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夯擴樁在杭州下沙地區(qū)的應(yīng)用
1、概述
杭州下沙地區(qū)位于錢塘江北岸,屬錢塘江沖海積平原,地層分布較穩(wěn)定。地基土主要由粉土組成,深8~9m處就有性質(zhì)較好的2d砂質(zhì)粉土夾粉砂土層,且分布廣泛而有一定厚度,是較理想的樁端持力層。康萊特下沙住宅工程1.3萬m2,其地質(zhì)情況在下沙地區(qū)有典型的代表性(表1) 。根據(jù)地質(zhì)報告,場地地下水主要賦存于上部粉土、粉砂層中的潛水,水位較高,并受大氣 降水影響,動態(tài)變化較大。地下水能引起粉土膨脹,淺基礎(chǔ)不易控制建筑物的不均勻沉降。另外,2c土層為液化土層,也應(yīng)避免用該土層作為持力層。因此在結(jié)構(gòu)方案階段就否定了淺基礎(chǔ)方案。預(yù)制樁基固然可行,但在目前它的價格較高。此外,從地基承載力和造價上分析,灌注樁基礎(chǔ)應(yīng)該是比較理想的,但據(jù)調(diào)查因成樁難,在該地區(qū)很少應(yīng)用。將普通沉管灌注樁方法與樁端擴底技術(shù)相結(jié)合的夯擴樁,可充分發(fā)揮端承效果,而且造價低,通過康萊特下沙住宅工程的成功應(yīng)用,積累了一定的經(jīng)驗。經(jīng)過分析比較,我們選用了夯擴樁基礎(chǔ)。 表1 住宅工程的綜合地質(zhì)
土層及其名稱 層厚(m) 主要物理性質(zhì) 地基土參數(shù) 預(yù)制樁參數(shù) 夯擴樁
參數(shù) w(%) e wc(%) Ip(%) a1~2(MPa) Es(MPa) fk(kPa) qs(kPa) qp(kPa) qp(kPa) 2a砂質(zhì)粉土 0.7~1.4 30.2 0.876 31.9 5.3 0.21 7.0 110 16 2b砂質(zhì)粉土 1.6~2.7 25.2 0.70 28.2 6.6 0.12 12 170 24 2c砂質(zhì)粉土 4.4~5.8 28.3 0.771 30.1 5.5 0.14 11 155 22 780 3a砂質(zhì)粉土夾粉砂 9.2~10.9 26.0 0.725 0.16 13 180 28 1700 1100
2、夯擴樁樁基設(shè)計 2.1 理論依據(jù) 樁的極限承載力(抗壓)不能簡單地理解為極限側(cè)阻力加上極限端阻力。樁土之間出現(xiàn)不大的相對滑動時就出現(xiàn)極限側(cè)阻力,當上部滑動量大的范圍內(nèi)土體發(fā)揮了極限剪切強度以后,部分荷載又傳回給樁身,依次產(chǎn)生更大的相對滑動并逐漸發(fā)展到更大的深度。只有當整個樁身側(cè)阻力達到極限值的瞬間,樁底下面的土體中形成了一種極限強度狀態(tài),好像樁尖在排開土體,力圖擠進土層。此時,承載力是極限側(cè)阻力和樁底承載力的組合。極限側(cè)阻力的發(fā)揮主要取決于樁土相對位移,稱為極限位移。只有當樁底位移Δs足夠大時,樁端的極限強度就全部發(fā)揮出來,樁的極限承載力(抗壓)(在該荷載下的下沉或下沉速率劇烈增大)可由下式確定:Pu=Ppu+ΣPsi(式中Ppu極限樁端承載力;ΣPsi樁端以上土層極限側(cè)阻力的總和)。
下沙地區(qū)的工程地質(zhì)特點是持力層埋深淺,而上部土層為軟弱土層,在不大的荷載下,就能達到整個樁身極限側(cè)阻力。夯擴樁擴大了的樁頭,降低了樁端應(yīng)力水平,阻止了樁尖的刺入破壞。浙江省標準《建筑軟弱地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(DBJ 10-1-90)棗條文說明》中指出,夯擴樁是以端承為主,側(cè)阻力為輔的樁型,適用于上部為軟弱土層,在距地表4~14m處有一層性質(zhì)較好的樁端持力層。 2.2 設(shè)計參數(shù)和承載力的確定 3a土層是一個較理想的持力層,該土層分布廣泛,厚度也較均勻(表1)。根據(jù)地質(zhì)報告提供的參數(shù)和浙江省標準《建筑軟弱地基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(DBJ 10-1-90)》,初步確定夯擴設(shè)計參數(shù)為第一次在外管內(nèi)灌注的混凝土高度H=1900mm;外管上拔高度h=800mm ;混凝土全部夯出外管后外管和內(nèi)夯管同步下沉深度h-c=600mm。代入各參數(shù)后可取D=600mm。
根據(jù)《DBJ 10-1-90》規(guī)范的公式;可算得單樁豎向承載力標準值Rk=565kN,設(shè)計時取作550kN。由此可見樁端土承載力約占總承載力標準值的75%以上。 2.3 樁端進入持力層深度 樁的承載力,主要是樁端承載力,隨著進入持力層的深度(特別是進入砂質(zhì)粉土類粉砂層的深度)不同而具有不同的變化規(guī)律,稱之為深度效應(yīng)。深度效應(yīng)的主要規(guī)律之一是存在著一個臨界深度hc。當樁進入持力層的深度h<hc時,樁端極限承載力qpu基本上隨深度而線性增大,當h≥hc時,qpu則保持不變,稱之為端阻力穩(wěn)定值,規(guī)范中推薦的進入持力層深度為1.50~2.00m。根據(jù)本工程地質(zhì)的實際情況,選擇進入持力層深度為1.5m,有效樁長7.5m。 3、成樁難的原因分析及解決方法 在下沙地區(qū)打沉管灌注樁常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象:一種是施工時無法將混凝土灌到設(shè)計標高,另一種是開挖后,發(fā)現(xiàn)近地表的上段樁雖在,而下段樁身混凝土已流失或僅存部分骨料石子。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是該地區(qū)地基土易液化,打樁時措施不當。
就以康萊特下沙住宅工程地基土為例,持力層3a以上土層主要為砂質(zhì)粉土,松散,孔隙比大,土層粒徑在0.01~0.074mm之間的顆粒占86%以上。有關(guān)資料表明,平均粒徑為0.05~0.1mm的粉砂土的抗液化能力最低。
在沉管過程中,一方面由于土體受到震動,使得孔隙中的水產(chǎn)生超靜水壓力,另一方面在成孔過程中,樁管周圍一定范圍內(nèi)的土體受到擠壓,使得土的孔隙減小,而孔隙中的水還來不及排出,也產(chǎn)生了超靜水壓力μ。水在水力梯度(i)下從高能量級向低能量級處流動,此時土中總應(yīng)力為:σ=σ′+(μ+Δμ)或σ′=σ-(μ+Δμ),式中σ′有效應(yīng)力;Δμ孔隙水壓力增量??梢姰?Delta;μ不斷增大,直到有效應(yīng)力σ′減小到零,有效應(yīng)力使粉砂土產(chǎn)生全部抗剪強度。當σ′=0時土體抗剪強度等于零,便出現(xiàn)了流砂現(xiàn)象,土粒之間壓力消失,土粒處于懸浮狀態(tài),土體隨水流動。地下水的滲流對土單位體積產(chǎn)生的壓力GD稱為動水壓力。在樁外管拔出過程中,樁管中的混凝土也受到GD的作用。當GD較大且樁管中混凝土因自重引起的材料間的摩擦力不足以抵抗GD時,混凝土中的水泥砂就被流砂帶走,甚至還會將骨料沖走。隨著時間的推移,孔隙水壓力逐漸消散。
以上分析可見,存在液化土層的地質(zhì)條件下要成功完成灌注樁的施工,可采取適當?shù)氖┕ご胧┮韵魃暗牟焕绊?。為此康萊特下沙住宅工程中,主要采取了以下措施:①控制打樁的施工進度;②嚴格控制拔管速度;③采用有預(yù)制樁尖的夯擴樁。并在樁尖頸部設(shè)置草繩; ④第一次加灌混凝土后,先進行適當?shù)念A(yù)夯擴,再拔管至h。經(jīng)過正式施工前的打試樁,將夯擴設(shè)計參數(shù)最終確定為H=2500m,h=900mm,h-c=800mm;⑤在第二次加灌混凝土完成后,最終拔出外管時,用內(nèi)夯管對管內(nèi)混凝土邊拔邊壓。
此外,選擇合適的樁身混凝土的水灰比、坍落度及合理的打樁順序等等,都可提高成樁的質(zhì)量 。當然在工程樁施工前,也可先在打樁場地空隙處均勻布置砂石樁做泄水孔,但這種方法造價較高,本工程中并未采用。 4、結(jié)語 (1)經(jīng)濟效益:曾對夯擴樁、預(yù)制樁和振動式沉管灌注樁三種樁型基礎(chǔ)方案的經(jīng)濟指標進行了對比(表2)。因夯擴樁的承載力明顯高于其它兩種樁型,總樁數(shù)最少,相應(yīng)的樁承臺較小,如果綜合承臺施工、土方開挖等項目的費用,夯擴樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟效益更高。 表2 三種樁型造價對比表 樁型 樁徑(mm) 樁長(m) 單樁工程造價 承載力(kN) 單位抗力造價(元/kN) 工程量(m3) 單價(元/m3) 合價(元) 夯擴樁 377 9.4 1.256 603.9 755 550 1.373 預(yù)制管樁 350 9.4 (9.4m) (72元/m) 677 285 2.375 振動式沉管灌注樁 377 9.4 1.049 404 424 288 1.472 (2)工程樁質(zhì)量:根據(jù)低應(yīng)變動測報告,不滿足規(guī)范和設(shè)計要求的Ⅲ類樁僅3根,分別出現(xiàn)不同程度的縮頸、樁身混凝土離析,而無Ⅳ類樁,其余均為合格的Ⅰ、Ⅱ類樁。主體工程于2000年1月2日竣工后,最近一次沉降觀測結(jié)果是:最大沉降量18mm,最大不均勻沉降為5mm。
(3)夯擴樁在杭州下沙地區(qū)應(yīng)用,有兩大優(yōu)勢:①充分發(fā)揮樁端持力層的端承效果,承載力高 ;②造價低,經(jīng)濟效益好。但對打樁隊伍的素質(zhì)要求較高,并且在施工前,要制訂切實可行的詳細施工方案。
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