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复杂环境场地静压桩施工

复杂环境场地静压桩施工

文摘上海某工程周围环境复杂,在静压桩施工中采取了有效的质量控制手段和综合防范措施,施工质量优良并保护了邻近的建筑物和地下管线。

关键词静压桩施工方法质量控制防范措施

1工程概况

某工程场地周围地下管线密布。场地狭窄,地下工程施工难度大。工程建筑面积17954m2,占地面积3693m2,1~8层,总高7.2~30.2m,框架结构,基础采用450mm×450mm×26000mm 的钢筋混凝土预制桩,分两节,焊接法接桩,共630根,混凝土为3317m3。

设计要求竣工后桩位偏差不大于225mm,桩顶高程误差在-50~+100mm之间,并确保周围环境安全。场地土层自上而下依次分布为:

填土,厚1.1~2.8m;

褐黄色粘土,厚约1.2m,可塑;

灰色粉质粘土,厚0.4~1.3m,软~流塑;

灰色淤泥质粘土,厚0.8~2.8m,流塑;

灰色淤泥质粘土夹粉砂,厚3.2~6.6m,流塑;

灰色淤泥质粘土,厚5.4~9.3m,流塑;灰色粘土,厚2.6~4.4m,软~流塑;

灰色粉质粘土,厚5.0~6.9m,软塑;暗绿色粉质粘土,厚2.2~3.7m,硬塑~可塑。

本工程设计±0.000相当于绝对标高3.800m,桩顶标高从±0.000算起均为-12.10m,相当于绝对标高1.70m,桩端进入暗绿色粉质粘土0.82~2.45m。

2沉桩可能性分析

本工程采用武汉静压桩协会总结的沉桩反力经验公式估算

压桩反力:R=0.075Ps+0.0163

Psihi式中:R——压桩反力(kN);

Ps——桩端土层的比贯入阻力(kPa);

Psi、hi——桩端以上各层土的比贯入阻力及其厚度(m)。

经估算,沉桩反力均值约为650kN。我院使用YZY-160型全液压静力压桩机最大压载能达1600kN。因此,沉桩没有问题。

3压桩施工要点

尽管压桩对桩位设计要求容易做到,但考虑到后施工的桩对先施工桩的影响,施工中仍需严格控制,具体要把握下列要点:

(1)施工前应复核轴线及桩位,施工过程中经常校核轴线及桩位。

(2)采用两台互相垂直架设的经纬仪交汇对位与观测桩垂直度及水平位移。

(3)焊接时须用经纬仪校直,以点焊法将拼接角钢连接固定,再次检查无误后,进行对角对

称焊接,防止节点变形、桩身弯曲,节点处理应符合规范规定。

(4)将桩送至设计标高前,须测桩位处地面标高,送桩深度为桩位地面标高减去桩顶设计

标高。

(5)记录终止压力,以便对单桩承载力进行评估。

4防范方案

鉴于场地周围地下管线密布,在工程中采取了下列综合治理措施,以达到使周围环境变形不致过大又能保证工期的目的。

4.1桩位预钻孔取土工程实践表明,钻孔取土是减少挤土影响的有效手段之一,桩位预钻孔取土能显著减少地表及浅层土的挤压,使桩区内的土体隆起大为降低并使近距离(约为取土深度)的地表土体水平位移显著减小。本工程采用钻机在桩位预钻口径为400mm、深度为

6m的孔。设计人员一般担心取土会影响单桩承载力。笔者认为,桩位预钻孔取土对单桩承载力降低不多,原因是:(1)浅层土桩侧摩阻力取值较低,在整根桩长范围内所占比例很小。(2)取土孔径小于桩径,挤土作用虽有减小,但摩阻力并非全部丧失,除地表下有浅埋砂层外,大部分钻孔取土沉桩工程,在桩区内仍有地表隆起、位移,表明浅层桩周土仍有相当挤压。(3)深层土受挤压向四周扩散,对浅层土有挤密作用,在一定程度上弥补了浅层取土所释放的应力。(4)对于长桩而言,浅层摩阻力非主要,即便取土使承载力有所降低,但若在5%以内,也属工程设计误差的允许范围。

4.2设置普通砂井本工程地面以下约18.0m范围内均属高压缩性饱和软粘土,渗透性很差,桩压入土中可近似看作一个不排水过程。由于土颗粒的不可压缩性,桩向四周挤压等于自身体积的土体,造成四周土体破坏和位移,并在土中产生较大的应力增量,使孔隙水压力增加。随着入土桩数增加,孔隙水压力积累、上升,使土中有效应力降低,破坏了土体天然结构强度,从而产生位移。设置人工排水通道,加速孔隙水压力消散,也是减少沉桩影响的一种途径。为此,本工程在桩区北面,管线南面,紧靠人行道,设置160个砂井,砂井直径为350mm,深9m,间距0.8m。施工过程中还在桩区内增设砂井79个。

4.3设置防挤沟根据施工经验,防挤沟对减少浅层土挤压影响,保护浅埋式地下管线有相当的防护效果。在桩区北面,砂井南面,紧靠砂井开挖一深2m、宽1m的防挤沟,这样防挤沟兼有集水、排水作用,注意保持沟内无积水。

4.4合理安排压桩施工流水在各种措施中,合理的压桩流水是最经济实用的。压桩流水关系到挤土方向。沉桩原则上背向被保护对象,由近往远进行。本工程因四周都有被保护对象,原则上从外围往中心进行,具体为先施压最北面的三排桩,再单排由外围向中心进行。这样安排的好处是先施压的靠近被保护对象一侧的桩起到一种挡土屏障作用,减少对周围的影响。但缺点是要估计到桩区内已沉入的桩可能上浮、偏位,应采取适当预防措施。本工程采取了桩区内增设砂井,控制沉桩速率等措施。

4.5实施变形监测为了及时掌握压桩对周围环境影响,必须加强对被保护对象的监测,及时报告变形情况,以便采取对策,以监测数据指导压桩,做到防患于未然。施工结束时,河间路最南边一排监测点总变形量为70mm左右,最北边一排为30mm左右,且差异变形不大,隆起与水平位移大致相等。

4.6控制沉桩速率压桩过程中,当建筑物和地下管线变形过大时,及时调整了压桩速率或停止压桩。另外,施工中还采取了跳压等措施。

5施工效果

整个压桩过程历时87d,平均每天压桩数超过7根,工程提前竣工。竣工开挖验收表明,桩顶高程合格率为99.3%,桩位合格率为99.5%,工程质量优良。施工未造成周围建筑物及地下管线损坏。

5结语

(1)在复杂环境场地进行压桩施工,采取综合治理手段是有效的、必需的。

(2)建筑物及管线的损坏主要是由其不均匀变形造成的,所以在压桩施工监测中应注意

控制管线等设施的不均匀变形。

静压桩在软土地基中的应用

80年代以来,高层建筑桩基普遍采用大直径冲钻孔灌注桩.这种桩型施工工序多,孔底沉渣难以彻底清除.进入90年代,引进大吨位打桩机,但施工时断桩问题时有发生,特别对周围环境的影响比较严重.笔者采用的500tYZY型压桩机,基本上解决了上述问题.YZY型压桩机是由上海造船厂生产的全液压驱动系统,桩机能够纵横向行走,自动调平,液压系统回转顶升,夹桩,压桩,通过对桩施加一个相对恒定的力将桩压入土体中,再终止压桩.

1静力压桩机理

1 1设备

500tYZY型静压桩机外型尺寸8 6m×11 2m×9m,横向行程3m,纵向行程5m,最大回转角度15°,全接地压力7 5kPa,纵向全接地18kPa,横向全接地压力16 7kPa,液压系统工作压力320MPa,总功率77kW,适用于截面边长400~500mm预制方桩,最大压入力5200kN,最大锁紧力1500kN,总重量210t,配重340t.

1 2静压机理

静压桩是通过施加一个相对恒定的力,将桩压入土体中,与利用锤击式脉动冲击波将桩压入土体中的打入式工作机理截然不同.静压沉桩工艺主要是利用土体中孔隙水的作用,降低了土体的强度,当桩被压入土体中时,土体产生侧向压缩,结构发生变化,桩侧一定范围内土中孔隙水被挤出,在桩侧产生一层薄膜水,这层水起着润滑剂的作用,使桩周土摩阻力降低.另外,当土体受到侧向挤压时,土中孔隙水压力也随之增加,对层状土来说,这种增加的孔隙水压力称为超孔隙水压力,超孔隙水压力越大,土体的有效应力就越低,土体对桩的阻力也就越小,在饱和或含水量较大的粘性土中,静压桩法是一个比较理想的施工工艺,但若遇砂层,超孔隙水压力消散较快,则摩阻力增加,沉桩困难.压桩力与桩尖持力层强度等因素有关.压桩阻力曲线上反映桩尖土阻力的变化规律,随着时间的推移,桩周土中孔隙水压力消散,摩阻力逐渐恢复和提高,从而使桩获得较大的承载力.

1 3终止压桩条件

静力压桩时的终压力稳定标准,同现场静载荷试验时的每级加荷的稳定标准差别较大,按《建筑桩技术规范》(JGJ94-94附录C)规定的“在每级荷载作用下每小时沉降不超过0 1mm,并连续出现两次,认为已达到相对稳定,可加下一级荷载”.稳定标准作为静压桩的终压控制条件,从施工工期、机械耐久性等方面考虑是不现实的,但终压一达到设计要求(或最大时)就立即终止压桩,对较长的摩擦桩,一般是可以达到承载力要求的.对于桩端承载力占设计承载力相当分量的短桩来说,就可能出现承载力达不到设计要求的问题.因此,对短桩应进行3~5次满载复压,或满载压5min后终止压桩.

2静压桩承载力计算

静压桩承载力计算与打入式预制桩计算方法基本相同,只有桩端阻力计算方法与打入式预制桩有些区别,但可以通过两个影响系数进行调整.静压桩单桩竖向极限承载力标准值经验公式〔1〕如下:

Quk=u∑qsikLi+αβqpkAp

式中:Quk———单桩竖向极限承载力标准值;

u———桩身周长,m;

qsik———桩侧第i层土的极限侧阻力标准值,kPa;

Li———桩穿越第i层土的厚度,m;

qpk———极限端阻力标准值,kPa;

Ap———桩端面积,m2;

d———桩截面边长;

α———桩截面影响系数;

β———桩长和复压次数影响系数.

桩的截面影响系数与截面边长有关,当桩的截面边长越大,桩的截面影响系数就越小,当d=300mm,α=1 1,桩截面边长每增加50mm,桩的截面影响系数降低0 05.满载时复压5次,β=1 1,以后复压每减少1次,β减少0 05;当不复压时β=0 7.3

静压桩的应用

1概述

20世纪50年代初,我国沿海地区开始采用静力压桩法,交通部三航局在上海使用压桩船通过钢丝绳加压沉桩;20世纪70年代初,上海基础公司制成使用蒸汽锅炉和蒸汽卷扬机为动力的顶部加压700kN滚管式静压桩机,其后改进为电力驱动的步履式静压桩机;同期长沙建筑机械研究所研制出3200kN液压式静力压拔桩机,用于北京地铁工程;1975年我国才开始有压桩机的专业生产厂,武汉建筑工程机械厂生产800kN箍压式液压静力压桩机;此后伴随着专业生产和基础公司自制的静力压桩机品种和数量增多,技术进步(如配套安装能记录压桩时的贯入阻力值的微机处理系统、改革夹持机构以及整机造型的创新等),静压沉桩法在我国软土地区多层建筑和高层建筑中较为广泛地得到应用,并取得了长足的进步,压桩机的设计压力已达6000~7000kN,静压法沉桩施工的钢筋混凝土预制桩的桩长已超过65m。20世纪80年代出现的锚杆静压桩[1][2]是锚杆和静力压桩两项技术结合而形成的一种桩基施工新工艺,是一项地基加固处理新技术,在全国各地得到广泛应用。20世纪90年代,中山、江阴、无锡和张家港等地区百余幢多层建筑采用静压钢筋混凝土预制小桩,获得较显著的技术经济效益。压桩机压入力为350~600kN,预制小桩截面为200mm×200mm~300mm×300mm,每节长度1~3m。

2静压法沉桩机理

静压预制桩主要应用于软土地基。在桩压入过程中,以桩机本身的重量(包括配重)作为反作用力,克服压桩过程中的桩侧摩阻力和桩端阻力。当预制桩在竖向静压力作用下沉入土中时,桩周土体发生急速而激烈的挤压,土中孔隙水压力急剧上升,土的抗剪强度大大降低,桩身很容易下沉。

3静压桩优缺点

(1)优点①无噪声、无振动;②静压沉桩可免去锤垫、桩垫等缓冲材料,无冲击力,施工应力小,桩顶不易损坏,而且在施工过程中不会出现拉应力,因此与锤击式沉桩相比,在同等条件下,桩的断面可以减小,配筋率可以减少,混凝土强度等级也可降低;③沉桩精度较高,不易产生偏心沉桩;④静压桩与沉管灌注桩相比,成桩与沉桩质量均较有保证;⑤压桩力能自动记录或自动显示,可预估和验证单桩承载力;⑥施工速度快;⑦无泥浆排放,施工文明,场地整洁;

⑧施工桩长不受机械设备的限制;⑨送桩后桩身质量可靠;⑩可适应某些特殊地质条件(如岩溶地区、上软下硬或软硬突变的地层等)中施工; 工程费用经济。

(2)缺点①压桩设备(包括配重)较笨重;②要求边桩中心到已有建筑物的距离较

大;③压桩力受一定限制;④贯穿中间硬夹层困难;⑤存在挤土效应,当布桩密集

时会对邻近建(构)筑物和地下管线产生不良影响;⑥对场地的地耐力要求较高。

4适用范围

通常应用于高压缩性粘土层或砂性较轻的软粘土地层。当桩需贯穿有一定厚度的砂性土夹层时,必须根据桩机的压桩力与终压力及土层的性状、厚度、密度、组合变化特点与上下土层的力学指标,桩型、桩的构造、强度、桩截面规格大小与布桩形式,地下水位高低,以及终压前的稳压时间与稳压次数等综合考虑其适用性。压桩力大于4000kN的压桩机,可压穿5~6m厚的中密~密实砂层。中型压桩机(压桩力≤2400kN),穿越砂层的能力较有限。所以对其情况,需进行压桩可行性判断。静压桩也适宜于覆土层不厚的岩溶地区。在这些地区采用钻孔桩,很难钻进;采用冲孔桩,容易卡锤;采用打入式桩,容易打碎;只有采用静力压桩可慢慢压入,并能显示出压桩阻力。但在溶洞、溶沟发育的岩溶地区,静压桩宜慎用,在地层中有较多孤石、障碍物的地区,静压桩亦宜慎用。小型压桩机(压桩力≤600kN)用于压入预制小桩,适用于在10m以内存在硬土持力层(如硬塑粉质粘土层、粉土层及中密粉细砂层等),适用于10层以下的建筑桩基础。

5压桩施工注意事项

(1)压桩施工前应对现场的土层地质情况了解清楚,做到心中有数;同时应做好设备

的检查工作,保证使用可靠,以免中途间断压桩。

(2)压桩过程中,应随时注意使桩保持轴心受压,若有偏移,要及时调整。

(3)接桩时应保证上、下节桩的轴线一致,并尽可能地缩短接桩时间

(4)量测压力等仪表应注意保养、及时检修和定期标定,以减少量测误差。

(5)压桩机行驶道路的地基应有足够的承载力,必要时需作处理。

静压桩施工中的若干技术问题

静压法沉桩是借助压桩机自重和桩架上的配重将桩压入土中的一种沉桩工艺。它具有无振动、无污染、速度快、工期短、造价低和施工文明化程度高、能较完好保护桩头的优点。但在几个电力工程应用中亦发现静压桩设计与施工中存在对终压值的认识不清、施工中会产生挤土效应、质量不易控制等问题。

1静压桩终压标准及控制

静压桩的终压值Q是静压桩施工时确定停压的标准,它与静压桩的单桩承载力标准值Rk是两个完全不同的概念,但Q与Rk之间存在某种比例关系。这种比例关系目前还没有完全被揭示,它因桩长的不同、桩侧及桩端土质的不同而有所变化,总结各地经验,终压值Q可按以下原则进行初步确定:

(1)对于端承桩,Q=(2 0-3 0)Rk。

(2)对于摩擦桩,主要控制桩顶标高,Q=(1 2-1 5)Rk。

(3)对于以摩擦、端承载的桩,桩长小于20m时,Q=(1 8-3 0)Rk,桩长大于20m时,

Q=(1 3-2 2)Rk。

施工中所确定的终压值Q,应由试桩确定。根据单桩竖向承载力标准值Rk,结合初选的终压值选定施工机具,并使施工机具的最大压桩力有一定程度的富裕,进行试桩。如果试桩时的终压值与初选的Q比较接近,说明Q的选取是合适的,否则要进行调整。终压值Q最终由设计、施工、监理、建设单位等部门共同确定。施工中,终压值Q的确定是一个重要的环节,定的过低,选择压桩机能力较小,会发生沉桩阻力过大,造成滞桩不能压入而需截桩的工程事故;Q定的过高,会产生机具选的过大,工程成本上升,造成浪费的现象。

2基桩上浮与地面隆起的处理

静压桩属于挤土桩,施工过程中会产生挤土效应,当土体本身较易压密时,隆起量较少,对桩的影响不大。但当土为饱和性软土且桩较密时,后压的桩会导致先压的桩被抬上浮的现象,严重的会产生桩被拉断的事故;在邻近建筑物或管线旁进行施工时,如施工措施不当,会产生建筑物开裂或管线被拉断的事故。因此,必须采取有关防护措施,减少沉桩过程中的挤土效应和加速超静孔隙水压力的消散,减少土体降起的影响。在前述变电站静压桩施工过程中,周围居民曾反映听见家中窗玻璃的轻微响声,但由于提前制定了相关措施,没有产生大的影响。其处理措施如下:

(1)在场地上设置若干控制点,用水准仪记录每控制点的标高和每桩终压时的桩顶

标高,以便施工过程中定期复测,监控土体隆起和基桩上浮情况;

(2)合理安排施工顺序,先中间后四周对称施工,先长桩后短桩以减少影响;

(3)在建筑物或管线旁设置防挤沟,减少浅层土体的位移和隆起对既有建筑物或管

线的影响

(4)在场地内设置应力释放孔,使施工中土体内产生的有效应力和超静孔隙水压力

能较快的消散;

(5)抽土引孔压桩能较有效解决基桩上浮问题,同时可作为滞桩时的辅助沉桩措施,

此法是利用钻机在桩位上钻比桩径小50~100mm的孔,抽取孔内土体,以减少

桩间土体的压缩,引孔深度一般在1/2~1/3桩长,保证桩侧摩阻和端阻不受引孔

的影响。本工程考虑施工成本的问题,没有采用此种方法。

3桩基施工质量控制

3.1桩身垂直度控制沉桩施工过程中,应随时注意保持桩处于轴心受压状态,如有偏移

应及时调整,以免发生桩顶破碎和断桩的质量事故。

3.2接桩方法接桩施工中,应保持上、下节桩的轴线一致,尽可能缩短接桩时间。采用焊接时,应两人同时对角对称地进行,焊缝应符合有关规定,桩端处间隙应填实,以防节点变形不均而引起桩身歪斜。3 3桩基质量检查桩身质量采用低应变动测方法检查,具有良好的效果。基桩竖向承载力的检测采用慢速维持荷载的静载荷试验方法较好。要求压桩机施工结束后不要立即撤离现场,必须待桩基承载力测试结束没有问题后再离场。因为压桩机具留在现场,可为载荷试验提供反力,用此方法较其他方法速度快,结果亦较准确,同时当发现问题后,还可以及时利用压桩机进行复压或补桩处理。

4结语

静压桩因有诸多优点,应用越来越广泛,但静压桩目前尚无专门的技术标准,设计与施工中的许多问题有待于通过理论研究和工程实践逐渐加以解决。因此,静压桩施工中必须认真做好施工组织设计,考虑施工中的每一具体环节,设计、施工、监理、检测各方应协调一致,遇到问题及时分析原因,制定对策,保证工程圆满完成,并通过工程为静压桩的发展积累更多的经验。