中掘法在管桩施工中的应用及静载试验分析★

杨振仲

(厦门城市职业学院,福建 厦门 361008)

0 引言

随着我国基础设施建设的快速发展,预应力混凝土管桩(以下简称管桩)的应用领域不断扩大,在房屋建筑、市政、道路、桥梁、水利、码头等工程中得到了广泛应用。

管桩的沉桩施工方法多,根据设计要求、桩承载能力、桩基材料、桩基规格、周边环境、地质条件及其他施工条件[1],我们可选择锤击法、静压法、中掘法和植入法等不同的沉桩施工方法。

2008年颁布的行业标准《建筑桩基技术规范》只列入了锤击法和静压法,没有中掘法。虽然锤击法和静压法比较早用于管桩施工,但是这两种方法都存在一定的弊端。锤击法的挤土效应大,桩身易受损,对环境有振动、噪声、油烟污染等问题,它在城市中的应用受到一定的限制。而采用静压法时,亦存在明显的挤土效应,对周边环境有不利的影响,且压桩机比较重,要求场地预先处理,作业面具有较高的承载力。采用这两类方法的管桩直径较小,一般为300 mm～600 mm,承载力有限,且无法用于建(构)筑物或地下管线密集的区域。

中掘法起源于20世纪80年代的日本,经过多年的持续改进,技术上已经比较成熟。到20世纪末,日本近70%的管桩施工采用中掘法[2]。21世纪初,国内沈保汉[3]和侯宝隆[4]等介绍了中掘法。2012年,建华管桩集团(现为建华建材投资有限公司,简称建华建材集团)从日本引进了中掘扩底法施工装备[5],并开始研究开发该工法。2017年,JGJ/T 406—2017预应力混凝土管桩技术标准列入了中掘法。

中掘法优点多,可以克服静压法和锤击法的弊端,因此中掘法值得推广。不过,作为较新的施工方法,很多人不了解中掘法,更不用说使用这种施工方法了。以下介绍中掘法在管桩施工中的应用,并根据静载试验结果,分析其抗压承载能力。

1 适用范围

中掘法适用于桩端持力层为一般黏性土层、粉土层、砂土层、碎石类土层、强风化基岩和软质岩层的工程地质情况[6],特别适合直径800 mm及以上的管桩施工。

当沉桩施工遇到下列情况时,宜采用中掘法或植入法沉桩,并应通过现场沉桩工艺试验确定其适用性:

1)影响桩身质量、邻近建(构)筑物、地下管线的正常使用和安全时。

2)当遇到碎(卵)石土、密实的砂土、坚硬黏性土等硬土夹层,桩端难以达到设计标高时。

3)当遇到孤石、漂石、坚硬岩、较硬岩层或障碍物较多且不易清除时。

2 施工工艺

2.1 基本原理

中掘法的基本原理是在管桩中空部插入专用钻头,一边钻孔取土,一边将管桩沉入土(岩)中;为了提高桩端阻力,可采用桩端扩大头加固方式、桩端加固方式及最终击打方式;为了提高桩侧摩阻力,可采取边注浆边钻孔边沉桩,由浆液填充桩身与桩周土体的空隙。

2.2 施工流程

中掘法沉桩的工法很多,比如中掘扩底法(NAKS工法)、中掘高压喷射扩大头加固法(STJ工法),以下介绍中掘扩底法的施工流程。

1)钻土沉桩。当钻头进入持力层之前,从钻头中排出压缩空气,同时以小于桩外径的钻头直径钻挖桩端土体,使管桩下沉。

2)开启扩大翼。当钻头到达持力层附近时,启用防自沉装置,开启液压扩大翼进行钻挖,通过数据化显示确认扩大翼的开启状态。

3)修筑扩大球根。扩大翼钻挖时,注入高压水泥浆,通过扩大翼匀速搅拌,使水泥浆和持力层的砂砾充分拌合,修筑扩大球根后,开启防自沉装置,将管桩沉入扩大球根部的设计标高,使桩端和扩大球根融为一体。

4)提钻定位。沉桩结束,启动防自沉装置后,闭合液压扩大翼,随后反向旋转,且提起长螺旋,施工完毕。

2.3 优缺点

中掘法主要具有以下优缺点:

1)优点。a.挤土效应小。在沉桩过程中,在管桩中空部钻孔取土,减轻了挤土影响和压桩力。b.环保节能,施工现场噪声低,振动小,无排浆污染,无粉尘,成桩后无需敲桩头。c.可边施工,边看到施工数据,质量可控。d.可穿越碎(卵)石土、密实的砂土、坚硬黏性土等硬土夹层。e.管桩起到护筒作用,可在倾斜土层和易坍塌的土层中施工。

2)缺点。a.当施工大深度桩时,不仅需要连接管桩,而且需要接长螺旋钻杆,施工比较麻烦。b.桩机比较大,场地狭窄难以施工。

3 静载试验

确定单桩竖向抗压极限承载力(简称极限承载力)的方法有很多,根据《建筑桩基技术规范》,以单桩竖向抗压静载试验(简称静载试验)为主要依据,进行综合判定[7]。本试验数据由建华建材集团提供。

3.1 工程概况

试验场地位于江苏省句容市建华建材集团所属厂区内。场地上层为粉质黏土,下层为砂性土,场地土层主要由①素填土、②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④粉土夹砂、⑤粉砂夹粉土、⑥粉细砂等组成,试桩以⑥层粉细砂作为桩端持力层。

各土层物理力学指标详见表1。

表1 各土层物理力学指标

3.2 试验概况

对5根试桩进行静载试验,试桩的桩型包括锤击法管桩、中掘不扩底法管桩、中掘扩底法管桩和钻孔灌注桩。其中,试桩S1—S4均为桩径800 mm、壁厚110 mm的PHC管桩,桩长均为15 m,混凝土强度等级为C80,试桩S5为同桩径同桩长的钻孔灌注桩,混凝土强度等级为C30。本试验采用堆载法,用慢速维持荷载法加载。各试桩桩号、桩型、桩长、桩径和混凝土强度等级详见表2。

表2 各试桩参数

4 抗压承载能力分析

4.1 荷载-沉降规律分析

桩顶荷载-沉降曲线(Q-s曲线)综合反映了桩-土体系的荷载传递、桩端阻力和桩侧摩阻力的发挥性状[8]。根据各试桩静载试验结果,绘制了各试桩Q-s曲线对比图,如图1所示。

对图1进行分析可得:

1)当桩顶荷载Q较小时,桩顶沉降量s亦较小。

2)随着桩顶载荷Q逐渐增大,各试桩Q-s曲线斜率不断增大,塑性变形亦逐渐增大。

3)Q-s曲线呈现缓变型。

4)当桩顶总沉降量s达到60 mm～80 mm,终止加载,取s=40 mm对应的荷载值为极限荷载和极限承载力[9],各试桩极限承载力如表3所示。

表3 各试桩极限承载力

4.2 极限承载力分析

由表3可知:

1)采用锤击法管桩S1的极限承载力最大。

2)中掘扩底法管桩S3和S4的极限承载力比锤击法管桩S1降低11.1%,但相较于同桩长桩径的钻孔灌注桩S5,中掘扩底法管桩的极限承载力有明显提高,提高率达33.3%。

3)对比中掘扩底法管桩S3,S4与不扩底桩S2,扩底桩比不扩底桩的极限承载力也有明显提高,提高率高达45.5%。

4.3 桩身轴力分析

在上述静载试验中,在桩身预埋件上焊接应力计,从而得到桩身混凝土应变和桩身轴力。在各级荷载作用下,各试桩桩身轴力沿桩身分布图详见图2—图5。

对图2—图5分析可得:

1)在各级荷载作用下,桩身轴力自上而下传递,随着桩身深度增加,桩身轴力变小。

2)当桩顶荷载较小时,桩身下部轴力较小,桩端阻力较小,桩侧摩阻力总和远远超过桩端阻力。

3)随着桩顶荷载增加,桩身轴力的传递曲线斜率逐渐增大,桩身下部轴力逐渐增大,桩端阻力逐渐发挥。

4)当加载至极限荷载时,试桩S1,S3和S4的桩端阻力分别为900 kN,1 055 kN,946 kN,占桩顶荷载的比值分别为33.3%,44.0%,39.4%,故这3根桩均为端承摩擦桩。虽然锤击法管桩的极限承载力是中掘扩底法管桩的1.13倍,但是其桩端承载力仅为中掘扩底法管桩S3的85.3%,这说明中掘扩底法管桩的桩端承载能力较高。

4.4 桩侧摩阻力发挥性状

在各级荷载作用下,各试桩桩侧摩阻力沿桩身分布图详见图6—图10。

对图6—图10分析可得:

1)当桩顶荷载较小时,桩身浅层土体侧摩阻力先发挥作用,深层土体侧摩阻力后发挥作用,说明桩侧摩阻力发挥具有从浅层土体向深层土体逐渐传递的特点。

2)随着桩顶荷载增大,深层土体侧摩阻力的增长幅度大于浅层土体,在桩顶荷载加到较高等级后,部分浅层土体达到极限侧摩阻力,而深层土体侧摩阻力则继续增大。

3)与锤击法管桩相比,中掘法管桩在各土层的极限侧摩阻力均明显降低,这表明中掘法降低了桩侧摩阻力,中掘法沉桩挤土效应小。

4)与中掘不扩底法管桩相比,中掘扩底法管桩侧摩阻力有较明显提高。其中,桩身上部侧摩阻力基本相当,而桩身下部侧摩阻力有较明显提高。这是由于扩底桩在桩端注浆形成扩大头,在注浆压力作用下,浆液会在桩端以上一定高度范围内沿着桩土间上渗,填充桩身与桩周边土体的空隙,并渗入桩周土体一定宽度范围,在桩周形成脉状结石体,如同树根植入土中,从而提高桩身下部侧摩阻力。

5 结论

基于静载试验,研究中掘法管桩的抗压承载能力,得到以下结论:

1)中掘法管桩Q-s曲线呈现缓变型,当桩顶总沉降量s达到60 mm～80 mm,终止加载,取s=40 mm对应的荷载值为极限荷载和极限承载力。

2)当桩长和桩径均相等时,中掘扩底法管桩的极限承载力约为锤击法管桩的90%,但是比钻孔灌注桩高30%左右,比中掘不扩底法管桩高45%左右。

3)虽然中掘扩底法管桩的极限承载力比锤击法管桩低,仅表现为桩侧摩阻力降低,但是桩端阻力有明显提高。

4)中掘法管桩桩身轴力自上而下传递,桩端阻力和桩侧摩阻力没有同步发挥。当桩顶荷载较小时,桩侧摩阻力总和远超桩端阻力,随着桩顶荷载增大,桩端阻力不断增大。

5)桩侧摩阻力发挥性状受到土体深度和桩顶荷载等影响。

6)中掘扩底法管桩竖向抗压承载能力高。当加载至极限荷载时,桩端阻力约占桩顶荷载的40%,管桩为端承摩擦桩,桩端承载能力较高,而较高的桩端阻力提高了桩身下部的桩侧摩阻力。

综上所述,中掘扩底法管桩竖向抗压承载能力高,具有较多优点,值得在工程应用中大力推广。