预应力管桩工程质量控制问题
摘 要:结合近期管桩设计施工和静载试桩情况,从桩基施工时桩身和地基受力的基本特性出发,探讨了桩基施工的质量问题,总结出控制桩基质量的措施,得出这些异常现象主要与土的孔隙比、透水性及饱和度等有关的结论。
关键词:预应力管桩,静载试验,桩基施工,质量控制
近十多年来由于施工技术的发展和桩身质量的提高,使基桩的单桩竖向地基承载力(以下简称单桩承载力)的发挥逐步提高,单桩承载力愈来愈高,取得了较好的经济效益,并取得了节约社会资源的效益,尤其是预应力管桩。当然,良好的社会经济效益推动预应力管桩在大量工程使用过程中,工程人员也不断注意发现问题,解决问题,并完善设计施工技术方法。基于此,本文结合近期管桩设计施工和静载试桩的情况反映,从桩基施工桩身和地基受力的基本特性出发,结合工程实际经验,探讨如何更好的控制管桩施工质量,做好工程管理工作。
1 桩基受力变形讨论
EI论文代写众所周知,单桩承载力由桩身承载力和单桩地基承载力决定,预应力管桩的桩身承载力依据需要选择对应的型号。所以这里讨论桩基受力变形是侧重考虑如何控制施工,使单桩地基承载力满足建筑承载要求。图1是静载试桩时的桩身和地基土受力变形的示意图,也可作为预应力管桩静压沉入土中的受力和变形样式参照。通过该示意图结合静载试桩Q—s曲线(曲线含沉降段和回弹段)和土层性状讨论,分析桩在土中的工作性状,采用适宜的施工技术措施控制预应力管桩静压施工的质量。图1是由分析静载试桩Q—s曲线结合土层和桩协同工作原理而做,由Q—s曲线可知静载试桩的桩顶沉降s(见附后的静载试桩检测报告)可分解试桩卸载桩身和桩周土层反弹后桩顶的残余沉降sc和桩身、桩周土层沉降回复的反弹st,即:s=sc+st(1)st=szL+stt(2)其中,stt为桩身沉入土中带动的周边土体下沉载卸载后的土体回弹,因桩身随土体回弹,故在桩端和土体之间有可能产生缝隙;szL为桩身压缩变形,可由图1推导得出计算式:szL= [1/EA]∫L0(Q - qsuy)dy = [1/EA](QL-0.5qsuL2)(3)其中,qsu=uqs。若将szL分解为桩顶荷载Q作用的沉降szLQ=QL/EA和桩周侧阻力qs的上浮作用的沉降szLq=0.5uqsL2/EA,则通过静载试桩资料和计算可较容易得出s,sc,szLQ;而stt,szLq和图1中的szy则需要通过检测试验和分析获得;或通过收集静载试桩的样板资料,对比不同桩端持力层、类似的桩周土层、单桩地基承载力接近条件下的静载试桩结果,推算出接近检测试验得出的结果。科研检测单位有较强的桩基检测资料的收集条件。施工现场工程人员可通过上述原理结合桩基静载试桩受力沉降反应等其他工程桩基检测资料、地质资料、岩土的性状、工程经验,分析影响桩基静载试桩受力沉降的原因,积累经验,更好的控制工程施工质量。
2 结合式(3)分析Q—s曲线讨论控制桩基施工质量的问题
预应力管桩经过十几年的应用和设计施工经验积累,单桩竖向地基承载力逐渐提高,使用范围也有所扩大,故也出现了终压桩力采用以往常用的经验值———2倍左右的桩承载力设计特征值作为沉桩施工控制时,静载试桩不满足设计要求和浮桩的异常情况。式(3)表明在静载试桩时桩的几何参数和弹性模量为常数,而Q为线性变化数的变数,对应Q产生的桩侧阻力qsu也可近似认为线性变化数的变数。由此可知,静载试桩的沉降变形曲线可近似分解为线性变化的桩身压缩沉降和地基沉降两部分。所以通过式(3)也可解释预应力管桩的桩身压缩沉降,除了试桩桩帽压坏和遇孤石桩端压坏会产生突变外,其非线性沉降、Q—s曲线和其他异常情况发生多与地基变形和桩身在地基中的埋置状况有关。通过对这些情况和受力现象的调查了解分析,初步总结了如下经验供同行参考:
1) 桩端土由于地下水的影响改变了物理性状,造成静载试桩不满足设计要求的异常情况(终压桩力为以往常用的经验值———2倍左右的桩承载力设计特征值)。
分析其原因是沉桩施工卸载后桩侧土体带动桩身一起向上恢复,使桩端土体或土体与桩端之间产生缝隙,当渗水通道与该缝隙连通则使桩端土层因浸水而局部软化,在桩侧阻力发挥到极限,而桩端土浸水软化承载力降低时,造成静载试桩不满足设计要求。桩端土层局部浸水软化的原因和范围由土的渗透系数和速度[1]决定,而静载试桩多在沉桩后一周以上的时间进行,时间长短影响局部土体软化的范围和程度。结合桩长短即桩侧阻力在桩承载力中所占的比重(与桩长的关系较大),静载试桩Q—s曲线可能呈地基破坏、后一级沉降突然增大或陡降等现象。若继续加载则曲线又恢复缓变状态。解决该现象的措施是管桩必须加桩靴或施工时不能省去桩靴。
2) 较明显浮桩和桩出现较大位移的工程问题在一些工程中也有出现。
依地质条件不同,有的呈明显浮桩状,有的呈明显浮桩状并伴有较大的水平位移。其静载试桩Q—s曲线多呈地基破坏状,这是因为桩身大部分位于淤泥土层内时,桩的上浮量已经超过静载试桩合格允许的最大沉降量。若桩身大部分位于一般土层时静载试桩Q—s曲线与前述的类似。这些现象一般与桩长和土的性状两个条件有关。借助文献[2]“图9-15深基础下的地基剪切破坏面的两种图式”———太沙基公式和迈耶霍夫公式的地基破坏图式可知,桩刺入土中的沉桩施工过程使深基础下的地基剪切破坏面持续向下发生,使桩周边的地基土逐次自下而上向上隆起。先期施工位于该向上隆起的地基土内的桩则承受着地基剪切破坏面向上的推力,而该隆起土体以外(以上和以下)的桩周边土体有向下作用的侧阻力(与通常所述的负阻力作用方向相同)。隆起土体以外的桩越长抵抗向上推力的侧阻力越大,这即是桩长与浮桩的关系。而土的性状则决定了土在短时间内的压(挤)密性能。桩沉入土中时,若土的(挤)密性能差则桩周土体受水平推力并传递受水平推力,若桩较密且土的强度低则会形成类似挡土墙被动土压力的破裂面,土体呈楔形向上和向外挤出并对先期施工位于该楔形体内的桩产生影响。如淤泥虽孔隙比大,但透水性差,短时间内的挤密性能差,桩较密时其周边土体极易形成类似挡土墙被动土压力破坏的楔形体,当桩较短时位于该楔形体内易引起先期施工的桩上浮和水平位移,桩较长时先期施工的桩易倾斜乃至断桩。文献[3]阐述了打桩顺序与挤土的关系,“若桩距不小于桩径的4倍,则与打桩顺序无关”也说明了挤土与桩施工质量的关系。这些讨论基本上说明了桩基的成桩质量与地基土的性状关系,施工时要注意的事宜参阅文献[3],这里需要指出的是近年的工程经验表明淤泥土层的桩基出现工程质量问题即为其短时间内的挤密性能差引起的挤土浮桩现象。
3 控制桩基质量的若干措施
综合上面所述,除了结合地基土层的性状和分布、桩的布置情况采用适宜的施工措施外,在设计阶段或图纸会审阶段也应重视管桩布置情况对地基条件的适宜与否。
管桩施工不能省去桩端的桩靴。桩靴的作用:1)将桩端被压密的土体置于桩靴加劲肋范围内或利用桩靴的圆锥体将土挤开,使加劲肋和锥尖直接接触硬质土层(如碎块状强风化);2)避免管桩内可能的积水软化桩端土体使其承载力降低。
由于淤泥的挤密性能差,要注意若出现桩身大部分埋置于淤泥土层的地质条件时则不适宜满堂桩基或承台下桩较多的桩基设计方案;若仅小部分桩身置于淤泥土层时,则宜采用跳打和控制打桩进度以防挤土造成桩身质量缺陷;淤泥土层的基坑开挖时,应特别注意开挖深度,预防淤泥形成较高的临空面产生推力损坏桩身。
还需注意的是淤泥条形成高承台或类似高承台的条件,较高的高层建筑在这种高承台条件下的桩身承载力验算问题,容易疏忽的地方是设计应注意的事宜。当建筑的承台底直接搁置于老土(如粉质黏土或残积土)上时,由于土体挤密承载力提高且桩土有协同承载的条件,实际工作中往往呈复合地基受力,桩承担的荷载小于计算荷载,这种条件下高层建筑传给管桩的实际地震作用力会小的多。因此,争取承台底直接搁置于老土上也是管桩设计施工应注意的措施之一。
4 结语
EI论文代写随着管桩应用的经验积累、施工工艺的改进,单桩竖向地基承载力的取值也逐渐提高,富余量也相应减少,以前施工不曾遇到的工程问题也有出现,虽然问题不多,但给工程施工的质量控制带来了不少麻烦。笔者从一些工程问题中的典型现象结合地基土的性状和桩刺入图中的土体剪切滑动现象以及与地下水的关系讨论,认为与土的孔隙比、透水性和饱和度有很大的关系。若土的孔隙比大,但不透水且饱和度为100%时,则土体是不可压缩的。而土遇水软化则是另一方面的问题。因此,在基底的建筑单位投影面积荷载较大的条件下,结合桩的承载力与数量密度的关系和土的孔隙比、透水性和饱和度等性状采取措施设计桩基和控制桩基的施工方法和进程,是十分重要的。
参考文献:
[1] 编写委员会.工程地质手册[M].第3版.北京:中国建筑出版社,1992.
[2] 华南工学院,南京工学院,浙江大学,等.地基及基础[M].北京:中国建筑出版社,1981.
[3] 江正荣.工程地质手册[M].北京:中国建筑出版社,1992.
[4] 雷振军.静压预应力管桩常见质量问题及防治措施[J].山西建筑,2007,33(7):120-122.