复杂地质条件下混凝土预制桩的沉桩问题分析与研究.pdf

l l 8 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第 3 6卷第 6期 2 0 1 0年 1 2月 复杂地质条件下混凝土预制桩的沉桩问题 分析与研究 刘训 良 ( 盐城工学院土木工程学院， 江苏 盐城2 2 4 0 0 0 ) 摘要： 结合建筑工程桩基础施工实例， 从预制桩沉桩中产生的实际问题出发， 分析复杂地质条件下混凝土预制桩静压沉桩 断裂破坏或达不到设计标高与采用锤击沉桩成功的原因， 并对此类地质条件下预制桩的设计和沉桩提出建议， 供类似地质同 类桩的设计与施工作参考。 关键词： 复杂地质； 混凝土预制桩 ； 沉桩 中图分类号 ： T U 4 7 3 1 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 61 1 8 0 3 Th e c o m p l e x g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f t h e p r e c a s t p i l e s o f c o n c r e t e p i l e p r o b l e m a n a l y s i s a n d r e s e a r c h L I U Xu n l i a n g ( C o U e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Y a n c h e n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Y a n e h e n g 2 2 4 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e a r c h i t e c t u r a l e n g i n e e r i n g e x a mp l e s f r o m t h e p i l e f o u n d a t i o n c o n s t r u c t i o n， p r e f a b ri c a t e d p i l e i n t h e a c t u a l p r o b l e m s u n d e r c o mp l e x g e o l o gi c a l c o n d i t i o n s ， a n a l y s i s o f p r e f a b ri c a t e d c o n c l t e p i l e s t a t i c p i l e b r e a k i n g d am a g e o r r e a c h d e s i g n e l e v a t i o n w i t h a h a mme r s u n k p i l e s u c c e s s f u l r e a s o n， a n d s u c h g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f t h e p r e c ast p i l e s a n d p i l e s d e s i gn s u g g e s t i o n s f o r s i mi l a r g e o l o gy ， t h e d e s i gn an d c o n s t r u c t i o n o f s i mi l a r p i l e s f o r r e f e r e n c e Ke y wo r d s ： c o mp l e x g e o l o gy ； p r e f a b ri c a t e d c o n c r e t e p i l e s ； p i l e 0 引 言 钢筋混凝土预制桩因其具有制作与施工质量容 易得到控制， 在多层与高层建筑 的基础设计和施工 中得到广泛应用。但由于地下岩土层因所形成的历 史与环境条件的不同， 其性能不尽相同， 有 的差异还 很大 ， 如软硬土层或土层与碎石层相互交替 ， 当一些 长桩桩尘在到达持力层前需要穿过这些坚硬土石 层 ， 这就给施工沉桩带来较大困难 。 目前 ， 锤击与静压是两类常见的预制桩沉桩方 法 ， 二者不仅施工机械、 方法不 同， 同时在桩顶设计 上也存在差异， 所 以， 它们适用的地质与环境等也不 一 样。在复杂的地质条件下 ， 其沉桩效果也不尽相 同。为达到顺利沉桩 的 目的， 两类沉桩方法的选择 及设计与施工的相关 问题值得研究和探讨 。 层， 地下 1 层， 总建筑面积近 1 7 0 0 0 m ， 总高 3 7 m ； 上部为钢筋混凝 土框架结 构， 地下为 I层地下室。 设计桩基础 采用 长 3 3 m 的钢筋混凝土预制方桩， C 3 5混凝土 ， 3 5 0 m m3 5 0 m m断面， 分 3节制作 ， 长 度分别为 1 0 5 m， 1 0 5 m， 1 2 m， 由实力较强 的专业 生产混凝 土预制构件 的厂 家预制。桩基础多 由 4 桩、 5桩、 6桩形成的群桩及其钢筋混凝土承台组成， 群桩承台与地下室底板连通。考虑该楼位于教学 区 ， 且距离较近， 为避免沉桩对教学的干扰 ， 所 以优 先按静压桩设计与施工。施工单位采用顶压式压桩 机 ， 初期沉桩很不顺利 ， 屡屡发生断桩或桩沉不到设 计标高问题( 沉桩 6根断 3根 ， 1 根达不到标高) ， 后 不得已改为锤击桩设计与施工。虽对工程工期有所 影响， 但最终还是将桩打下去 ， 并通过了基础工程验 收， 质量达到合格要求。 1 工程概况 2 地质情况 苏北某高校新建校 区行政楼主楼工程 ， 地上 9 收稿 日期： 2 0 0 9 - 0 3 - 0 5 作者简介： 刘训良( 1 9 4 7一 ) ， 男， 江苏射阳人， 教授， 主要从事建筑工 程方面 的教学与研究 工作 。 E ma i l ： l s l y c i t 1 2 6 t o m 该工程位于黄海之滨。根据地质勘察报告 ， 从 自然地坪始 ， 地基土层 自上而下分别是 1 层素填土、 2层黄色粘质粘土 、 3 A层淤泥质土 、 3 B层 灰色粘质 粉土 、 3 C层灰色砂质粉土 、 3 D层灰色粘质粉土、 3 E 层灰色砂质粉土、 3 F层淤泥质粉质粘土、 4层灰褐 刘训 良： 复杂地质条件下混凝土预 制桩 的沉桩问题分析与研究 l l 9 一 黄色粉质粘土、 5层黄色粉质粘土 、 6层灰黄 一灰 色砂质粉土、 7层灰色粘质粉土 、 8层 灰色粉砂 、 9 A 层灰色砂质粉土 、 9 B层灰色粉砂 、 1 0 A层 灰色粘质 粉土、 1 0 B层灰色砂质粉土 、 I O C层灰色粘质粉土 、 1 1 层灰褐 一灰黄粘土、 1 2层黄 一灰黄粘质粉土、 1 3 层灰黄 一灰色粉砂、 1 4层灰色粉质粘土。各类土层 厚度、 杂质 、 强度与水含量多不相同， 软硬土层交错 ， 彰显了本工程地质 的复杂性。地质勘察报告 中， 各 土层相关特征参数见表 1 。 表 1 地基承载力特征值静力触探比贯入阻力值 与 压缩模量汇总 Ta b l e 1 Char a c t er i s t i c v a l u e o f s ub gr a de be a r i n g c apa c i t y i s de t e r mi ne d。mor e ov e r pe ne t r a t i o n r e s i s t an c e va l ue t ha n wi t h c ompr e s s i o n mo du l u s s ummar y 3断桩原 因分析 ( 1 ) 根据地质勘察 报告 对地基 的评价意见 ， 第 1 1 层粘土强度较高( 地基承载力特征值 达到 2 2 6 k P a ， 高于所有其 他土层 ) ， 层厚 也较大 ( 6 46 5 m) ， 且层位厚薄稳定 ， 建议选用该土层作为桩基持 力层 ， 设计采纳了这一建议。但该桩基持力层 上的 第 6层 的砂质粉土、 第 8层 的粉砂层 ， 9 A层 的砂质 粉土、 9 B层的粉砂层及 1 0 B层的砂质粉土均密实度 较大、 强度较高 ， 虽 因它们 的层厚较薄 ( 大多在 2 m 以下) ， 且厚 度变化大 而未能被选作持力层。但 沉 桩中钢筋混凝土预制桩须穿过这些土层 ， 无疑会给 沉桩带来较大困难 ， 这是本工程静压沉桩 中屡屡 出 现断桩的重要原因之一 。 ( 2 ) 沉桩方法选择欠妥 本工程桩基设计仅考虑位于教学 区， 为避免沉 桩对教学的噪音干扰 ， 优先选择静压桩 的设计与施 工 ， 但未有充分考虑复杂 的地质条件对静压沉桩 的 不利影 响。实际上 ， 静压沉桩对硬度大 、 强度高的土 层穿透能力不足 ， 沉桩 中， 由于静压力 的持续作用 ， 一 旦其沉桩阻力接近、 达到或超过桩身钢筋混凝土 的轴心抗压承载力 ， 露出地 面的长桩极容易在初弯 曲、 初偏心等的不利条件作用下 ， 产生弯曲失稳而折 断， 露出地面的短桩不会产生失稳破坏 ， 但 当静压力 小于沉桩阻力桩 ， 则会压不到设计标高。 ( 3 ) 桩的设计存在不足 其一 ， 预制桩分节长度不够合理 。此预制桩共 分 3节 ， 第 1 、 第 2节为 1 O 5 m， 第 3节为 1 2 m， 而压 第 3 节时， 正好为第 1 节桩抵达粉砂层、 砂质粉土等 密实度较大 、 强度较高的土层较为集中的区域， 在采 用桩顶压人式静压机械时， 较大长细 比的第 3节桩 增大了产生失稳断裂 的机率 。 其二 ， 该桩单桩设计承载力为 2 2 0 0 k N， 桩身钢 筋混凝土的轴心抗压承载力 为 1 9 0 N3 5 03 5 0： 2 3 2 5 5 0 0 0 N=2 3 2 5 k N， 与单桩的设计承载力为 2 2 0 T 仅相差 1 2 5 k N， 约为轴心抗压承载力的 6 。显然 ， 此安全储备偏低 ， 本工程沉桩中， 断桩的静压力基本 在 2 3 0 k N左右， 无疑， 较高的压桩力与偏低的桩身 抗压承载力安全储备， 也增加 了混凝 土桩在高压力 作用下失稳断裂的可能性。 此外 ， 群桩 的挤土效应和因接桩的时问间隔产 生土的固结等导致沉桩阻力增大， 也是其原因之一。 4锤击沉桩成功原 因 锤击沉桩成功原因主要有二： 其一是其锤击力不象静压沉桩持续作用桩顶 ， 而是瞬间间歇作用 ， 从而使桩的弯曲变形 随时得以 恢复 ， 避免持续变形并不断增大而导致桩身受压产 生失稳断裂。 其二是锤击产生的巨大冲击力使桩 ( 包括其下 已连接的各节沉桩桩身 ) 产生较高 的人土速度， 从 而对土层特别是坚硬土层产生较大的贯穿力。 本工程所用 桩锤重 型 6 T， 落锤高度 1 2 m左 右 ， 设桩锤冲击桩顶速度 ， 桩人土初速度 I 2 和锤 击产生冲击力 计算如下。 ( 1 ) 桩锤冲击桩顶速度 嵋= 2 g h V 1 ：ff2 g h= 4 8 5 ( m s ) ( 2 ) 桩在重锤 冲击下 ， 桩身产生 的下沉初速度 依据冲量守恒定律 1 V 1= M 2 = M 1 Vl M 2=6 4 8 5 2 5 0 3 5 0 3 5 3 3=2 8 8( m s ) l 2 0 四川建筑科学研究 第 3 6卷 ( 3 ) 桩在土中摩阻力作用下 ， 是一个 以初速度 为 的减速运动 ， 其运动时间 t 为： v 2 = a t ( 1 ) S= v ： t 一1 2 a t 。 ( 2 ) 由式 ( 1 ) ， ( 2 ) 联解可得： S=1 2 t t=2S 设 S= 2 c m 则 t=0 0 4 2 8 8=0 01 4 S 式中 锤冲击桩顶速度( m s ) ； 桩人土初速度( m s ) ； g 重力加速度( m s ) ； 在土 中摩 阻力作用下 ， 桩作减速运动 时间( s ) ； 桩锤质量( T ) ； 在沉桩身质量( T ) ； S 桩的人土深度( m) 。 上述计算 结果 说 明， 沉 桩 时， 在桩 锤 以 4 8 5 m s 速度的冲击力作用下 ， 桩以 2 8 8 m s 的人土初 速度 ， 在 0 0 1 4 s 的瞬间沉人土中 2 c I n ( 即锤击贯入 度) ， 桩的快速下沉必对土层特别 是摩 阻力大 的坚 硬土层产生巨大的贯穿力 ， 这是静压沉桩所不具备 的， 这是本工程静压沉桩屡屡断裂或沉不下去而锤 击沉桩能成功顺利进行的主要原因。 5 复杂地质条件沉桩建议 ( 1 ) 当持力层 自身硬度 、 强度较大或其上摩阻 力较大的土石层及 承台桩数较多( 挤土效应 明显 ) 时， 对桩身为钢筋混凝土预制桩， 宜优先考虑使用锤 击法沉桩。从前面的计算不难看 出， 锤击法沉桩对 坚硬土层的贯穿力取决于桩锤的冲击能量 ， 其 中 决定于锤重 ， 决定于落锤高度。由于落锤 高度过大容易导致桩顶破坏 ， 所 以提高空间不大 ， 唯 锤重可较大增加 。锤重最好依据复杂地质与地层结 构的贯人阻力大小来定 ， 但其阻力对不同土岩层是 变数 ， 只能以与其有较紧密联系的单桩设计承载力 作参考依据， 建议一般常用桩的锤重不小于单桩设 计承载力的 0 2 0 3 ， 设计承载力高者取上 限， 低 者取 下 限。 ( 2 ) 对于地质勘察报告反映较复杂地质与地层 结构 ， 要重视包括沉桩方法在内的试桩设计 ， 当其某 一 种桩型如混凝土预制桩 ， 某一沉桩方法如静压法 试桩沉桩有较大困难时， 施工图设计时， 可及时采取 变换设计桩型与沉桩方法 ， 优先采用钻孔灌注桩、 锤 击桩等 ， 以免造成工期 、 桩基施工质量及费用上的损 失。 ( 3 ) 当钢筋混凝土预制桩因设备环境等条件限 制必须采用静压沉桩时， 要考虑设计施工上的措施。 多节长桩合理调节各节桩的长度， 特别是在 采用桩顶压入式机械 时， 适 当减少穿过硬土层或岩 石层时露在地表上 的那节桩的长度 ， 以降低长桩在 持续静压力作用下失稳破坏的机率。 适当加大桩设计承载力的安全储备， 即单桩 设计承载力与桩身钢筋混凝土极限轴心抗压承载力 之间的差值。提高桩身钢筋混凝土轴心抗压承载力 比较适宜的方法是加大混凝土桩身截面尺寸 ， 此法 一 方面能提 高桩身钢筋混凝土极限轴心抗压承载 力； 另一方面， 因混凝土桩身截面增大 ， 截面回转半 径加大 ， 在桩长不变的情况下， 桩长细 比减小 ， 稳定 系数增大， 从而导致桩的稳定承载力 的提高， 这将减 少 压桩 时桩 因长细 比大而产 生 的压 曲失稳破 坏 的机 率 。 静压沉桩机械优先选用抱压式 ， 与顶压式相 比， 其优点是施加压力的着力点位于桩顶以下， 这将 大幅减小桩露出地 面部分的长细 比， 以避免产生长 桩失稳 破坏 。 静压桩沉桩 困难或沉不下去时， 施工上也可 采用不 同机械、 不同方式 引孑 L 的办法 ， 如钢桩 引孔、 冲水法管桩引孔、 高压风动潜孔锤碎石或 巨石 引孔 等， 以达到疏松硬土层 ， 穿透碎石层或岩石块 ， 减小 沉桩阻力的目的， 但这都要较大增加沉桩的施工费 用。对静压法沉桩而言， 从经济角度考虑 ， 可将此方 法与上述加大桩设计承载力的安全储备的措施进行 比较 ， 再结合机械、 工期 、 工程地质等方面情况进行 选 择 。 6 结 语 我国幅员辽阔， 各地 区地质情况千差万别 ， 即使 同一地区， 因其地质的形成年代与成因上差异 ， 也会 有明显差异， 这其 中不乏有一些层状 、 强度变化复杂 的地基 ， 对此类地质 的地基采用桩基础的可能不在 少数， 如对此问题能及早引起重视 ， 并针对不同复杂 地质情况 ， 采取有效设计与施工上的措施 ， 无疑， 这 对保证桩基础工程的施工质量与承载能力 ， 保证施 工的顺利进行及压缩工程工期 、 提高工程效益 ， 都将 有明显的作用与好处。 参 考 文 献 ： 1 钟荣 昌， 等冲水法辅助静 压桩沉 桩施工新技 术 J 建筑 施 工 ， 2 0 0 6 ( 6 ) 2 娄吉红 ， 等 钻导孔沉桩在解决管桩断桩 中的应用 j 广西大 学学报 ， 2 0 0 5 ( 1 ) 3 宋辉 ， 等 预应力 高强混凝土管桩在复杂地 质条件下 的应用 J 山东电力高专学报 ， 2 0 0 7 ( 2 )