宿遷地區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁應(yīng)用研究
1 江蘇宿遷地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造
宿遷地區(qū)位于郯城—廬江斷裂帶上,郯城—廬江斷裂帶是我國(guó)東部大陸最重要的斷裂構(gòu)造帶之一,呈NNE 向延長(zhǎng)約850km,地表寬度20~40km。斷裂帶自東而西由四條連續(xù)良好的主干斷裂(依次稱為F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3,F(xiàn)4斷裂) 組成(見下圖)。迄今的研究表明[3~7],郯廬斷裂帶屬于殼斷裂帶,對(duì)應(yīng)于一條顯著的地幔隆起帶,沿帶的莫霍面埋深為30km,而其東西兩側(cè)的埋深則分別為31km 和33~36km。
宿遷市及其新城區(qū)地處郯廬斷裂帶的中段,介于王莊集—蘇圩斷裂(F1)與大官莊—雙莊斷裂( F2)之間。延續(xù)性稍差的橋北鎮(zhèn)—宿遷斷裂(沿馬陵山、嶂山西側(cè)展布,習(xí)慣上稱為F5) 恰好穿越市區(qū)。緊鄰市區(qū)的北緣,是一條大致沿京杭大運(yùn)河分布的北西向宿遷閘—皂河南斷裂。因此可以說(shuō),本文所述的宿遷地區(qū),是被界定在大官莊—雙莊斷裂、橋北鎮(zhèn)—宿遷斷裂和宿遷閘—皂河南斷裂所構(gòu)成的“π”型區(qū)近頂部、面積約為15km2 的局部區(qū)域。地質(zhì)事實(shí)[3]證明郯廬斷裂帶的存在應(yīng)不晚于中生代。但城區(qū)范圍內(nèi),基巖全部被第四紀(jì)松散的廢黃河堆積與灘漫沉積物覆蓋。基巖以上的地層為Q4 :全新統(tǒng)灰黑色粉砂、灰黃色粉土層,厚度一般10~20m ,廢黃河漫灘地帶厚度可大于30m;Q3:上更新統(tǒng)含鈣質(zhì)結(jié)核、鐵錳質(zhì)結(jié)核的硬粘土、粉質(zhì)粘土層,下部為含礫中砂、細(xì)砂層,厚度約10~35 m;Q1 - 2:中、下更新統(tǒng)灰黃色砂礫層夾薄粘土,厚度15~35m;N2 :上新統(tǒng)灰白色砂土層,層厚約50m ,在老城區(qū)北部最厚可達(dá)80m。也就是說(shuō),新區(qū)內(nèi)基巖的最大埋深應(yīng)超過(guò)100m。
2 宿遷地區(qū)的地質(zhì)缺陷
地質(zhì)缺陷系指影響地基條件均勻性、穩(wěn)定性,并在特定因素作用下可能導(dǎo)致災(zāi)害事件發(fā)生的地質(zhì)體不利成份、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征,還包括對(duì)基礎(chǔ)工程施工工藝構(gòu)成直接妨礙的一些地質(zhì)因素。根據(jù)上文的分析,筆者認(rèn)為,活動(dòng)的周邊斷層和上部沉積層因快速堆積形成的復(fù)雜、松散結(jié)構(gòu)是宿遷市新城區(qū)地基最明顯的地質(zhì)缺陷。其對(duì)地基穩(wěn)定性的主要影響表現(xiàn)在如下4 個(gè)方面。
?、诺卣穑痕皬]斷裂帶是我國(guó)東部大陸著名的強(qiáng)震活動(dòng)帶。江蘇地震局經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估后也認(rèn)為,宿遷新城區(qū)分布在一個(gè)7級(jí)潛在震源區(qū)內(nèi),建筑物需要按9度防震設(shè)計(jì)。
?、茢鄬右鸬鼗e(cuò)斷或差異沉降:炮車—新沂水準(zhǔn)測(cè)線的觀察資料顯示, 1953 ~1979 年間,沂水—湯頭斷裂以西表現(xiàn)為地面上升,以東則為下降,兩側(cè)最大落差近30 mm[8] 。此外,由武漢地震大隊(duì)1976~1977 年在宿遷對(duì)三角邊網(wǎng)的激光測(cè)距資料與1973 年測(cè)量數(shù)據(jù)相比,反映出了斷裂帶在宿遷段正在進(jìn)行的左行壓扭性活動(dòng)[8] 。斷層活動(dòng)時(shí)次生的應(yīng)力場(chǎng)仍有可能造成新城區(qū)地基土層的剪切破壞,其破壞能力隨至主斷層面的距離增大而減弱。
?、菑?fù)雜多變的地層結(jié)構(gòu):由于活動(dòng)斷裂的影響以及分布在新區(qū)內(nèi)的廢黃河在歷史上的沖刷與漫灘沉積作用,覆蓋在基巖上的新生代沉積層呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的特征。土層的復(fù)雜多變,增加了地基條件的不可預(yù)見性,導(dǎo)致地基勘察與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的困難,且極易因基礎(chǔ)承載力的局部差異引起建筑物的不均勻沉降。
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⑷地基上的液化:土的液化系指常態(tài)下表現(xiàn)為固體特性的土壤,在抗剪強(qiáng)度降低或完全消失時(shí)變得容易變形而顯示出近乎液體特性的一種現(xiàn)象[9] 。宿遷新城區(qū)全新統(tǒng)沉積層為與廢黃河發(fā)育相關(guān)的堆積崗地、河漫灘沉積的粉砂、粉土和粉質(zhì)粘土。據(jù)江蘇省水文地質(zhì)工程勘察院對(duì)宿遷市黨政機(jī)關(guān)辦公樓、宿遷市電信大樓、宿遷市武警綜合樓等工程地基的勘察資料,這里全新統(tǒng)層厚一般均大于15 m ,潛水面埋深1~2.5m ,粉土中粘粒含量<10% ,孔隙比> 0.7。可以認(rèn)為,整體上宿遷地區(qū)上覆全新統(tǒng)沉積層屬于嚴(yán)重的可液化土層。統(tǒng)計(jì)顯示,在地震條件下由地基液化造成嚴(yán)重?fù)p害的建筑物數(shù)目約占地基基礎(chǔ)震害總數(shù)的54%[10] 。顯然,在一個(gè)7級(jí)潛在震源區(qū)內(nèi),誘發(fā)因素確實(shí)存在,無(wú)疑使可液化土層成為宿遷新城區(qū)地基災(zāi)害最為突出的事故隱患。
3 宿遷地區(qū)基礎(chǔ)類型分析
基礎(chǔ)類型的選擇通常主要是根據(jù)地基地質(zhì)條件、場(chǎng)地條件以及建筑物結(jié)構(gòu)需要來(lái)確定的。側(cè)重于地基地質(zhì)條件,本文就目前宿遷地區(qū)已采用的幾種主要的樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基類型對(duì)新區(qū)的適應(yīng)性略作如下探討。
⑴鉆孔灌注樁:這是一種適用性廣泛的樁基礎(chǔ),單樁承載力高、施工噪音小、樁長(zhǎng)及樁徑設(shè)計(jì)靈活性大。缺點(diǎn)是工程造價(jià)較高、泥漿處理麻煩、質(zhì)量控制有一定難度。
?、瞥凉芄嘧叮撼凉芄嘧兜臉稄健堕L(zhǎng)設(shè)計(jì)也可以隨地質(zhì)條件的變化在一定范圍內(nèi)作適當(dāng)調(diào)整,而且此類樁基施工進(jìn)度快、工期短、造價(jià)低,同樣也是一種被廣泛采用的基礎(chǔ)類型但考慮到區(qū)內(nèi)液化層的折減,且沉管過(guò)程積聚在管壁外粉土、粉質(zhì)粘土內(nèi)的超孔隙水壓在拔管后,極易對(duì)未凝固的樁身壓迫造成縮經(jīng)甚至因局部土體移動(dòng)引起樁身剪切破壞,樁身質(zhì)量無(wú)法得到保證。故此類樁基的應(yīng)用在很大程度上受到了限制。
?、撬嘞瞪顚訑嚢鑿?fù)合地基:就是水泥土的固化原理。不過(guò),由于地基土含水量太大、土體粘粒含量太低等因素不利于水泥土的固化,且此方法加固深度較淺(一般小于12 m)[11]。故其在宿遷新城區(qū)內(nèi)的應(yīng)用難以推廣。
?、葦D密沉管砂樁和沉管碎石樁:沉管砂樁和沉管碎石樁屬于散體材料樁復(fù)合地基,主要用于砂土和可液化的粉土地基加固。但由于施工質(zhì)量難以控制,在宿遷地區(qū)使用受到一定的限制。
4 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在宿遷地區(qū)的應(yīng)用
4.1 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的主要特點(diǎn)
我國(guó)自20世紀(jì)80年代初才開始引進(jìn)、研制和生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。工程實(shí)踐表明,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與傳統(tǒng)的沉管灌注樁、鉆孔灌孔樁和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制方樁相比,具有樁身質(zhì)量穩(wěn)定可靠、施工工期短、承載力高、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、監(jiān)理方便等優(yōu)點(diǎn)。近幾年已越來(lái)越受到內(nèi)地工程界技術(shù)人員和建設(shè)業(yè)主的歡迎,在工業(yè)與民用建筑和高速公路等建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛[13] 。
預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是采用預(yù)應(yīng)力工藝和離心成型法制成的一種細(xì)長(zhǎng)空心體混凝土預(yù)制構(gòu)件,是一種采用擠土或半擠土的樁基形式,是將建筑物的荷載傳給地基土的具有一定抗彎、抗壓性能的受力桿件[13] 。管樁按樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)的不同分為PC樁(C60,C70)和PHC樁(C80);按樁身抗裂彎矩的大小分為A型、AB型和B型;外徑300mm~600mm ,壁厚65mm~125mm ,常用節(jié)長(zhǎng)7m~15m。
眾所周知,預(yù)應(yīng)力管樁一般采用靜壓法和錘擊法施工;樁尖形式有十字型、錐型和開口型;樁節(jié)之間的連接采用端頭焊接連接。通過(guò)大量工程實(shí)踐,對(duì)單樁承載力特征值的正確取值積累了一定經(jīng)驗(yàn),一般情況下,高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的單樁承載力特征值按其樁徑大小進(jìn)行選取,即樁徑300,400,500的樁分別取700kN ,1100kN ,2000kN。在粘性土地基上進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工,隨著沉樁后停歇時(shí)間的延長(zhǎng),樁承載力會(huì)逐漸增大,初期較快而后期較慢,經(jīng)一段時(shí)間后才趨于穩(wěn)定。
根據(jù)以往管樁檢測(cè)資料,某些粘性土地基高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁的極限承載力會(huì)比終壓力提高20%~40% ,當(dāng)然對(duì)其承載力工后增大效應(yīng)也應(yīng)根據(jù)樁長(zhǎng)和地質(zhì)勘察資料等做出準(zhǔn)確估算。在淤泥地區(qū)、填土較厚地區(qū)以及以粗砂、礫砂為持力層的較短的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁,由于樁側(cè)負(fù)摩擦力的作用,隨著沉樁歇時(shí)間的延長(zhǎng),樁承載力會(huì)逐漸減小,經(jīng)一段時(shí)間后才趨于穩(wěn)定。在樁基檢測(cè)中,發(fā)現(xiàn)超短樁( L≤8m) 也常出現(xiàn)上述情況,單樁極限承載力會(huì)比終壓力降低25%以上。預(yù)應(yīng)力管樁持力層軟化和基樁上浮也會(huì)引起樁極限承載力下降,導(dǎo)致樁基檢測(cè)不合格。雖然采用混凝土填芯法和復(fù)打、復(fù)壓等措施可有效提高樁承載力,但建議在設(shè)計(jì)時(shí)樁承載力特征值取值稍低于正常值。
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管樁較適合的應(yīng)用條件:1)要求單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值在2400kN~5600kN 之間的建筑,選用管樁較經(jīng)濟(jì)合理;2)基巖埋深在15m~30m左右,有較厚的強(qiáng)風(fēng)化巖層作持力層,持力層標(biāo)貫在45擊左右較合理;3)淤泥軟土較厚的地基、近海建筑,采用其他樁型易出現(xiàn)質(zhì)量事故,采用管樁為首選[15]。因靜壓樁施工工藝具有噪音小、振動(dòng)小、造價(jià)低、施工速度快的特點(diǎn),近年來(lái)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。
4.2 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁承載力以及水平(地震) 荷載作用下承載性能
豎向承載性能[17]:①降低了施工難度和勞動(dòng)強(qiáng)度,避免了斷樁、夾泥和局部缺陷等質(zhì)量事故;通過(guò)管壁預(yù)留孔觀測(cè),能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,及時(shí)處理,彌補(bǔ)缺陷,減少損失。②提高了樁的承載能力,特別是樁尖承載力增加40%以上,周邊摩阻力和垂直荷載均提高30%左右,總沉降量減少1/3 ,增加了結(jié)構(gòu)的安全可靠度。③大大減少了混凝土工程量,降低了工程造價(jià)。相同直徑的空心樁與實(shí)心樁相比,每延米減少50%以上,而且,隨著樁尖反力和樁周摩阻力的增加,樁長(zhǎng)也可縮短,進(jìn)一步減少了工程量。
水平(地震) 荷載作用下承載性能[18]:根據(jù)水平試驗(yàn)研究表明:管樁在一定水平荷載范圍內(nèi),樁土處于彈性狀態(tài),每級(jí)加載增量與位移增量基本呈線性關(guān)系,卸載后變形大部分可以恢復(fù),殘余變形量較小。因此只有在小應(yīng)變條件下,土體的抗力才能有效發(fā)揮出來(lái);當(dāng)分級(jí)循環(huán)加載至臨界荷載時(shí),是反映PHC樁抗水平力的一個(gè)特性點(diǎn)。試樁位移量均在10mm 范圍內(nèi)。與其他樁型相比較,在同等量級(jí)的荷載作用下,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有同等的抗震性能,可放心使用。在管樁的設(shè)計(jì)中,要充分考慮管樁的承載力,合理取值,避免浪費(fèi)或取值過(guò)低埋下安全隱患。
1995年1月17是日本南部阪神強(qiáng)烈地震后,日本管樁及電桿協(xié)會(huì)對(duì)地震建筑物的基礎(chǔ)進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)建筑物的基礎(chǔ)除了使用管樁外都受到了不同程度的破壞,尤其是現(xiàn)場(chǎng)灌注樁破壞率很高。同時(shí)也表明了PHC管樁在抗震方面有很大的優(yōu)勢(shì),這也是1995-1996年日本管樁產(chǎn)量回升的主要原因。在日本現(xiàn)在各種基礎(chǔ)上都大量應(yīng)用管樁,無(wú)論是市內(nèi)建設(shè)或市郊建設(shè)在用樁上都有一套比較好的施工方法來(lái)支持,從建筑要求、環(huán)境保護(hù)、施工質(zhì)量、施工安全、企業(yè)效益等方面進(jìn)行綜合考慮制訂可行的施工方案,這也為管樁可以很好應(yīng)用得到了保障。
4.3預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在宿遷地區(qū)的應(yīng)用
隨著宿遷城區(qū)作為江蘇省重點(diǎn)開發(fā)城市,基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模投入建設(shè),預(yù)應(yīng)力混凝土管樁樁身質(zhì)量穩(wěn)定可靠、施工設(shè)備簡(jiǎn)單,不需要大型施工機(jī)械,承載力高、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、見效快;又可用于工廠化生產(chǎn),避免了大量澆筑水下混凝土的繁重勞動(dòng),并可采用流水作業(yè)加快施工進(jìn)度,監(jiān)理方便、實(shí)現(xiàn)文明、安全施工。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在宿遷的應(yīng)用同時(shí)得到普遍推廣。
目前,在宿遷新城區(qū),各種基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目中已在普遍使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,具體應(yīng)用舉例如下表,并通過(guò)靜載檢測(cè),單樁承載力都超過(guò)設(shè)計(jì)要求。
4.4管樁施工技術(shù)措施
管樁現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn):在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)場(chǎng)時(shí),除對(duì)生產(chǎn)廠家的資質(zhì)、該批管樁的檢驗(yàn)報(bào)告、合格證、管樁預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力表、管樁的混凝土、鋼筋、主要附件等檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行檢查外,還應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)檢查樁身質(zhì)量,如管樁內(nèi)、外徑尺寸偏差;管樁樁身的裂縫、裂縫寬度(不得出現(xiàn)環(huán)向及縱向裂縫) ;樁帽是否空鼓、空鼓的范圍及程度。
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其中,對(duì)管樁混凝土的外觀質(zhì)量應(yīng)仔細(xì)檢查,如有懷疑,應(yīng)抽樣送有資質(zhì)的檢測(cè)單位進(jìn)行超聲波檢查。管樁施工目前主要采用靜力壓樁以及錘擊沉樁。樁錘的合理選擇:錘擊沉樁時(shí),應(yīng)根據(jù)樁徑、壁厚、打入深度、工程條件及樁密集程度合理選用樁錘。樁錘選擇總的原則是保證樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求;順利地將樁沉到設(shè)計(jì)要求的持力層和深度;滿足設(shè)計(jì)要求的最后貫入度;打樁破損率低;每根樁總錘擊數(shù)控制在2000擊以內(nèi)。樁身垂直度控制:樁身保持垂直,可減少打樁時(shí)因偏心受壓而使樁身破壞的機(jī)會(huì),成樁后樁的垂直度也能得到保證。為此,需對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行認(rèn)真的平整壓實(shí),避免在施打過(guò)程中因振動(dòng)而使樁架產(chǎn)生不均勻沉降,導(dǎo)致樁機(jī)導(dǎo)桿不垂直;在打樁過(guò)程中樁身始終要保持垂直,送樁桿應(yīng)和樁身在同一中心線上,以控制成樁垂直度偏差不超過(guò)1%。管樁接頭焊接處理:接頭質(zhì)量是管樁樁基質(zhì)量的關(guān)鍵,樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求接頭的抗彎強(qiáng)度必須大于樁身的抗彎強(qiáng)度,以保證在樁基施打過(guò)程中接頭能經(jīng)受成百上千次的錘擊而不破壞。[13、19]靜壓法植樁,在中國(guó)尚是近十年來(lái)才發(fā)展起來(lái),與錘擊法相比較,它具有成樁質(zhì)量好、壓樁速度快等等諸多優(yōu)點(diǎn),發(fā)展前景好,從國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的施工發(fā)展過(guò)程來(lái)看,在城市植樁施工中,毫無(wú)疑問(wèn),靜壓樁機(jī)將取代柴油錘樁機(jī),但仍要注意,樁身垂直度控制,以控制成樁垂直度偏差不超過(guò)1%,保證管樁接頭焊接質(zhì)量。不能過(guò)份強(qiáng)調(diào)提高靜壓樁的承載力,要防止陷機(jī),夾裂(夾碎)管樁,擠土上抬,縱向壓碎,深度折斷(漂樁)等等一些問(wèn)題。
因此樁接頭焊接要嚴(yán)格控制質(zhì)量,盡量避免裂縫。合理安排施工流水:在樁位布置密集的軟土地基上施工管樁,必須合理安排施工流水,控制每日沉樁數(shù)量;在樁基土方或基坑開挖時(shí),挖土宜分層均勻進(jìn)行,樁周土體高差應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi);同時(shí)土方開挖要有防止樁位移動(dòng)的措施,否則稍有不慎,就會(huì)加大已打入樁的變位,造成擠土影響。
5 結(jié)語(yǔ)及討論
預(yù)應(yīng)力管樁以其樁身質(zhì)量可靠、承載力高、經(jīng)濟(jì)且施工快速等優(yōu)點(diǎn),在宿遷地區(qū)逐步得到廣泛應(yīng)用,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。但另一方面,預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)應(yīng)用的時(shí)間還不長(zhǎng),對(duì)其應(yīng)用中某些技術(shù)問(wèn)題還需一個(gè)認(rèn)識(shí)、研究、總結(jié)提高的過(guò)程。目前,工程實(shí)踐的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)理論研究水平,現(xiàn)已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)管樁與樁帽連接節(jié)點(diǎn)抗彎性能及其承載力的研究還很少,嚴(yán)重制約著預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的應(yīng)用。此外,管樁的水平抗力也值得關(guān)注,特別是對(duì)管樁在地震作用下的抗震防災(zāi)效果以及宿遷市新城區(qū)分布在一條至今仍在活動(dòng)的巨型斷裂帶上。新城區(qū)周邊的活動(dòng)斷層和地基全新統(tǒng)沉積層的松散結(jié)構(gòu)組成了該區(qū)地基最明顯的地質(zhì)缺陷,而對(duì)新區(qū)地基基礎(chǔ)危害最大的則是上部粉砂、粉土層的液化隱患。應(yīng)引起足夠重視。從技術(shù)合理性、可行性和經(jīng)濟(jì)性等原則衡量,筆者認(rèn)為,在宿遷新城區(qū)內(nèi),預(yù)應(yīng)力管樁是普遍適用的基礎(chǔ)類型,通過(guò)幾十項(xiàng)工程項(xiàng)目施工,獲得和積累了一些數(shù)據(jù)和資料,但還需進(jìn)一步推廣使用,以完善該技術(shù)。
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