對承載力的提高的大致范圍，這是室內試驗不可取代的。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)