PHC桩挤土效应对饱和粉砂层液化消除的研究

高言言

(中铁十四局集团第一工程发展有限公司,山东 日照 276800)

0 引言

PHC桩是建筑工程中常用的桩型,但面对饱和粉砂层广泛分布的海滨、湖岸、冲积平原等地区,给建筑工程桩基方案的设计和施工带来了很大困难。一方面要考虑PHC桩穿透粉砂层困难的问题;另一方面要考虑粉砂层的液化的性质,不可作为桩端持力层的问题。因此考虑PHC桩挤土效应对粉砂层液化的消除作用具有重要意义。

根据GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震设计规范[1]4.4.3,当采用挤土桩时,平均桩距为2.5倍～4倍桩径且桩数不少于5行5列时,可计入打桩对土的加密作用及桩身对液化土变形限制的有利影响。PHC桩为挤土桩,可以考虑对液化粉砂层挤密改善具有有利影响。何铁伟等[2]研究了天津滨海吹填场项目PHC桩对液化土的改善效果;周汉斌[3]研究了豫东某大型电厂项目PHC桩对场地液化土的改善效果;王泽明等[4]研究了地下式污水厂项目中PHC桩挤土消除液化;杨庆义[5]以山东某电厂项目为例研究了PHC管桩对桩间土地层液化影响。鉴于当前对房建项目中PHC桩挤土效应对粉砂层液化消除作用的研究较少,现以沧州津水名苑小区项目桩基础的设计和施工为例,研究PHC桩挤土效应对饱和粉砂层液化消除在规范及应用层面的可行性、经济性。

1 工程实例

1.1 工程概况

沧州津水名苑小区项目为设计施工总承包项目,共包含7栋住宅楼,一层地下室。地基基础形式采用桩筏基础,地基基础设计等级为乙级,桩基设计等级为乙级,抗震等级为三级。现以3号楼为例,对PHC桩挤土效应对土层液化[6]消除做研究分析。

3号楼位于场地西南部,占地面积1 223.56 m2,地下1层,地下室埋深约5.5 m(相对于原地面),地上17层,建筑高度51.2 m。

1.1.1 地质条件

场地地形平坦,地处华北平原东部,地貌单元为冲积平原。勘测点绝对高程为7.30 m～7.85 m(±0绝对高程为8.8 m)。根据平面图,结合场地地质特征及拟建建筑物的结构特点,按建筑物角点及边线、中间补充进行布设勘探点。在3号楼上共布置8个勘探点,勘探点位置见图1。

经勘探得出3号楼土层分布基本均匀,场地内由东向西依次变厚地分布着饱和粉砂层,西侧粉砂层埋深位于地下14.8 m～16.5 m处,厚度9 m～16 m。土层基本特征见表1。代表性地质剖面见图2。

表1 3号楼代表土层基本特征

1.1.2 地震液化情况

津水名苑小区项目所在位置,根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范2016年版、GB 18306—2015中国地震动参数区划图[7]及《河北省沧州高新技术产业开发区区域性地震安全性评价简本报告》(2022年5月16日),综合考虑:场地抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15g,基本地震动峰值加速度值为0.172g,设计地震分组为第二组,场地类别按Ⅲ类考虑时设计特征周期为0.55 s。对场地20 m以内饱和粉砂进行液化判别,地下水位深度按近期内年最高水位0.5 m计算,判定地基第5层饱和粉砂层液化,钻孔液化指数为0.01～2.25,液化等级为轻微。

1.2 原桩基方案

原桩基方案不考虑PHC桩挤土效应对饱和粉砂层液化的消除作用,基础采用预应力管桩(PHC AB-500-125)+筏板基础(筏板厚度0.6 m～0.8 m),其中管桩间距按3.5D取值,且为墙下布置形式。根据JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[8]3.4.6“桩进入液化土层以下稳定土层的长度(不包括桩尖部分)应按计算确定;对于碎石土,砾、粗、中砂,密实粉土,坚硬黏性土尚不应小于2倍～3倍桩身直径,对其他非岩石土尚不宜小于4倍～5倍桩身直径。”的要求,设计桩长穿透第⑤粉砂层,有效桩长30 m,桩端进入粉质黏土[9]或粉土层1 m。根据现场试桩静载试验和地勘参数综合确定单桩承载力特征值1 350 kN,设计总桩数223根。

1.3 原桩基方案实际施工情况

因沧州市外环以内对噪声的控制,不允许采用锤击的方式沉桩,现场采用静压的方式沉桩。经现场实际施工发现静压力达5 000 kN左右桩基仍只能进入粉砂层5 m左右,一般PHC桩的桩身竖向承载力设计值为3 700 kN左右。经现场实际施工发现,桩基穿透粉砂层困难,施工难以达到设计桩长,需采用预钻孔方式沉桩或改变桩基方案,考虑通过PHC桩的挤土效应消除饱和粉砂层的液化的作用。

2 PHC桩消除粉砂层轻微液化的原理及依据

2.1 PHC桩消除粉砂层轻微液化的原理

所谓砂土液化现象是指饱和砂土受到震动时其趋于紧密的作用导致孔隙水压力的急剧上升,而在地震过程的短暂时间内,急剧上升的孔隙水压力来不及消散,使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力(有效压力)减小甚至完全消失,砂层完全丧失抗剪强度和承载能力,变得像液体状态的现象。所以影响砂土液化的主要原因包含内因和外因两个方面。内因主要是地下水丰富且密实度低、渗透性差。外因主要是砂土受到震动作用。因此消除粉砂层液化只能从改变砂土的内在性质考虑。

PHC桩[10]消除饱和粉砂层的液化主要是通过挤密效应、振密效应、桩身侧限效应三个途径,因本项目只能采取静压的方式沉桩,所以暂不考虑振密效应。

1)挤密效应:打入式预制桩打入土层之后,将桩基位置土体向四周挤出,通过挤土效应,改变了周边原土体结构,使孔隙比减小,密实度增加,增加土体抗液化能力。

2)桩身侧限效应:饱和粉砂层的液化区是在受震动时逐步扩散的。PHC桩沉入之后,由于桩身的侧限作用,能够有效抑制液化区扩散速度,降低砂土液化扩散程度。

2.2 考虑PHC桩消除粉砂层液化的桩基方案及估算

根据专家论证意见及现场沉桩[11]实际情况,计划改变原桩基方案,考虑利用PHC桩的挤土效应消除饱和粉砂层的轻微液化。根据勘察报告结果显示,桩端持力层统一取2.5 m的砂层,即可满足承载力要求。桩基仍采用PHC-AB 500(125)管桩,有效桩长改为15 m,布桩形式改为筏板满布,根据现场试桩静载试验和地勘参数综合确定单桩承载力特征值1 100 kN,3号楼总桩数307根,桩间距为1.8 m,筏板改为80 cm等厚筏板。

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范2016年版4.3.4“当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时,应采用标准贯入试验判别法判别地面下20 m范围内土的液化”,以具有代表性的XZ27号钻孔为例对粉砂层消除液化进行估算,采用正方形布桩,根据JGJ 79—2012建筑地基处理规范[12]中一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径(m)的规定进行面积置换率计算。现选取标贯深度18.3 m处,临界标贯击数Ncr为23.50,实际标贯击数为20,PHC桩沉入后标贯击数暂按GB 50011—2010建筑抗震设计规范2016年版4.4.3进行估算,桩基施工完成后再进行消除液化试验验证(见式(1)—式(4)):

de=1.13s=2.034

(1)

(2)

N1=Np+100ρ(1-e-0.3Np)=26.03

(3)

N1>Ncr=23.50

(4)

其中,s为桩间距,m,本方案为1.8 m;d为桩径,m,本方案为0.5 m;de为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径,m,桩孔按正方形布置de=1.13s;ρ为打入式预制桩的面积置换率;N1为打桩后的标准贯入锤击数,击;Np为打桩前的标准贯入锤击数,击;Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值,击。

估算证明,基本可以消除液化。

3 沉桩完成后对土层液化情况进行检测

3.1 勘探试验点布设

桩基施工完成后对饱和粉砂层的液化判别仍采用标准贯入试验法。共设置6个勘探试验点,分别位于楼的4个角和前后两个长边中点尽量接近原钻孔的位置。勘探点类型为取土标贯试验孔,勘探深度21 m。钻孔位置见图3。

3.2 饱和粉砂层液化判别结果

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范2016年版4.3.4,在地面下20 m深度范围内,液化判别标准贯入锤击数临界值可按式(5)计算:

当N

(5)

其中,Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值;N0为液化判别标准贯入锤击数基准值,对于本工程所在区域设计基本地震加速度0.15g,取N0=10;ds为饱和土标准贯入点深度,m;dw为地下水位,m;ρc为黏粒含量百分率,当小于3或为砂土时,应采用3;β为调整系数,本工程设计第二组取0.95。

第⑤层粉砂层液化判别结果见表2。

经PHC桩施工完成后标准贯入试验检测发现,第⑤层粉砂层液化已全部消除。

3.3 PHC桩施工前后标准贯入试验指标分析对比

根据桩基施工前后的标准贯入试验的测试结果,对挤密前后的标准贯入试验击数进行对比,结果如表3所示,从对比结果可以看出PHC桩施工后标贯击数提高显著。

表3数据表明,PHC桩施工前后土层受到明显挤密作用,对黏土和粉砂挤密后标准贯入试验击数提高13.33%～108.29%,相比之下对粉砂层的挤密作用更为明显,场地从原来的液化场地改变为了非液化场地。

4 两种桩基方案比较

4.1 经济性比较

原桩基方案需考虑饱和粉砂层轻微液化对桩侧摩阻的折减,单桩承载力特征值1 350 kN,桩长30 m。因饱和粉砂层较难穿透,打桩之前需要预钻孔,钻孔深度按压桩深度的2/3计算,压桩深度为送桩深度与有效桩长之和,送桩深度为5.5 m。筏板厚度加厚区域为80 cm,普通区域为60 cm。

表2 第⑤层粉砂层标贯法液化结果判别表

表3 沉桩前后标准贯入试验指标对比表

新桩基方案通过PHC桩挤土效应消除饱和粉砂层的液化,以饱和粉砂层作为桩端持力层,单桩承载力特征值1 100 kN,桩长15 m,因沉桩深度较浅,不需要预钻孔,筏板采用80 cm等厚筏板。

通过原桩基方案与新桩基方案投资对比发现,利用PHC桩挤土效应消除饱和粉砂层轻微液化后,从而桩长不考虑砂层液化影响的新桩基方案比原桩基方案可节省投资约78.88万元。详细经济投资对比见表4。

4.2 施工方面比较

原桩基方案压桩深度约35.5 m,桩基难以穿透饱和粉砂层,根据地勘及前期施工情况,每根桩都要进行预钻孔才能沉桩,预钻孔机械与压桩机械在现场交叉施工,不但影响施工效率,而且还造成安全隐患。其次桩长较长,现场施工较难达到设计沉桩深度,存在大量压桩不到位的情况,后期增加了大量额外的补桩、截桩施工任务。最后,部分桩基虽压至设计深度,但终压值太大,超过了桩基竖向承载力设计值,极有可能造成桩基损伤,甚至爆桩,对质量和安全带来隐患。新桩基方案利用PHC桩挤土效应消除粉砂层液化,以粉砂层作桩端持力层,压桩深度较浅,有效地解决了现场施工困难的问题,避免了预钻孔、补桩、截桩等额外的施工任务。另外因桩长较短,市场上能买到单根15 m长的PHC桩,避免了压桩过程的接桩工作,有效提高了施工效率。

表4 两种桩基方案经济投资对比表

5 结论

本文以沧州津水名苑小区项目3号楼的桩基设计和施工为例,结合是否考虑PHC桩挤土效应消除粉砂层液化的两种桩基方案对比,并对PHC桩施工前后的粉砂层液化程度进行检测判别,得出主要结论如下:

1)PHC桩不仅能解决地基承载力的问题,利用其对土层的挤密效果及其对土体的侧限作用,能够改变土体的密实状态,消除饱和粉砂层的液化程度。

2)在类似存在较厚液化粉砂层的场地中,可以考虑PHC桩挤土效应消除粉砂层液化的作用,以粉砂层作为持力层,为总承包项目前期的桩基方案提供更多选择,同时给工程项目节省大量投资,并有效降低施工难度,提高施工效率。