軟土地基中phc樁打樁過程中土塞效應(yīng)研究

軟土地基中phc樁打樁過程中土塞效應(yīng)研究

1管樁土塞特性問題在打開樁時(shí)，土壤進(jìn)入樁，形成土壤間隙。隨著樁的持續(xù)，土塞將阻止更多的土壤進(jìn)入樁，土塞填充樁中的部分。土塞效應(yīng)對樁的打入特性和承載能力具有重要影響。許多學(xué)者研究打入土體中管樁土塞高度隨樁打入深度變化的規(guī)律及其影響因素,并探討了土塞效應(yīng)對管樁承載力的影響。如Paikowsky等研究了土塞對開口管樁承載力和動(dòng)力特性的影響;Randolph等對管樁的土塞進(jìn)行一維分析,指出排水、不排水條件下土塞對管樁承載性能的影響,此后Leong又對土塞受力進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與該理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較;Nicola等利用模型試驗(yàn)研究打入和靜壓入砂土中的管樁土塞高度的變化規(guī)律及土塞與管壁的側(cè)壓力系數(shù);Lehane等利用模型試驗(yàn),詳細(xì)地研究了砂土中打樁過程中土塞的形成,以及土塞的承載力特性;Paik等利用模型試驗(yàn)詳細(xì)研究了打樁過程中土塞增長量與樁打入深度增量之比(IFR)對管樁承載力的影響,在此基礎(chǔ)上,Paik等人又對開口管樁和閉口管樁承載力的特性進(jìn)行對比分析;Lee等利用試驗(yàn)建立了土塞端承力與靜力觸探值的關(guān)系,提出了確定砂土中的管樁承載力的方法。此外,王哲等對大直徑薄壁灌注筒樁土塞特性進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究,鄭俊杰等也針對土塞問題提出了解析解。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(簡稱PHC樁),在東南沿海軟土地基中應(yīng)用越來越廣泛,目前關(guān)于PHC管樁土塞效應(yīng)研究的公開文獻(xiàn)尚不多見。王戊平在PHC樁時(shí)效性的研究中尚未提及土塞的影響;施峰在研究PHC樁的荷載傳遞機(jī)制的試驗(yàn)中將管樁內(nèi)部用混凝土填實(shí),從而避免了土塞效應(yīng)的影響;朱合華等在超長PHC樁的現(xiàn)場試驗(yàn)中初次探討土塞效應(yīng),其后謝永健對PHC樁的土塞效應(yīng)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。筆者基于上海典型軟土地基中長PHC樁的現(xiàn)場試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析3個(gè)不同場地共44根樁打樁過程中的土塞數(shù)據(jù),探討軟土地基中PHC樁的土塞效應(yīng),為進(jìn)一步研究土塞對PHC樁承載力的影響研究提供參考。2樁型和工程地質(zhì)層本文的試驗(yàn)樁為打入上海軟土地基中的長PHC樁。采用引進(jìn)德國生產(chǎn)的筒式打樁機(jī)施工,型號(hào)為D62、D80、D100,其中D100試打直徑為600mm,長度大于75m的樁,各種樁型的試打樁錘擊參數(shù)詳見文獻(xiàn)。打樁過程中,為避免損壞樁材,預(yù)制管樁頂1m長范圍內(nèi)均摻加了鋼纖維增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;此外,還優(yōu)選錘墊和樁墊材料,控制打樁過程中錘擊能量的傳遞,提高打樁效率。場地內(nèi)的地基土層在勘察深度內(nèi)分9為個(gè)工程地質(zhì)層,其層號(hào)及土層名稱見表1。為了試驗(yàn)結(jié)果的可比性,本文選取的3個(gè)不同場地、土層分布相近(尤其是持力層(9)1粉細(xì)砂層埋深相近)的44根PHC樁,分析長PHC樁打入過程中的土塞效應(yīng)。3個(gè)場地相距1~2km,根據(jù)勘察報(bào)告并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn),綜合給出了各土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(見表1)。44根試驗(yàn)樁的持力層均為(9)1粉細(xì)砂層,長度為60~65m。為論述方便,根據(jù)PHC樁的外徑、壁厚將試驗(yàn)樁分為A、B、C、D、E5類樁,各類樁樁型及幾何尺寸見表2。3不同樁型的土塞長度變化在打樁過程中,每打入一節(jié)樁(10~13m),用吊錘量測土塞高度。打樁過程中土塞長度(Lp)隨樁入土深度(H)變化的示意圖如圖1所示。試驗(yàn)樁的長度一般為60~65m,打樁過程中土塞高度量測次數(shù)為5次。盡管土塞高度測量次數(shù)較少,但試驗(yàn)樁打入深度大,測量結(jié)果基本能反映土塞在打樁過程中的變化情況。圖2為打樁過程中5種樁型土塞長度與內(nèi)徑之比(Lp/Di)隨打入樁長與內(nèi)徑之比(H/Di)的變化曲線。由圖2可見,盡管試驗(yàn)樁分布于3個(gè)不同場地,但對同一種樁型,土塞長度與內(nèi)徑之比(Lp/Di)隨打入樁長與內(nèi)徑之比(H/Di)的測試結(jié)果離散性小,對A型、B型樁僅2~3根樁Lp/Di隨H/Di的變化曲線偏離大多數(shù)樁的測試曲線。同時(shí)也可以看出,Lp/Di隨H/Di的變化曲線在土層淺部比較集中,隨樁打入深度的增加,離散性越來越大。這說明,隨著樁打入深度的增加,土體的差異性對土塞的變化影響越來越大。而C、D、E型樁由于樁徑不一樣,Lp/Di隨H/Di的變化曲線離散性從打樁開始就表現(xiàn)的較大。從圖2中可以看出,A~E型樁無量綱土塞長度(Lp/Di)隨樁打入深度(H/Di)變化規(guī)律基本相似。打入第1節(jié)樁(H/Di=20~30),土塞初步形成,即樁穿透上海軟土淺部“硬殼”層剛進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土,各種樁型的無量綱土塞非常接近(Lp/Di≈5)。此后,在相當(dāng)長一段范圍內(nèi),土塞增長緩慢;當(dāng)樁入土深度H/Di>120時(shí)后,土塞長度開始以較快速度增長;當(dāng)樁打入持力層,各種樁型的無量綱土塞長度差異性逐漸變得較大,Lp/Di從5到50不等。此外,從圖2可以看出,隨著樁打入深度的增加,尤其是樁接近持力層時(shí),土塞長度與樁內(nèi)徑之比(Lp/Di)增加速度逐漸變快。4打樁過程中樁型的極端特性開口管樁土塞的形成對確定樁的打入性狀以及打樁過后的承載性狀具有重要意義。土塞的閉塞效應(yīng)一般采用土塞增量與樁打入深度增量之比(theincrementalfillingratio,簡寫為IFR)來評價(jià)。該指標(biāo)定義為式中:dLp/dH表示樁的打入深度增加一個(gè)單位長度,土塞長度的增加量。其中IFR=0、IFR=100%分別對應(yīng)兩種極端情況是:土塞完全閉塞,沒有任何土體繼續(xù)進(jìn)入樁內(nèi);土塞完全填充,土塞長度增加量與樁打入深度增加量相等。圖3為打樁過程中典型樁型的IFR隨樁打入深度與內(nèi)徑之比(H/Di)的變化曲線。在圖中,虛線代表打樁過程中土塞完全填充的情況(土塞長度與樁打入深度始終相等)。從圖中可以看出,大部分PHC樁在打樁過程中始終是部分填充,即土塞長度Lp小于打入深度H;同時(shí)也可以看出,大部分樁土塞很難達(dá)到完全閉塞的程度(IFR=0),但部分直徑較小C、D、E型樁在H/Di=50~125之間,土塞達(dá)到了完全閉塞程度(IFR=0)。從圖3可以看出,A~E型樁IFR隨樁打入深度與內(nèi)徑之比(H/Di)的變化曲線具有共同的規(guī)律:樁打入淺部土層時(shí),IFR值較大,樁繼續(xù)打入較深土層,IFR值變小,隨著樁打入深度繼續(xù)增加,尤其是樁即將打入持力層時(shí),IFR值又變大。IFR隨樁打入深度的變化反映出PHC樁從淺部較硬土層打入較軟土層,土塞閉塞作用強(qiáng),從較深軟土層打入較硬持力層,土塞閉塞效應(yīng)弱。5樁長、土塞界定KyuhoPaik等在研究砂土中管樁土塞效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),IFR與土塞長度與樁打入深度之比PLR(LP/H)呈線性關(guān)系,并提出經(jīng)驗(yàn)公式:由于現(xiàn)場可以方便測出土塞高度(LP)和樁打入深度(H),故建立IFR與PLR的經(jīng)驗(yàn)公式有助于現(xiàn)場人員根據(jù)現(xiàn)場測量情況,快速確定土塞的閉塞效應(yīng)指標(biāo)IFR。經(jīng)過整理本工程中打入持力層時(shí)PHC樁的樁長、土塞長度等試驗(yàn)數(shù)據(jù),PLR與IFR基本呈線性關(guān)系(詳見圖4),采用線性擬合,其關(guān)系式如下:同Paik等在砂土中的試驗(yàn)結(jié)果比較,在同樣的PLR時(shí),本工程的PHC樁IFR指標(biāo)大于Paik砂土中試驗(yàn)樁的結(jié)果。由此可以看出,當(dāng)打樁過程中土塞長度與樁打入深度之比相同時(shí),黏土中管樁土塞的閉塞效果要比砂土中的土塞閉塞效果差。6u3000酸、泥質(zhì)黏土樁土塞長度特性通過上海軟土地區(qū)3個(gè)相鄰場地5種樁型共44根PHC樁土塞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,可以得出以下有關(guān)軟黏土中PHC長樁打樁過程中土塞效應(yīng)一些特性:(1)打入第1節(jié)樁(H/Di=20~30),土塞初步形成,即樁穿透淺部“硬殼”層剛進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土,各種樁型的無量綱土塞非常接近(Lp/Di≈5)。此后,在相當(dāng)長一段范圍內(nèi),土塞增長緩慢;當(dāng)無量綱樁入土深度H/Di>120時(shí)后,土塞長度開始以較快速度增長,當(dāng)樁打入持力層粉細(xì)砂層,各種樁型的無量綱土塞長度差異性逐漸變得較大,Lp/Di從5到50不等。(2)大部分PHC樁在打樁過程中土塞部分閉塞,即土塞長度Lp小于打入