广东新长安建筑设计院有限公司 515000
摘要：为解决静压高强预应力管桩需穿越砂夹层及硬夹层等特殊地质下，会出现沉桩困难，爆桩等问题，顺利到达桩端持力层，满足桩承载力及建筑物沉降要求。结合工程实例，通过大吨位静压桩机和特殊桩型，加大静压管桩的终止压力，提高管桩抗压承载力，穿透砂夹层及硬夹层等特殊地质，实现桩基基础满足设计要求。
关键词：砂夹层；薄硬夹层；沉桩困难
引言
随着国家大规模基础建设，为应对工程建设中各类地质造成的基础问题，各类桩及各种成桩方式相聚涌现。静压预应力高强度混凝土管桩（PHC管桩）因其具有强度高、施工效率高、无噪声、工期短，成桩质量可靠等优点，在工业民用建筑、桥梁码头等工程中受到广泛应用。但由于工程地质情况复杂，土层分布时有异常，会遇到较厚砂夹层、硬夹层、孤石等障碍物，导致沉桩过程中出现爆桩、沉桩困难、桩长不足，桩未到桩端持力层等问题，达不到设计要求。针对上述问题，工程设计、技术人员发展出各种解决办法：（1）采用原位引孔穿透砂层，硬夹层，取土压桩。（2）水冲法，气冲法，或水冲气举法，利用冲水管的高压水或气将阻挡桩尖的砂或卵石层冲散并混合成砂石混合物，从管桩内孔举升排出。另一部分水经气压排挤渗入砂层中使桩身与土层摩擦阻力减小而顺利沉桩。（3）采用加强管桩桩身材料，改进桩靴桩尖、配桩及接桩、机械等辅助措施，提高压桩终止压力值，硬压穿透夹层，本文采用此种方法。相比上述方法，第（3）种是最省时省事，工程造价费用相对低廉，且效率高。
1. 静压管桩沉桩机理
静压管桩法采用全液压静力压桩机对管桩施压，通过液压夹持机构夹住桩身，再利用主机油缸的液压力将桩压入地基土中。每个行程约2米，整个过程为：夹紧→下压→松夹→上升→再夹紧，反复进行。压桩时，可从油压表读取油压值换算出压桩力。
静压管桩沉桩施工时，桩尖“刺入”土体中，原状土初始状态受到破坏，土体向桩周水平方向挤开，桩尖下土体的压缩变形。管桩桩身受到土体桩周摩阻力和桩端阻力的抵抗，当桩机的抱压桩静压力大于阻力时，桩压入土中。粘性土中，桩的沉入，桩周土体受到扰动，其抗剪强度下降到重塑强度。砂性土中，除松砂外，抗剪强度变化不大，桩下部摩阻力与桩周处土强度成正比，与桩的入土深度成反比，对沉桩起显著作用，其值可占沉桩阻力的50～80%。
砂层沉积规律：受自重密实作用影响，砂粒粒径上细下粗，下部砂层较上部砂层承受更大的自重压力使颗粒空隙更小，排列更紧密，沉积密度更大，沉桩阻力随桩端进入砂层深度的增加而增大，造成沉桩困难，部分桩由于压桩力远超过桩身受压承载力，或桩机夹持机构打滑，而产生桩身破坏或者爆桩。
2.实例工程使用
2.1 工程概况
项目位于汕头市龙湖区，拟建的轻工厂房及配套用房，主要由两座三层高的钢筋砼框架结构厂房和一座九层框架-剪力墙配套用房，地下设一层地下室。建筑平面尺寸为77.50m×132.40m（宽×长），总建筑面积42126m2，是荷载大，结构超长，大跨度（最大9.5m×9.5m）的多层厂房。
2.2工程地质
地貌单元属韩江下游三角洲冲积平原滨海浅滩滩地，原始地形开阔平坦，地势低洼，后人工回填为停车场。工程地质如表1所示：
场地存在厚软弱土（第③、⑥、⑧淤泥或淤泥质土层），具有流塑性、高压缩性和灵敏度高，易触变等不良地质现象，且第①、②层为松散～稍密状细砂，若采用钻孔灌注桩时，桩基施工过程中易产生坍孔、缩径、断桩等影响桩身质量。若采用预制桩时，出于对建筑物沉降控制考虑，管桩及桩机应满足，特别是对第⑤、⑨层密实中粗砂，局部第⑤层底部分布有厚度为0.20～0.30m的铁质硬结核物的穿透能力，到达下部第⑭细砂土层。结合地质情况及施工工期及桩质量保证，拟采用静压高强预制管桩进行基础设计，穿过上部砂层，硬结核物。
2.3工程桩基设计
2.3.1周边桩基施工
收集周围基础施工资料，了解到周边不远处，有一个医院项目：采用管桩PHCΦ400（95），PHCΦ500（125），均为AB型，单桩承载力特征值分别为2800KN，3600KN。地质情况与本工程类似，试压PHCΦ500（125）桩时，其地质勘察孔揭示中密～密实的粗砂夹粘土层约8米，夹硬质胶合物。现场试压桩情况：同一个11桩的承台，部分桩约进入砂层2米后，双缸16MPa（约5250 KN）无法压下；部分桩在双缸12～14Mpa能顺利压过。沉桩困难的管桩，最终采用水冲法配合桩机施工，穿越砂层到达设计要求。
分析认为：（1）管桩部分可穿越，部分沉桩困难，可能因为硬质胶合物阻止砂层下沉压缩，增加管桩穿越砂层的难度。（2）需合理安排打桩顺序，减少管桩挤土对砂层挤密作用，避免后打桩施工困难。（3）同时改善及提高管桩的穿越能力，有可能实现砂层的穿越。
2.3.2桩基设计
工程的难点在于穿透砂层及铁质硬结核块，优点在于地质中粘土不多，桩周摩阻力小，桩端摩阻力占主导作用，砂层埋置浅。为解决穿透厚密实砂层，采取下列措施：
（1）采用大吨位静压桩机及厚壁管桩：要求桩机配重≥550吨，提高压桩力。同时也应提高桩身承载力：桩PHCΦ400（95），桩自身承载力低，PHCΦ500（125）是考虑桩型，同时了解到当地有特殊桩型PHCΦ400（110），列入比选。PHCΦ400（110）管桩，是一种AB型管桩，桩外径400mm，内径180mm，管桩壁厚110mm，配10根9.0直径预应力钢筋。抗裂弯矩70 KN．m，单桩桩身竖向承载力极限值4400KN（实际使用压桩力超过5000KN，存在爆桩风险），单桩承载力特征值2200KN。
根据广东省《静压预制混凝土桩基础技术规程》规定，PHC管桩其桩身受压承载力特征值，ψc=0.7（管桩）及桩身抱压允许压桩力，计算管桩Φ400与Φ500的桩身受压承载力，抱压桩力情况，各桩相对于PHCΦ400（95）桩的比值，如下表2所示。在同一场区地质情况下（即相同的桩侧摩阻力和桩端阻力），对比Φ400与Φ500的桩侧摩阻力和桩端阻力情况，具体比值详见下表2。综合上述压桩力及桩阻力情况，PHC管桩穿越砂夹层及硬夹层的时，由于密实砂层，标贯击数高，端阻大，忽略不计桩侧摩阻力，只计压桩力及端阻力的情况下，形成桩穿越土层的能力对比情况如下表2。
可见，Φ400管桩比Φ500管桩具有更大的穿越砂层及硬土层能力，PHCΦ500（125）穿越土层能力仅相当于普通PHCΦ400（95），但它更费工费料。PHCΦ400（110）管桩比普通PHCΦ400（95）管桩穿越土层至少大1.1倍。相同抱压桩力的情况下，例如抱压桩力为5000 KN时，PHCΦ400（110）穿越土层能力，更是PHCΦ500（125）的1.61倍。管桩对铁质硬结核物的穿越能力，若压桩力为4400 KN时，PHCΦ400（110）管桩截面面积0.1256 m2，管桩桩端板的压强为35Mpa，其达到较硬岩石的坚硬程度，采用“十字型桩尖”，桩尖尖头变小，压强更大，理论上硬岩石可压碎，铁块也可压出凹坑。
（2）合理安排配桩及接桩，控制接桩点在刚好进第⑤、⑨层砂层前，保证管桩穿越砂层的连续，防止在砂层中接桩，桩周侧阻力回复；同时合理安排打桩顺序，采用“跳打”，打“应力释放孔”等减少挤土效应。
（3）采用十字型桩尖及改善桩尖。采用特殊桩尖，加长桩靴肋板，充分发挥桩尖扰动、刺入桩端土阻力能力。加大桩尖端板，甚至稍突出桩端头板（稍大桩径），降低桩端及整个桩侧阻力。
采取措施后，试压管桩。约17米处，压力值开始上升，进入第 ⑤土层。进入砂层后，压力值维持在双缸10～13Mpa间，缓慢下沉，进入4米处，压力值上升至14～16Mpa，穿越砂层及铁质硬结核物。经单桩抗压静载试验，和低应变反射波法检测，承载力及桩身完整性均能满足验收要求。
3.结语
原《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）规定，厚度大于2米的中密以上砂夹层，不宜采用静压管桩。随着工程技术的发展，各种穿越砂层的方法相继而生，其各有特点，但都费时费工。本文通过在实际工程中，对地质情况深入分析，采用大吨位静压桩机，特殊桩型，结合相应的其他构造措施，使硬穿砂层成为可能，实现良好经济效益。
参考文献：
[1]张广彬.静压PHC预应力管桩爆桩原因分析与对策[J].西部探矿工程，2006（12）：23-24.
[2]杨绪军. PHC管桩辅助沉桩措施与工艺[J].武汉大学学报，2013（S1）：274-276.
[3]吴珍喜.水冲气举法辅助静压PHC管桩[J].建材与装饰，2015（5），45-46.
[4]蔡隆俊.水冲法配合静压管桩穿砂夹层的施工技术[J].建筑技术，32卷（3），169-170
论文作者:黄炯亮
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/20
标签：管桩论文; 静压论文; 阻力论文; 夹层论文; 承载力论文; 土层论文; 地质论文; 《基层建设》2017年第22期论文;