帶樁節(jié)填砂預(yù)應(yīng)力管樁在軟土地基中的三重作用鄒宗煊

1、預(yù)應(yīng)力竹節(jié)狀填砂管樁在軟土地基中的三重作用1一、摘要 二、新樁型的必然性三、新樁型的結(jié)構(gòu)、制作和施工四、工程實(shí)例五、靜載荷對(duì)比試驗(yàn)六、軸力測(cè)試 七、大幅度提高承載力的作用 八、改良樁周土促進(jìn)軟土脫水固化作用九、防止地下水對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕作 用2一、提要 通過(guò)工程實(shí)例介紹帶肋填砂管樁(ZL20031227200.0)在軟土中的三重作用，該樁樁尖擴(kuò)大、樁身帶肋、樁側(cè)填砂，能提高單樁承載力40-60%，降低造價(jià)，打樁引起的孔隙水壓力增高得到及時(shí)釋放，促進(jìn)軟土脫水固化，克服管樁樁身上浮、偏位和斷樁現(xiàn)象。在沿海鹽堿地區(qū)，樁身噴涂改性瀝青，能防止地下水腐蝕鋼筋與混凝土。 3二、新樁型的必然性1.隨著大規(guī)

2、模圍海造地，大量沿海灘涂被數(shù)米厚吹砂或吹泥所復(fù)蓋，巨厚的灘涂淤泥與吹上的泥含水量高達(dá)80-110%，雖經(jīng)塑料插板或堆載或預(yù)壓等初級(jí)地基處理，僅地表數(shù)米強(qiáng)度得以提高，數(shù)米以下高含水高靈敏度的淤泥，采用鉆孔樁難成孔，或成孔后灌混凝土?xí)纬伞按蠖亲印?，充盈系?shù)成信增長(zhǎng)，采用管樁則出現(xiàn)移位、上浮等質(zhì)量問(wèn)題目。競(jìng)其原因因淤泥中水排不出，要將高含水的淤泥中水快速排出，只有塑料板與砂，而經(jīng)濟(jì)實(shí)用的應(yīng)該是砂。42.在渤海灣等大片新建到圍海灘涂或大片鹽堿地中，地下水SO42-、CO22-、HCO3、CL-對(duì)鋼筋與混凝土具有腐蝕性。如河北滄州華潤(rùn)渤海新區(qū)熱電工程場(chǎng)地地下水8個(gè)水樣品，經(jīng)河北省水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心檢測(cè)

3、，在評(píng)價(jià)報(bào)告(編號(hào)HSB2009WJW066)中稱，該場(chǎng)區(qū)地下水PH值5.70-6.93，偏酸性，含CL-142521.1-51052.3，含SO42- 13038.4-6047.1,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)是強(qiáng)腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋是弱腐蝕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)是中等腐蝕。由此設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的帶肋填砂管樁或帶肋填砂預(yù)制樁(ZL20112)。5三、新樁型的結(jié)構(gòu)、制作和施工1.樁的結(jié)構(gòu) 1.1 樁尖擴(kuò)大頭：其直徑等同肋，大于管樁樁徑10-12cm，分開(kāi)口型和閉口型；1.2 帶肋管樁（圖2）：樁身直徑400-600mm，肋間距2m，肋高10-12cm，肋外側(cè)寬10cm，肋設(shè)排水孔； 1.3 樁周填砂：樁周填砂以干

4、砂為佳，或砂礫、或細(xì)顆粒建筑垃圾，當(dāng)樁尖擴(kuò)大頭或肋擠開(kāi)土層，在樁周形成10-12cm寬的空腔時(shí)，砂靠自重連續(xù)充填，充盈系數(shù)在90%以上。 6帶肋管樁7帶肋管樁89四.工程實(shí)例10114.1概況：該樁首次在溫州大學(xué)行政信息中心的裙摟基礎(chǔ)中使用，中心平面為185m長(zhǎng)的弧形板式建筑，地面12層，地下一層，建面2.8萬(wàn)M2,框剪結(jié)構(gòu)，裙樓2層。裙樓樁基采用填砂管樁，樁徑 一400，樁長(zhǎng)34m。樁尖擴(kuò)大頭與肋直徑為600，肋間距2m,持力層為層圓礫層。124.2 場(chǎng)地土層特征（下圖）：場(chǎng)地自上而下土層為：粘土層：可塑軟塑狀、高壓縮性；淤泥層：流塑狀、高壓縮性；粘土層：中壓縮性；圓礫層：中密狀為主；粘土層

5、：高壓縮性；圓礫層：中密狀為主，層厚1.306.60m；粘土層：高壓縮性；礫砂層：稍密中密狀；粘土層：高壓縮；粘土夾中細(xì)砂：中壓縮性；粉質(zhì)粘土：可塑狀，中壓縮13場(chǎng)地土層特征圖144.3填砂管樁的設(shè)計(jì).基本假定：a) 樁頂承受全部荷載，b) 樁和土的剪切面發(fā)生在填砂與土交界面的土的一側(cè)，因此，樁側(cè)阻力和樁端阻力估算以樁尖擴(kuò)大頭或肋直徑為計(jì)算。.單樁豎向承載力特征值按下式估算： Ra=（qpaAp+upqsiali ） 式中 Ra單樁豎向承載力特征值；qpa 、qsi端阻力、側(cè)阻力特征值；Ap樁大頭截面積；up樁肋直徑計(jì)算的周長(zhǎng)；li 第i層土的厚度；安全儲(chǔ)備的折減系數(shù)，取0.7。15填砂管樁樁

6、身強(qiáng)度還應(yīng)滿足樁的承載力設(shè)計(jì)要求：QApfcc式中 Q相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合時(shí)的單樁豎向力設(shè)計(jì)值；fc混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； Ap樁身橫截面積；c工作條件系數(shù)，取0.75。16五、靜載試驗(yàn) 為了了解填砂管樁受力機(jī)制與提高承載力的幅度，結(jié)合常規(guī)工程驗(yàn)樁分別在裙樓A、B、C三區(qū)各選一根填砂管樁，在主樓區(qū)選一根普通管樁共4根樁進(jìn)行軸力測(cè)試和靜載試驗(yàn)，編號(hào)為試樁1、2、3、4。根據(jù)單樁承載力特征值估算，填砂管樁比普通管樁承載力提高40%，試樁1、2、3極限承載力估算為2000KN，試樁4極限承載力為1800KN。17試樁曲線S（mm）(a) Q-S曲線(b) S-lgt曲線試樁-1靜荷載試驗(yàn)曲線1

7、8S（mm）(a) Q-S曲線(b) S-lgt曲線試樁-2靜荷載試驗(yàn)曲線19(a) Q-S曲線(b) S-lgt曲線試樁-3靜荷載試驗(yàn)曲線S（mm）20(a) Q-S曲線(b) S-lgt曲線試樁-4靜荷載試驗(yàn)曲線S（mm）21溫州大學(xué)行政信息中心與建工學(xué)院?jiǎn)螛稑O限承載力表 工程名稱樁號(hào)樁徑（mm）樁長(zhǎng)（m）設(shè)計(jì)極限承載力（KN）最大加載值（KN）累計(jì)沉降量（mm）殘余沉降量（mm）極限承載力（KN）樁 型行政信息中心試樁14003413302217.649.28*26.502217擴(kuò)大頭管樁試樁24003413302100.035.50*23.802100試樁34003413302217.

8、623.5213.142217試樁45003418001801.850.4727.161801PTC500（70）建工學(xué)院辦公樓547#500361210121037.7725.941210631#500361160116023.2215.061160588#500361156115627.9419.841156建工學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓338#500341309130937.7228.601309438#500341309130918.7711.431309489#500341309130921.2214.301309（*試樁-1、-2加載11級(jí)時(shí)的累計(jì)沉降量分別為39.23和26.10mm，為了得到更

9、多資料，繼續(xù)加載至樁架一角開(kāi)始上抬傾斜為止）22、4根樁靜載Q-S曲線中，3根400填砂管樁Q-S曲線近似，極限值2100KN，高出500普通管樁極限值25%。由表1看出，同樣沉降2345mm填砂管樁試樁的承載力比緊鄰的溫大建工學(xué)院辦公樓同地層、同樁長(zhǎng)的試547、631、588號(hào)500普通管樁極限承載力提高3050%。23應(yīng)力計(jì)設(shè)置：在需靜載的主樓500管樁與裙樓三根帶肋管樁的管腔中埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，在管樁的管腔內(nèi)第一層對(duì)稱設(shè)置4只應(yīng)力計(jì)，計(jì)算樁身彈性模量 ，埋設(shè)位置在地表下1m。樁身其它部位對(duì)稱設(shè)置2只，每層應(yīng)力計(jì)布置于土層分界面，樁端設(shè)置2只，樁端以上4倍樁徑范圍處再設(shè)置2只應(yīng)力計(jì)。應(yīng)力計(jì)埋

10、設(shè)：試驗(yàn)管樁用閉口樁尖，將管樁打至地面以上30cm處停錘，把按層位焊接應(yīng)力計(jì)的兩根通長(zhǎng)鋼筋放入管樁空腔中，間隔3m將應(yīng)力計(jì)導(dǎo)線與鋼筋綁扎，并將導(dǎo)線引出孔口。六.軸力測(cè)試24在管樁空腔內(nèi)澆注高強(qiáng)度混凝土至離管口30cm處，將導(dǎo)線置于樁頂空腔中，用樁錘將管樁打至設(shè)計(jì)標(biāo)高，使混凝土震動(dòng)密實(shí)，引出導(dǎo)線，在空腔中灌混凝土至管口。量測(cè)程序：28天后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，采用YJ-X4靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及配套的平衡箱進(jìn)行多點(diǎn)量測(cè)。將導(dǎo)線按編號(hào)自上而下分別接入平衡箱，加載前將各微應(yīng)變值初讀數(shù)調(diào)至“0” ，加載5，30，60，120min各測(cè)讀一次并記錄，依此類推 樁軸向力Pz計(jì)算： 求各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)讀數(shù)累計(jì)增量R，用R=R

11、 i-Ri-1公式。 25 求各級(jí)荷載下各測(cè)點(diǎn)斷面的應(yīng)變 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)應(yīng)變：用i =g /Eg=Pg /Ag Eg=kR /AgEg=KR公式。式中：g為樁頂荷載Po作用下，測(cè)點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力（KPa）；Eg為鋼筋彈性模量，一般取2.0108（KPa）；Ag為鋼筋截面積（cm2）；k為應(yīng)力計(jì)率定系數(shù)（kN /）；K為應(yīng)力計(jì)換算系數(shù)（1 /），K=k / AgEg。26各測(cè)點(diǎn)斷面樁身應(yīng)力gh計(jì)算在樁頂?shù)乇硐录s1.0m處設(shè)置標(biāo)定斷面，該斷面軸力等于樁頂荷載Po，并按上述方法計(jì)算各級(jí)荷載下標(biāo)定斷面的應(yīng)變，獲得標(biāo)定斷面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.標(biāo)定斷面應(yīng)力 =Po /A , A為標(biāo)定斷面截面積(cm2）；相應(yīng)的應(yīng)

12、變 =KR。 樁身各斷面軸向力Pz：用Pz=ghA公式。27應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)曲線試樁-1軸力圖 試樁-1z-Sz曲線28應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)曲線試樁-軸力圖 試樁-z-Sz曲線29從4根樁測(cè)試成果繪制的各樁軸力圖看,填砂管樁側(cè)阻力發(fā)揮遠(yuǎn)高于普通管樁，普通管樁樁端端阻在單樁極限承載力所占比例大于填砂管樁，從而證明填砂管樁提高單樁承載力潛力更大。30七. 填砂管樁大幅度提高承載力的作用7.1 樁尖大頭的作用：樁大頭采用鋼板制作，可以順利擠開(kāi)地下一般碎石與土層，當(dāng)持力層是卵礫石層時(shí)，樁大頭的高強(qiáng)度能承受持力層較大的反力。樁大頭截面積是管樁截面積的2倍，因此，樁大頭在提高承載力占有明顯優(yōu)勢(shì)。7.2 肋的作用：由于軟土

13、層為流塑、軟塑或可塑狀，高壓縮性，當(dāng)樁尖大頭和肋下沉?xí)r擠開(kāi)土層形成空腔，2m間距的肋保證了樁在下沉過(guò)程中樁周間隙穩(wěn)定在10cm，使干砂憑自重充盈，在充盈的前軟土無(wú)法回?cái)n。317.3 樁周填砂的作用：樁周填砂與管樁樁身側(cè)阻力為30-40kpa，而填砂與軟土間的側(cè)阻力為5-25kpa，當(dāng)樁身在足夠大應(yīng)力下產(chǎn)生切入，只能沿最薄弱的接合面切入。委托溫州工程勘察院測(cè)試四組（樁周土層分別為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粘土和粉質(zhì)粘土四種）12塊按1：4比例縮小的填砂管樁在軟土中切入模擬樣品試驗(yàn)，模擬的填砂管樁在應(yīng)力下的切入滑動(dòng)面全部在填砂與土層交界面的土層一側(cè)。因此，填砂管樁承載力估算公式中的up，可以按肋直徑計(jì)算的

14、周邊長(zhǎng)度，較管樁樁身周長(zhǎng)往往要增加50%，由此大幅提高單樁承載力。32在地下室基坑中可以看到,填砂管樁外8側(cè)10cm厚的填砂分布均勻盈實(shí)，填砂外擾動(dòng)的淤泥己明顯失水粘土化，顏色由淺灰色變?yōu)榘祷疑?，離填砂越遠(yuǎn)，淤泥顏色越接近原色，手指觸按,離填砂越遠(yuǎn)，土越軟，含水量越高，經(jīng)委托原地質(zhì)勘察單位在Z5工程鉆附近管樁填砂外側(cè)0.05、0.15、0.5、1.0、1.5m處采5個(gè)土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，其結(jié)果如下表2。越接近填砂，原淤泥的孔隙水排出越多，從目前資料可見(jiàn)打樁引起的壓力孔隙水的釋出范圍在填砂管樁外側(cè)0.5M以內(nèi)，離樁超過(guò)1m的淤泥含水量變化不大。 八.改良樁周土層、促進(jìn)軟土脫水固化的作用33樁側(cè)土固

15、化溫州大學(xué)行政信息中心大樓裙樓A區(qū)基坑底淤泥土物理力學(xué)指標(biāo)樣號(hào)距離(m)土深度（m）含水量%濕密度 g/cm3干密度 g/cm3孔隙比%液限%塑限%塑性指數(shù)%液限指數(shù)%Z5-35.52.8-3.182.31.520.832.27758.329.928.21.88Z5-45.54.5-4.878.21.530.842.28257.829.828.11.72T-10.14.068.81.580.951.90251.926.327.30.78T-20.154.072.31.570.921.98155.227.527.80.97T-30.54.074.81.570.902.05057.229.527.

16、71.64T-41.04.078.01.540.862.18257.229.728.01.70T-52.04.078.61.530.852.23557.929.828.11.73 試樁-2地基土側(cè)阻力值勘察與實(shí)測(cè)對(duì)比表土 層厚度（m）勘察提供側(cè)阻力（kpa）實(shí)測(cè)側(cè)阻力（kpa）實(shí)測(cè)與提供側(cè)阻力比值標(biāo)準(zhǔn)值qs極限值qsik 粘 土11.5122434.81.451淤泥81551014.51.452淤泥61271419.61.41粘土0.532244551.252粘土15122431.21.3 圓 礫0.534080105.71.32粘土0.53122430.51.27圓礫13408097.61.

17、22含水量淤泥含水量與離填砂層距離的變化曲線34九.防止地下水對(duì)鋼筋與混凝土的腐蝕作用 在我國(guó)沿海存在的大片鹽堿地，地下水中SO42-、CO2-、HCO3、CL-對(duì)鋼筋與混凝土具有腐蝕性，據(jù)河北渤海新區(qū)某熱電工程場(chǎng)地地下水經(jīng)河北省水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中心的評(píng)價(jià)報(bào)告稱，該區(qū)地下水PH值5.70-6.93，含 CL- 142521.1-51052.3，含SO42- 13038.4-6047.1,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)是強(qiáng)腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋是弱腐蝕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)是中等腐蝕。35防腐層主要成分的瀝青為長(zhǎng)鏈有機(jī)聚合物，與酸堿不起反應(yīng)，所以，填砂管樁的帶肋樁身在脫模后，余熱未散前噴涂改性瀝青為佳，施工中填砂保護(hù)防腐層不被磨損，打入地下后，往管腔內(nèi)灌注無(wú)腐蝕性水，平衡管腔內(nèi)外水壓力。對(duì)強(qiáng)腐蝕地下水地區(qū)，在管樁的肋外側(cè)先手刷造價(jià)高的聚脲或聚氨脂涂料。而且，該方法也適用于帶肋填砂防腐蝕預(yù)制樁(ZL2.3)。3637.新亞場(chǎng)地場(chǎng)地地質(zhì)情況 場(chǎng)地-2 土體側(cè)阻力值土層厚度(m)勘探提供側(cè)阻