淺析建筑工程預應力管樁施工與常見問題及措施
楊建清
摘　要:本文主要對靜壓樁的沉樁機理,對其擠土效應、樁身破壞、斜樁等施工質量問題進行了簡單分析,并以工程實例闡明其施工的技術措施。
關鍵詞:建筑工程  預應力管樁  沉樁機理  施工技術　　
引言：
   靜壓法施工是通過靜力壓樁機的壓樁機構以壓樁機自重和機架上的配重提供反力而將樁壓入土中的沉樁工藝。預應力管樁具備單樁承載力高,施工進度快,污染少,穿越土層能力強,現場施工方便,質量好控制,樁身耗材較低、樁基造價低的特點,作者根據這幾年的一些經驗,對預應力管樁在沉樁過程中常見問題及防治措施提出粗淺建議。
1　靜壓樁沉樁機理
(1)沉樁施工時,樁尖進入土體中時原狀土的初應力狀態受到破壞,隨著樁貫入壓力的增大,當樁尖處土體所受應力超過其抗剪強度時,土體發生急劇變形而達到極限破壞,土體產生塑性流動或擠密側移及下拖,在地表處黏性土體會向上隆起,砂性土則會被拖帶下沉。在地面深處由于上覆土層的壓力,土體主要向樁周水平方向擠開,使貼近樁周處土體結構完全破壞。由于較大的輻射向壓力的作用也使鄰近樁周處土體受到較大擾動影響,此時,樁身必然會受到土體的強大法向抗力所引起的樁周摩阻力和樁尖阻力的抵抗,當樁頂的靜壓力大于沉樁時的這些抵抗阻力,樁將繼續“進入”下沉。反之,則停止下沉。
(2)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有很大差異。隨著樁的沉入,樁與樁周土體之間將出現相對剪切位移,由于土體的抗剪強度和樁土之間的粘著力作用,土體對樁周表面產生摩阻力。當樁周土質較硬時剪切面發生在樁與土的接觸面上;當樁周土體較軟時剪切面一般發生在鄰近于樁表面處的土體內。黏性土中隨著樁的沉入,樁周土體的抗剪強度逐漸下降,直至降低到重塑強度。砂性土中(除松砂外) ,抗剪強度變化不大,各土層作用于樁上的樁側摩阻力是一個隨著樁的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,其值可占沉樁阻力的50%～80%。
(3)黏性土中樁尖處土體在擾動重塑、超靜孔降水壓力作用下,土體的抗壓強度明顯下降。砂性土中密砂受松馳效應影響土體抗壓強度減少,松散砂受擠密效應影響使土體抗壓強度增大,在成層土地基中,硬土中的樁端阻力還將受到分界處黏土層的影響。上覆蓋層為軟土時,在臨界深度以內樁端阻力將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將隨壓入硬土的增加而減少。
(4)施工中因接樁或其它因素影響而暫停壓樁的間歇時間的長短雖對繼續下沉的樁尖阻力無明顯影響,但對樁側摩阻力的增加影響較大;樁側摩阻力的增大值與間歇時間長短成正比,并與地基土層特性有關,因此在靜壓法沉樁中,應合理設計接樁的結構和位置,避免將樁尖停留在硬夾層中進行接樁施工。
2　靜壓沉樁的常見問題及防治措施
2. 1　擠土效應和振動影響
原因分析:靜壓法施工預應力管樁屬于擠土類型,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,產生擠土效應;樁機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,加劇了擠土效應。
防治方法: ①控制布樁密度,對樁距較密部分的管樁可采用預鉆孔沉樁方法,孔徑約比樁徑小50～100 mm,深度宜為樁長的1 /3～1 /2,施工時應隨鉆隨打;或采用間隔跳打法,但在施工過程中嚴禁形成封閉樁。②控制沉樁速率,一般控制在1 m /min左右;制定有效的沉樁流水路線,并根據樁的入土深度先壓持力層較深的樁,后壓較淺的樁;若樁較密集且距建筑物較遠,場地開闊時,宜從中間向四周進行;若樁較密集而場地狹長,兩端距建筑物較遠時,宜從中間向兩端進行;有圍護結構的深基坑中的靜壓管樁,宜先壓樁后再做基坑的圍護結構;同時應對日成樁量進行必要的控制。③若樁較密集且一側離現有建筑物較近時,宜從相鄰建筑物的一側開始,由近向遠進行;并布設應力釋放孔及開挖防震溝以消除部分超孔隙水壓力,及時從釋放孔及防震溝中將水不斷抽出,在打樁期間一直保持最低水位,緩解孔隙水壓力的上升趨勢,有效消除擠土效應,控制土體位移;同時控制每日沉樁數量,根據工程實際情況可停打數日使應力逐漸消散后再打。④沉樁過程中應加強臨近建筑物、地下管線的觀測監護,在可能受影響的范圍內布設監測點,監測各點水平與豎向位移增量與累計值,并繪制時間、位移曲線,發現有較大問題應及時采取措施。對靠近特別重要的管線及建筑物處可改用其它樁型。⑤控制施工過程中的停歇時間,避免由于停歇時間過短而摩阻力增大影響樁機施工,造成沉樁困難。樁機施工時應注意同一承臺內的群樁,需接樁的接頭不宜在同一截面內,應相互錯開,避免產生土壓力以及水壓力效應較大而對整體樁身產生剪切破壞;同時應認真查看地質報告,了解土層分布情況,合理確定樁體組合長度,避免接頭處于土層分界處及土層活動較多處,以防土層活動時對樁身的破壞。
2. 2　樁身破壞
原因分析: ①施工過程中由于斜樁現象的出現或樁端、送樁桿不平整導致樁端應力集中,使樁帽滑落或樁頭爆裂。②樁機施工壓力值超高。③樁機施工過程中樁機擅自移動機架進行校正樁位、樁身垂直度,導致樁身斷裂;施工結束后人工鑿樁野蠻施工以及樁機施工后不合理的土方開挖。④樁身材料質量問題。防治方法: ①選用樁機合理有效的施工方法,控制樁身的垂直度,避免斜樁的發生。②控制好樁機施工終止條件,對純摩擦樁終止條件宜以設計樁長為控制條件;對長度大于21 m的端承摩擦樁,宜以設計樁長控制為主, 終壓力值作對照; 對長14 ～21 m靜壓樁,應以終壓力達滿載值為控制條件,開挖后采用截樁處理;當壓力值未能達到設計要求但
樁頂標高已達到設計標高時,宜繼續送樁(1 m范圍內) ,直至壓力值達到設計要求,施工結束后及時與設計單位聯系,出具處理方案。③樁機施工結束后合理地進行土方開挖以及鑿樁施工,必須強調土方開挖過程中的施工質量,將直接關系到樁基成功的關鍵,施工過程中要慎之又慎。④施工過程中應加強對樁身原材料的檢查驗收。⑤施工中發生樁身破壞,宜采用小應變等有效的手段檢測樁身情況,確定處理方法。
2. 3　斜樁
原因分析: ①靜壓樁機機械維修不及時,如液壓系統漏油導致樁機支撐下滑; ②打樁施工場地不平整或填渣厚度不夠造成承載力不夠,靜壓樁機自重加配重總重量大,沉樁過程中樁機容易產生不均勻沉降,樁身極易發生偏移; ③打樁中或接樁時樁身不垂直,樁帽、樁身不在同一直線上; ④施工順序不當導致應力擴散不均勻,尤其是旁邊有深基坑時,其他樁的施工導致離基坑較近的樁樁身傾斜; ⑤沉樁過程中遇到大塊堅硬物,把樁擠向一側; ⑥采用預鉆孔法時鉆孔垂直偏差較大,沉樁過程樁又沿著鉆孔傾斜方向發生偏移; ⑦樁布置過多過密,沉樁時發生擠土效應; ⑧基坑開挖方法不當,一次性開挖深度太深,使樁的一側承受很大的土壓力,而造成樁身彎曲變形。
2. 4　沉樁時遇到淺層障礙無法繼續沉樁
原因分析:由于地質勘察報告中未能特別強調淺層障礙物及局部的沙礫石夾層分布深度和性質及場地填石渣時未控制好石渣直徑,導致沉樁時遇到淺部(3～4 m)的老基礎、大孤石,較深部( 20 m左右)的硬塑老黏土和非常密實砂層、沙礫石層等情況無法施工。
防治辦法: ①打樁前應對場地原有建筑情況進行詳細了解,并安排進行探樁施工;對淺層障礙物可采用挖土機挖除,當無法操作施工時,可采用鉆機將障礙物鉆穿,然后在孔內插樁后沉樁,嚴禁移動樁架等強行回扳的的方法糾偏。②當樁已入土較深而無法拔出時,可采用小型鉆機將鉆具放入管樁中間的空洞中鉆孔,將障礙物鉆穿后繼續沉樁。③選用的樁機能量大小應與設計要求、樁徑、樁長及地質條件相匹配,即樁機選型、配重應符合施工要求。
2. 5　樁身抬高
原因分析:由于靜壓樁是擠土樁,在場地樁數量較多、樁距較密的情況下,一般是后壓的樁會對已壓的樁產生擠壓上抬,尤其是端承樁或端承摩擦樁會由此引起基礎不均勻沉降。
　　防治方法: ①樁基完成后宜對樁身進行復壓1～2次甚至多次,即所謂“跑樁”。同時,樁基完成以后應在嵌固期后才能進行土方施工,嵌固期根據土質有不同要求,一般7～21 d。②樁基施工完成后須按規范規定進行單樁的靜載檢測,以檢驗是否達到設計要求。如出現多數量樁承載力達不到要求,則可能是打樁后土體固結不好,須再等待一段時間進行檢測可能就達到了承載力;如還是達不到就要進行補樁處理。
3　工程案例
福建某工程，工程總占地面積4900 m2 , 總建筑面積11500 m2 ,主樓11 層,裙樓2 層,框架結構。基礎采用預應力管樁,有效樁長36 m左右,樁型為PTC2500 (65) , PTC2600 (70) , PC2A600 (100)三種規格,總樁數269根。
3. 1　工程地質條件
本工程上表面層0. 8～1. 5 m為雜填土,中間層為淤泥質土和飽和黏性土全場分布,厚度分別為12. 30～27. 0 m和10. 6～11. 10 m。土質情況較差,淤泥質土和飽和黏性土層厚含水率高、滲透系數小,土體內聚力(c)和內摩擦角(<)均較小,抗剪強度差,內應力大。
3. 2　打樁采取的技術措施
本工程東、南兩側緊臨城市道路,市政管網布置豐富,塔院頭路臨時商鋪較多而主樓部位的工程樁布樁較密。布樁系數甚至達到約4. 0% ,場地內地質多為淤泥質土和飽和黏性土,因此擠土效應明顯,且工程工期僅為40 d。為了確保周圍道路、市政管線、臨時商鋪的安全和工程樁不出現上浮或側移的質量問題,故在打樁的過程中采取了如下技術措施:
(1)制定合理的打樁流程:根據建筑形狀兼顧施工進度要求,并考慮盡可能減少擠土效應,本工程選擇一臺樁機,總體順序由東向西、由南向北逐排順序推進。開始每天成樁9～10根,根據施工期間的實際情況逐漸減少每天成樁數量。
(2)上浮或側移的質量保證:在場地內適當位置放置觀察樁,選取239 #、257 #、265 #、219 #、109 #、159#、139#、69#等工程樁樁頂面處作為樁上浮側、移觀測點,每天觀測2次,若發現有擠土效應產生的上浮和側移現象應及時采取相關措施。
(3)布置應力釋放孔及開挖防震溝:為降低孔隙水壓力以減輕土體擠壓產生的位移,沿青年路、塔院頭路東、南兩側挖了一條3. 5 m 深、2 m 寬防震溝,并在溝內布置一排直徑600 mm、深20 m、間距2 m的應力釋放孔,讓受擠壓的水釋放入應力釋放孔并及時將孔內的水不斷抽出,在打樁期間一直保持低水位,從而緩解了孔隙水壓力,有效地控制了土體位移。
(4)工程樁預鉆孔:為減少樁位土擠壓,主樓部位工程樁采取取土引孔植樁處理。其辦法是取土孔直徑500 mm ( 4 樁承臺, 樁位取土2 根, 深度20. 0 m; 5樁承臺,樁位取土3根,深度25 m; 3樁承臺,樁位取土2根,深度20 m;電梯井位取土一半工程樁,深度25. 0 m) 。
(5)對周邊道路,建筑物設置監測點,及時觀測打樁期間產生的位移影響。
通過采取以上的工程技術措施,本工程打樁歷時36 d,上浮樁的上浮數累計值最大1. 8 cm,道路、市政管線、臨時商鋪均未產生位移和開裂現象,并且每天的成樁數量均達到7～9根。最后3根工程樁的靜載試驗均滿足設計要求。
4　結語：
   綜上所述，靜壓樁的沉樁機理非常復雜,與土質、土層排列、硬土層厚度、樁數、樁距、施工順序、進度等均有關系。筆者相信隨著工程實踐的不斷豐富,將會為預應力管樁規程的制定提供更多的素材。