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1前言
近年来,静压法预应力高强混凝土管桩(即PHC桩)由于其价格低、工期短、无排浆污染、无振动、无噪音污染等优点,使得越来越多的建设单位认识到了管桩的优越性和良好的社会经济效益,从而在建设工程中得以广泛应用。但PHC桩沉桩施工时会对周边土体产生挤土效应,引起桩周围土体产生严重拉裂和剪切,使桩周附近土体产生位移、转动、应变,从而对附近的地下管线等地下构筑物造成危害或破坏。
2工程概况
芜湖市杨家门水厂二期扩建工程中的折板絮凝平流沉淀池,其±0.000相当于黄海高程7.5m。采用D400预应力管桩复合地基,总桩数2274根,桩长9～13m,桩端部分伸至④-1粉质粘土层内0.3m,部分伸至③淤泥质粉质粘土层内不小于10m,预应力管桩单桩竖向承载力特征值为145KN,设计复合地基承载力特征值100KPa。其四周为一期管线和部分构筑物,距最外一排管桩3m左右。
3管桩挤土效应的产生及危害
3.1桩的上浮和变形。管桩压入土中,要将桩周土体向旁侧挤压,而占据原来地基土的空间,导致原土体受较大塑性剪切变形而使结构受到很大扰动而破坏,尤其在桩位较密集时,桩挤土产生的垂直应力下,引起大范围的土体隆起,当桩的上浮力较大时,即产生浮桩现象,管桩接头断裂等问题。同时挤土产生的水平压力也会导致桩身产生水平向挠曲和弯矩,致使桩偏斜和弯曲。以上情况均不同程度的降低了桩的承载力,影响其正常使用。
3.2超孔隙水压力。超孔隙水压力也是影响承载力的另一个关键因素,尤其在软弱土层中,在桩周饱和粘土中产生较高的超孔隙水压力,经扰动的土体易蠕动,表现为地表、浅层和深层土发生竖向和水平位移,当较大的孔隙水压力难以消散时,对桩的贯入阻力骤然升高,而导致其不能继续贯入,当孔隙水压力渐渐消散后,土对桩端和桩周承载力的发挥有一定的影响。由于孔隙水压力的存在,故不能过分强调静压管桩的承载力。
4挤土效应对周围环境的影响
从该工程实践来看,挤土效应的影响是较大的,对环境的威胁是不可忽视的,特别是该工程位于饱和软土地区,对基础埋深浅的构筑物和对变形敏感的地下管线危害较大。在压桩过程中就发生构筑物开裂,管道破裂等事故。因此,静压管桩不仅仅是工程本身的问题,而且还是与周围环境相互作用的问题。至少涉及到:①沉桩区的地质条件和土的性质。例如在饱和的渗透性很低的粘土区,沉桩挤土效应特别严重;②沉桩的施工,包括沉桩的速度、沉桩流水等;③被影响构筑物及其地下设施的刚度,埋置深度等。
5降低压桩挤土不良影响的措施
5.1设计中对桩间距及桩型的合理选择。在设计过程中可以选用稍大一级的管径的桩,适当扩大桩距,减少桩数,以降低压桩引起的地基变形值和超孔隙水压力。对于桩尖的设计,尽可能应用开口桩尖,减小桩的上浮机会,缩小其影响范围。
5.2减少排土量的措施———预钻孔压桩。减少排土量的主要措施采用预钻孔压桩,将排挤土桩变为低排挤土桩。具体做法是在原来的桩位上用螺旋出土器预先钻一个孔,然后将桩压入,钻孔的孔径和深度可根据土质情况做适当调整,根据经验一般情况可在桩身体积1/3左右取值(即孔径占桩径2/3左右,深度占桩长2/3左右)。
5.3增设排水措施———提高土的压缩性。土体或多或少都具有一定的可压缩性,粘性土的渗透性很低,排水条件不良时,显示不可压缩或低压缩的特性,若在土中设置合理的排水通道,使挤土产生的孔隙水压力及时消失,就可以减小桩的贯入阻力,降低挤土效应。
5.4设置应力释放孔。在沉桩区内或在沉桩区外,或在被保护建筑物地下管线附近设置一些钻孔,当发生挤土时,可以起到缓解和隔断挤土通道的作用。孔洞中可以是孔,也可以填充松散材料。应力释放孔的布置比较灵活,可在压桩前后设置。
5.5优化施工流水。实际上土是被挤向阻力小的方向。例如,在周围有保护建筑的情况下,对着保护建筑方向压桩要比背着建筑的方向压桩的危害大的多。在现场空旷的条件下,为使压桩中各桩的压力阻力基本接近,入桩线路应选择单向行进,且按先中央后周围,由里向外压桩。占地面积大的施工现场可采用分区作业的办法,这样也可以防止超孔隙水压在某一区域的过大积累。
5.6控制压桩速率。压桩速率的控制,不是一个定量的问题,可根据挤土过程中不同情况而定。施工采用一次性连续施压到底,则桩的上浮机率大,采用大流水法施工,轮流多次将桩施压到底,桩的上浮机率小。因此有必要计划控制单桩一次性压入时间和每天压桩数量,因为土中应力的传递,超孔隙水压力的消散都需要一个时间过程。
6结论
6.1PHC管桩沉桩的实际挤土效应远比现行理论计算值大。
6.2PHC管桩沉桩前应充分收集场地及场地附近管线等地下构筑物的分布情况,并对其影响进行评价。
6.3为了减少PHC管桩沉桩对管线的影响,采用预钻孔压桩、增设排水措施、设置应力释放孔等工程措施并结合合理安排沉桩方向、控制打桩速率等非工程措施对现场管线进行防护,其效果是非常显著的。
近年来,静压法预应力高强混凝土管桩(即PHC桩)由于其价格低、工期短、无排浆污染、无振动、无噪音污染等优点,使得越来越多的建设单位认识到了管桩的优越性和良好的社会经济效益,从而在建设工程中得以广泛应用。但PHC桩沉桩施工时会对周边土体产生挤土效应,引起桩周围土体产生严重拉裂和剪切,使桩周附近土体产生位移、转动、应变,从而对附近的地下管线等地下构筑物造成危害或破坏。
2工程概况
芜湖市杨家门水厂二期扩建工程中的折板絮凝平流沉淀池,其±0.000相当于黄海高程7.5m。采用D400预应力管桩复合地基,总桩数2274根,桩长9～13m,桩端部分伸至④-1粉质粘土层内0.3m,部分伸至③淤泥质粉质粘土层内不小于10m,预应力管桩单桩竖向承载力特征值为145KN,设计复合地基承载力特征值100KPa。其四周为一期管线和部分构筑物,距最外一排管桩3m左右。
3管桩挤土效应的产生及危害
3.1桩的上浮和变形。管桩压入土中,要将桩周土体向旁侧挤压,而占据原来地基土的空间,导致原土体受较大塑性剪切变形而使结构受到很大扰动而破坏,尤其在桩位较密集时,桩挤土产生的垂直应力下,引起大范围的土体隆起,当桩的上浮力较大时,即产生浮桩现象,管桩接头断裂等问题。同时挤土产生的水平压力也会导致桩身产生水平向挠曲和弯矩,致使桩偏斜和弯曲。以上情况均不同程度的降低了桩的承载力,影响其正常使用。
3.2超孔隙水压力。超孔隙水压力也是影响承载力的另一个关键因素,尤其在软弱土层中,在桩周饱和粘土中产生较高的超孔隙水压力,经扰动的土体易蠕动,表现为地表、浅层和深层土发生竖向和水平位移,当较大的孔隙水压力难以消散时,对桩的贯入阻力骤然升高,而导致其不能继续贯入,当孔隙水压力渐渐消散后,土对桩端和桩周承载力的发挥有一定的影响。由于孔隙水压力的存在,故不能过分强调静压管桩的承载力。
4挤土效应对周围环境的影响
从该工程实践来看,挤土效应的影响是较大的,对环境的威胁是不可忽视的,特别是该工程位于饱和软土地区,对基础埋深浅的构筑物和对变形敏感的地下管线危害较大。在压桩过程中就发生构筑物开裂,管道破裂等事故。因此,静压管桩不仅仅是工程本身的问题,而且还是与周围环境相互作用的问题。至少涉及到:①沉桩区的地质条件和土的性质。例如在饱和的渗透性很低的粘土区,沉桩挤土效应特别严重;②沉桩的施工,包括沉桩的速度、沉桩流水等;③被影响构筑物及其地下设施的刚度,埋置深度等。
5降低压桩挤土不良影响的措施
5.1设计中对桩间距及桩型的合理选择。在设计过程中可以选用稍大一级的管径的桩,适当扩大桩距,减少桩数,以降低压桩引起的地基变形值和超孔隙水压力。对于桩尖的设计,尽可能应用开口桩尖,减小桩的上浮机会,缩小其影响范围。
5.2减少排土量的措施———预钻孔压桩。减少排土量的主要措施采用预钻孔压桩,将排挤土桩变为低排挤土桩。具体做法是在原来的桩位上用螺旋出土器预先钻一个孔,然后将桩压入,钻孔的孔径和深度可根据土质情况做适当调整,根据经验一般情况可在桩身体积1/3左右取值(即孔径占桩径2/3左右,深度占桩长2/3左右)。
5.3增设排水措施———提高土的压缩性。土体或多或少都具有一定的可压缩性,粘性土的渗透性很低,排水条件不良时,显示不可压缩或低压缩的特性,若在土中设置合理的排水通道,使挤土产生的孔隙水压力及时消失,就可以减小桩的贯入阻力,降低挤土效应。
5.4设置应力释放孔。在沉桩区内或在沉桩区外,或在被保护建筑物地下管线附近设置一些钻孔,当发生挤土时,可以起到缓解和隔断挤土通道的作用。孔洞中可以是孔,也可以填充松散材料。应力释放孔的布置比较灵活,可在压桩前后设置。
5.5优化施工流水。实际上土是被挤向阻力小的方向。例如,在周围有保护建筑的情况下,对着保护建筑方向压桩要比背着建筑的方向压桩的危害大的多。在现场空旷的条件下,为使压桩中各桩的压力阻力基本接近,入桩线路应选择单向行进,且按先中央后周围,由里向外压桩。占地面积大的施工现场可采用分区作业的办法,这样也可以防止超孔隙水压在某一区域的过大积累。
5.6控制压桩速率。压桩速率的控制,不是一个定量的问题,可根据挤土过程中不同情况而定。施工采用一次性连续施压到底,则桩的上浮机率大,采用大流水法施工,轮流多次将桩施压到底,桩的上浮机率小。因此有必要计划控制单桩一次性压入时间和每天压桩数量,因为土中应力的传递,超孔隙水压力的消散都需要一个时间过程。
6结论
6.1PHC管桩沉桩的实际挤土效应远比现行理论计算值大。
6.2PHC管桩沉桩前应充分收集场地及场地附近管线等地下构筑物的分布情况,并对其影响进行评价。
6.3为了减少PHC管桩沉桩对管线的影响,采用预钻孔压桩、增设排水措施、设置应力释放孔等工程措施并结合合理安排沉桩方向、控制打桩速率等非工程措施对现场管线进行防护,其效果是非常显著的。