管樁的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀分析論文

　　摘要：管樁作為一種新樁型以其施工方便、承載力高、質(zhì)量可靠、較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點越來越得到廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)管樁的承載力特性和受力狀況，分析了影響管樁承載力的因素以及提高管樁承載力的方法，并基于對施工中常見問題的探討，提出有效的防治措施。

　　關(guān)鍵詞：管樁；承載力；施工；質(zhì)量控制

　　1 前言

　　管樁作為一種地基處理及樁基礎(chǔ)形式從上個世紀(jì)初產(chǎn)生到現(xiàn)在已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，在各種建筑基礎(chǔ)中得到廣泛地應(yīng)用，并發(fā)揮著巨大的作用。從國外管樁的發(fā)展來看，從1920年澳大利亞發(fā)明了離心法制作混凝土制品、1925年日本引進(jìn)這種技術(shù)用于鋼筋混凝土管樁，在1962年開發(fā)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PC管樁)，到現(xiàn)在已有八九十年的歷史，目前管樁已朝著全面取代傳統(tǒng)實心樁方向發(fā)展。我國是1944年開始生產(chǎn)混凝土離心(RC)管樁，到SO年代末期研究成功預(yù)應(yīng)力抽筋管樁，即采用后張法對樁身混凝土施加預(yù)應(yīng)力。近15年，我國生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁無論從產(chǎn)品性能和產(chǎn)量上都達(dá)到了世界前列，呈現(xiàn)出布局面廣，產(chǎn)品品種、規(guī)格齊全，生產(chǎn)技術(shù)成熟，配套應(yīng)用技術(shù)日趨完善等特點。據(jù)資料反映，2004年福建省實際利用預(yù)制高強(qiáng)混凝土管樁就達(dá)2500萬米。為了更合理利用管樁這一技術(shù)、有效地推廣使用管樁，對管樁進(jìn)行研究是極為必要的。

　　管樁的種類分為：鋼管樁、預(yù)制混凝土管樁及鋼管混凝土管樁。鋼管樁及鋼管混凝土管樁具有高強(qiáng)度、抗沖擊疲勞性能好、貫入能力強(qiáng)、便于割接、質(zhì)量可靠、運輸方便、沉樁速度快及擠土影響小等優(yōu)點，但造價高，約為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的3－10倍。因此，一般只在必須穿越砂層或其它樁型無法施工和質(zhì)量難以保證、或工期緊迫等情況下使用，或者是一些重要的特種工程的基礎(chǔ)上，如海上鉆井平臺，港口平臺等工程中使用。預(yù)制混凝土管樁之所以得到迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，主要是由于具有以下優(yōu)點：

　　(a)施工工期短，施工方便、不受季節(jié)限制，工業(yè)化生產(chǎn)：

　　(b)對施工場地?zé)o污染，若采用靜壓式施工更無噪音，符合綠色環(huán)保施工要求；

　　(c)經(jīng)濟(jì)效益可觀，同樣的地基處理效果(豎向承載力及水平承載力)所使用的混凝土比實心樁節(jié)省30％－60％且抗腐蝕能力強(qiáng)，工作性能同鋼管樁基本相似。

　　(d)對持力層起伏變化較大的地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，一般情況下，軟土、粘性土、粉土、砂土及全風(fēng)化巖體等地層條件均可采用。因此像高層建筑、碼頭工程、橋梁工程、高速公路、鐵道工程等除必須采用鋼管樁的特殊基礎(chǔ)外，在工程中鋼管樁已大部分被預(yù)制混凝土管樁所代替�，F(xiàn)在我國預(yù)制混凝土管樁使用量已經(jīng)相當(dāng)可觀。

　　2 管樁的承載特性及承載力分析

　　2．1 管樁的承載特性

　　管樁的底樁端部的樁尖(靴)形式主要有十字型、圓錐型和開口型。前兩種屬于封口型。采用封口型樁尖的管樁其承載力主要由樁周的側(cè)摩阻力及樁端的端阻力組成；采用開口型樁靴的管樁則在沉樁過程中樁身下部1/3－1/2樁長的內(nèi)腔被土體充塞，擠土效應(yīng)較弱(與沉管樁、靜壓實心混凝土樁比)，對周圍建筑物及環(huán)境影響小，具有較高的環(huán)保性能。但是內(nèi)腔土塞卻為管樁提供了內(nèi)側(cè)摩阻力，使得管樁的承載力的組成變得更為復(fù)雜。影響管樁承載特性的因素很多，比如樁側(cè)土性、樁端土性、樁徑、開口管樁的壁厚、人土深度、施工順序等。預(yù)制混凝土管樁通常只具備開口樁的功效。

　　2．2 管樁的受力分析

　　2．2．1 管樁的豎向承載性狀和單樁極限承載力 確定管樁豎向承載力的方法很多，最可靠的方法是靜力載荷試驗法，目前比較常用的公式有兩類：一是以土的物理力學(xué)指標(biāo)和大量的試樁資料為依據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析建立樁側(cè)和樁端阻力與土類指標(biāo)之間的關(guān)系；另一類是以土的力學(xué)性能指標(biāo)如土的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為依據(jù)，我國、歐洲及美國API－RP2A的地基基礎(chǔ)規(guī)范均采用第一類公式。其表達(dá)式為

　　由于各地地質(zhì)條件不同，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，樁的類型又多，沉樁工藝也多種多樣，很難用單一形式的公式來反映工程實際。

　　從文獻(xiàn)進(jìn)行的破壞荷載試驗得知，當(dāng)樁頂豎向受壓時，樁身上部首先產(chǎn)生垂直應(yīng)力和彈性變形，并向樁身下部傳遞，自上而下逐步建立摩阻力，樁身處于彈性壓縮階段。當(dāng)荷載較小時，變形量較小，樁基基本沒有發(fā)生位移，樁端阻力為零。隨荷載增加，當(dāng)垂直應(yīng)力傳遞到樁端時，樁端土逐步壓縮，樁土相對變形加大，樁側(cè)摩阻力進(jìn)～步發(fā)揮。在加荷載最后階段，隨著樁端阻力的不斷增加，樁頂部位側(cè)阻力首先達(dá)到極限(摩阻力趨于定值)，并向下逐步擴(kuò)大極限阻力的分布范圍，在此過程中相對于荷載增量，作為抗力的摩阻力增量所占比例愈來愈小，而樁端阻力增量所占的比例則愈來愈大。最終導(dǎo)致樁端土出現(xiàn)塑性區(qū)并迅速擴(kuò)展。樁因急劇下沉而失效，樁端土的刺入破壞先于樁身強(qiáng)度破壞。此時樁所承受的荷載就是樁的極限承載力。

　　2．2．2 管樁的水平承載性狀和單樁極限承載力

　　隨著我國工程技術(shù)的迅速發(fā)展，大陸架淺海石油的勘探和開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步以及陸上高層建筑的發(fā)展，使得這些管樁不僅要承受巨大的豎向載荷，還要承受巨大的水平載荷。而樁在側(cè)向載荷作用分析是工程中非常重要但卻尚未圓滿解決的問題。文獻(xiàn)采用臥式千斤頂施加水平力試驗來測定單樁水平載荷，施加的水平荷載分級一般取預(yù)估水平極限荷載的1/10－1/15，每級荷載施加－后，恒載4min測樁的水平位移值，然后卸載至零，停2min測出樁的殘余水平位移值，至此完成一個加卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次便完成一級荷載的試驗觀測。多級加荷后，出現(xiàn)下列情況之一時可停止試驗：1)樁身折斷；2)水平位移超過40mm或達(dá)到設(shè)計要求的水平位移允許值。當(dāng)樁身應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度時的樁頂水平力使樁頂水平位移超過20－30mm，或樁側(cè)土體破壞的前一級水平荷載，即是單樁水平極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

　　2．2．3 影響管樁承載力的因素

　　2．2．3．1 偏斜

　　偏斜樁是指隨著樁周土的水平運動，樁與土之間產(chǎn)生的水平壓力導(dǎo)致樁身產(chǎn)生水平撓曲和彎矩，致使樁偏斜的被動樁。預(yù)應(yīng)力管樁偏斜后，其極限承載力要低于鉛直樁的極限承載力。偏斜預(yù)應(yīng)力管樁的承載力減少程度不僅與其偏斜的程度有關(guān)，且與其所處的土層性質(zhì)、入土樁長、樁與承臺布置等均有一定的關(guān)系。

　　當(dāng)遇到超過偏斜限量值的樁時，無論其是否發(fā)生裂縫，均應(yīng)進(jìn)行糾偏扶正處理，將其傾斜度控制在允許的范圍內(nèi)。較淺的(一般2－3m)可以將樁傾斜反向土方挖除后扶正；較深的可以用鉆孔取土、高壓水沖取土等方式將樁傾斜反向一側(cè)土取出后扶正。然后對糾偏扶正的樁進(jìn)行檢測，看其是否在糾偏施工中發(fā)生異常情況，如無異�？蛇M(jìn)行下步施工。

　　2．2．3．2 裂縫

　　淺部裂縫——一般裂縫位置多發(fā)生在深度4－6m，也有的在3m以內(nèi)，出現(xiàn)這種 情況多數(shù)是樁裂縫部位的下部有相對比較堅硬的土層。深部裂縫一裂縫位置發(fā)生在8－10m，出現(xiàn)此種情況多是地基土上部軟土層較厚。裂縫的存在勢必影響到樁基豎向永久性受荷特性，為確保樁基工程的安全使用，需對樁基進(jìn)行加固處理。如接樁、補(bǔ)樁，一定情況下還需經(jīng)計算確定。

　　2．2．3．3 偏心載

　　豎向荷載的偏心是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁產(chǎn)生彎曲荷載的重要原因，荷載的偏心也勢必影響樁的豎向承載力。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)常采用柱下多樁承臺，嚴(yán)格地講，承臺下大多數(shù)樁都處于偏心承載狀態(tài)，對于偏心承載樁如何對樁的承載能力做出正確的評估，樁在正常使用極限狀態(tài)下所能承受的偏心距臨界值是多少，豎向荷載偏心距與樁的承載能力有何關(guān)系，這是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)設(shè)計要特別考慮的問題。

　　文獻(xiàn)根據(jù)材料力學(xué)原理和現(xiàn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，提出預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在偏心荷載(或在樁頂水平位移)作用下內(nèi)力與位移的計算方法，包括純彎狀態(tài)下樁身抗裂彎矩臨界值；在軸心力和彎矩共同作用下樁身抗裂彎矩的極限值；樁頂允許承載力與豎向力偏心距(或樁頂水平位移)之間的相互關(guān)系式等。

　　3 管樁設(shè)計施工中的問題及質(zhì)量控制

　　3．1 擠土效應(yīng)

　　在沉樁過程中，土體向四周排擠，使周圍的土受到嚴(yán)重的擾動，主要表現(xiàn)為徑向位移，樁尖和樁周一定范圍內(nèi)的土體受到不排水剪切以及很大的水平擠壓，產(chǎn)生較大的剪切變形，形成具有很高孔隙水壓力的擾動重塑區(qū)，降低了土的不排水抗剪強(qiáng)度，促使樁周鄰近土體會因不排水剪切而破壞，由于群樁施工中的迭加作用，會使已打入樁和鄰近管線產(chǎn)生較大側(cè)向位移和上浮。樁群越密越大，土的位移也越大。

　　施工遇到擠土效應(yīng)采取的防治措施是：

　　①合理安排沉樁順序、控制每日打樁的數(shù)量，減少孔隙水壓力的迭加：

　　②采用先開挖基坑后沉樁的施工工序，可減少地基淺層軟土的側(cè)向位移和隆起，有利于降低沉樁所引起的超靜孔隙水壓力，從而減少地基深層土體變位。

　�、墼趫龅卦O(shè)置袋裝砂井或塑料排水板，創(chuàng)造排水條件以降低孔隙水壓力。

　�、茴A(yù)鉆孔輔助沉樁。

　　3．2 浮樁

　　浮樁現(xiàn)象是靜壓管樁擠土效應(yīng)的一種表現(xiàn)形式。該問題表現(xiàn)得很隱蔽，并且往往是等到壓樁工程完工后做靜載檢測時才發(fā)現(xiàn)，而此時樁機(jī)可能已退場。此時再來處理就非常被動。比較好的處理措施是：提前選取有代表性的樁進(jìn)行測量監(jiān)控，在樁施工結(jié)束后應(yīng)立即用水準(zhǔn)儀測量記錄其樁頂標(biāo)高，并在整個施工過程中定期復(fù)測，通過比較來檢查樁身是否有上浮現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)有上浮現(xiàn)象，則需采取前面提過的控制壓樁速率、重新調(diào)整壓樁路線或鉆孔取土等措施，減少擠土效應(yīng)進(jìn)而控制樁身上浮現(xiàn)象。如果采取上述措施后仍不能解決樁身上浮現(xiàn)象，則可采用復(fù)壓的補(bǔ)救方法進(jìn)行處理。

　　3．3 沉樁達(dá)不到設(shè)計要求

　　沉樁達(dá)不到設(shè)計的最終控制要求主要原因是：

　�、倏碧近c不夠或勘探資料粗糙，對工程地質(zhì)情況不明，尤其是對持力層起伏標(biāo)高不明，導(dǎo)致設(shè)計考慮持力層或選擇樁長有誤。

　�、谠O(shè)計持力層選擇不當(dāng)，預(yù)應(yīng)力管樁持力層宜選擇強(qiáng)風(fēng)化層，以達(dá)到較高承載力。但當(dāng)強(qiáng)風(fēng)化層埋深較深時，考慮到樁長限制，不得已選擇全風(fēng)化層作持力層時，承載力將受較大影響，特別是全風(fēng)化層有遇水易軟化特點，地下水可能通過樁管內(nèi)從樁尖滲入，大大降低樁端承載力。

　　③設(shè)計對單樁承載力預(yù)估不準(zhǔn)，導(dǎo)致實際樁長與壓樁力不匹配。

　�、軜渡頂嗔阎率共荒芾^續(xù)施壓。

　　防治措施為首先詳細(xì)探明工程地址地質(zhì)情況，必要時應(yīng)作補(bǔ)勘，正確選擇持力層或標(biāo)高；施工采用合適噸位樁機(jī)；根據(jù)工程地質(zhì)條件，合理選擇樁的施工方法及打樁順序，避免斷樁，確保樁身質(zhì)量�？茖W(xué)設(shè)計，通過試樁確定合理終壓標(biāo)準(zhǔn)。

　　3．4 斷樁

　　斷樁是預(yù)制混凝土管樁施工中常常遇到的問題，其產(chǎn)生的主要原因主要有：

　�、偈褂昧藦S家生產(chǎn)的未經(jīng)檢驗的不合格的樁；

　�、跇都馀龅降叵抡系K物管樁被蹩斷：

　　③管樁施工中垂直度沒有控制好；

　　④管樁由軟弱土層突然進(jìn)入硬土層，樁機(jī)壓力迅速升高，樁身受到瞬間沖擊力而引起；

　�、莼�坑施工中，由于軟土推擠隆起，基坑壁側(cè)向移動造成斷樁。

　　施工中若發(fā)現(xiàn)有斷樁，就要采取補(bǔ)強(qiáng)加固方案處理。對預(yù)應(yīng)力管樁淺層斷樁可采用接樁。對深層斷樁的接樁(包括部分錯位樁糾偏后接頭)要抽干樁內(nèi)積水，確認(rèn)樁的傾斜在允許范圍內(nèi)，放人鋼筋籠，鋼筋籠應(yīng)伸到斷樁下3m，用高等級混凝土灌注。接樁后要進(jìn)行承載力檢測。當(dāng)斷樁處錯位，無法復(fù)原時，應(yīng)重新補(bǔ)樁。對工程事故應(yīng)分析問題的原因、補(bǔ)樁的可能性和對已施工樁的影響，考慮其它可利用條件以及經(jīng)濟(jì)和工期等要求。

　　4 結(jié)語

　　管樁作為一種新樁型以其樁身質(zhì)量可靠、承載力高、施工速度快、現(xiàn)場整潔、較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點越來越得到廣泛的應(yīng)用。但由于管樁的應(yīng)用時間不長，在研究和應(yīng)用等方面都還存在著不少亟待解決的問題。而工程實踐的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論研究水平，使得管樁的應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。本文總結(jié)了管樁的承載力特性和受力分析、影響管樁承載力的因素以及提高管樁承載力的方法、施工中常見問題以及防治措施。但文中所涉及到的諸多問題目前都還沒有得到圓滿的解決，因此還需要通過大量的科學(xué)研究和工程實踐來做進(jìn)一步探討。

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