带桩节填砂预应力管桩在软土地基中的三重作用-邹宗煊1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,带桩节填砂预应力管桩在软土地基中的三重作用,温州长城基础工程有限公司 邹宗煊,一、摘要,二、新桩型的必然性,三、新桩型的结构、制作和施工,四、工程实例,五、静载荷对比试验,六、轴力测试,七、大幅度提高承载力的作用,八、改良桩周土促进软土脱水固化作用,九、防止地下水对钢筋混凝土的腐蚀作 用,一、提要 通过工程实例介绍带肋填砂管桩,(ZL20031227200.0),在软土中的三重作用，该桩桩尖扩大、桩身带肋、桩侧填砂，能提高单桩承载力,40-60%,，降低造价，打桩引起的孔隙水压力增高得到及时释放，促进软土脱水固化，克服管桩桩身上浮、偏位和断桩现象。在沿海盐碱地区，桩身喷涂改性沥青，能防止地下水腐蚀钢筋与混凝土。,二、新桩型的必然性,1.,随着大规模围海造地，大量沿海滩涂被数米厚吹砂或吹泥所复盖，巨厚的滩涂淤泥与吹上的泥含水量高达,80-110%,，虽经塑料插板或堆载或预压等初级地基处理，仅地表数米强度得以提高，数米以下高含水高灵敏度的淤泥，采用钻孔桩难成孔，或成孔后灌混凝土会形成,“,大肚子,”,，充盈系数成信增长，采用管桩则出现移位、上浮等质量问题目。竞其原因因淤泥中水排不出，要将高含水的淤泥中水快速排出，只有塑料板与砂，而经济实用的应该是砂。,2,.,在渤海湾等大片新建到围海滩涂或大片盐碱地中，地下水,SO42-,、,CO22-,、,HCO3,、,CL-,对钢筋与混凝土具有腐蚀性。如河北沧州华润渤海新区热电工程场地地下水,8,个水样品，经河北省水环境监测实验中心检测，在评价报告,(,编号,HSB2009WJW066),中称，该场区地下水,PH,值,5.70-6.93,，偏酸性，含,CL-142521.1-51052.3,，含,SO42-13038.4-6047.1,对混凝土结构是强腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋是弱腐蚀，对钢结构是中等腐蚀。由此设计了经济实用的带肋填砂管桩或带肋填砂预制桩,(ZL20112),。,三、新桩型的结构、,制作和施工,1.,桩的结构,1.1,桩尖扩大头：其直径等同肋，大于管桩桩径,10-12cm,，分开口型和闭口型；,1.2,带肋管桩（图,2,）：桩身直径,400-600mm,，肋间距,2m,，肋高,10-12cm,，肋外侧宽,10cm,，肋设排水孔；,1.3,桩周填砂：桩周填砂以干砂为佳，或砂砾、或细颗粒建筑垃圾，当桩尖扩大头或肋挤开土层，在桩周形成,10-12cm,宽的空腔时，砂靠自重连续充填，充盈系数在,90%,以上。,带肋管桩,带肋管桩,四,.,工程实例,4.1,概况：,该桩首次在温州大学行政信息中心的裙搂基础中使用，中心平面为,185m,长的弧形板式建筑，地面,12,层，地下一层，建面,2.8,万,M2,框剪结构，裙楼,2,层。裙楼桩基采用填砂管桩，桩径,一,400,，桩长,34m,。桩尖扩大头与肋直径为,600,，肋间距,2m,持力层为层圆砾层。,4.2,场地土层特征（下图）：,场地自上而下土层为：粘土层：可塑软塑状、高压缩性；淤泥层：流塑状、高压缩性；粘土层：中压缩性；圆砾层：中密状为主；粘土层：高压缩性；圆砾层：中密状为主，层厚,1.30,6.60m,；粘土层：高压缩性；砾砂层：稍密,中密状；粘土层：高压缩；粘土夹中细砂：中压缩性；粉质粘土：可塑状，中压缩,场地土层特征图,4.3,填砂管桩的设计,.,基本假定：,a),桩顶承受全部荷载，,b),桩和土的剪切面发生在填砂与土交界面的土的一侧，因此，桩侧阻力和桩端阻力估算以桩尖扩大头或肋直径为计算。,.,单桩竖向承载力特征值按下式估算：,Ra=,（,qpaAp+upqsiali,）,式中,Ra,单桩竖向承载力特征值；,qpa,、,qsi,端阻力、侧阻力特征值；,Ap,桩大头截面积；,up,桩肋直径计算的周长；,li,第,i,层土的厚度；,安全储备的折减系数，取,0.7,。,填砂管桩桩身强度还应满足桩的承载力设计要求：,QApfcc,式中,Q,相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值；,fc,混凝土轴心抗压强度设计值；,Ap,桩身横截面积；,c,工作条件系数，取,0.75,。,五、静载试验,为了了解填砂管桩受力机制与提高承载力的幅度，结合常规工程验桩分别在裙楼,A,、,B,、,C,三区各选一根填砂管桩，在主楼区选一根普通管桩共,4,根桩进行轴力测试和静载试验，编号为试桩,1,、,2,、,3,、,4,。根据单桩承载力特征值估算，填砂管桩比普通管桩承载力提高,40%,，试桩,1,、,2,、,3,极限承载力估算为,2000KN,，试桩,4,极限承载力为,1800KN,。,试桩曲线,S,（,mm,）,(a)Q-S,曲线,(b)S-,lgt,曲线,试桩,-1,静荷载试验曲线,S,（,mm,）,(a)Q-S,曲线,(b)S-,lgt,曲线,试桩,-2,静荷载试验曲线,(a)Q-S,曲线,(b)S-,lgt,曲线,试桩,-3,静荷载试验曲线,S,（,mm,）,(a)Q-S,曲线,(b)S-,lgt,曲线,试桩,-4,静荷载试验曲线,S,（,mm,）,温州大学行政信息中心与建工学院单桩极限承载力表,工程,名称,桩号,桩径,（,mm,）,桩长（,m,）,设计极限承载力（,KN,）,最大加载值（,KN,）,累计沉降量（,mm,）,残余沉降量（,mm,）,极限承载力（,KN,）,桩,型,行政信息中心,试桩,1,400,34,1330,2217.6,49.28*,26.50,2217,扩大头管桩,试桩,2,400,34,1330,2100.0,35.50*,23.80,2100,试桩,3,400,34,1330,2217.6,23.52,13.14,2217,试桩,4,500,34,1800,1801.8,50.47,27.16,1801,PTC500,（,70,）,建工学院办公楼,547#,500,36,1210,1210,37.77,25.94,1210,631#,500,36,1160,1160,23.22,15.06,1160,588#,500,36,1156,1156,27.94,19.84,1156,建工学院实验楼,338#,500,34,1309,1309,37.72,28.60,1309,438#,500,34,1309,1309,18.77,11.43,1309,489#,500,34,1309,1309,21.22,14.30,1309,（*试桩,-1,、,-2,加载,11,级时的累计沉降量分别为,39.23,和,26.10mm,，为了得到更多资料，继续加载至桩架一角开始上抬倾斜为止）,、,4,根桩静载,Q-S,曲线中，,3,根,400,填砂管桩,Q-S,曲线近似，极限值,2100KN,，高出,500,普通管桩极限值,25%,。由表,1,看出，同样沉降,23,45mm,填砂管桩试桩的承载力比紧邻的温大建工学院办公楼同地层、同桩长的试,547,、,631,、,588,号,500,普通管桩极限承载力提高,30,50%,。,应力计设置,：,在需静载的主楼,500,管桩与裙楼三根带肋管桩的管腔中埋设钢筋应力计，在管桩的管腔内第一层对称设置,4,只应力计，计算桩身弹性模量，埋设位置在地表下,1m,。桩身其它部位对称设置,2,只，每层应力计布置于土层分界面，桩端设置,2,只，桩端以上,4,倍桩径范围处再设置,2,只应力计。,应力计埋设,：,试验管桩用闭口桩尖，将管桩打至地面以上,30cm,处停锤，把按层位焊接应力计的两根通长钢筋放入管桩空腔中，间隔,3m,将应力计导线与钢筋绑扎，并将导线引出孔口。,六,.,轴力测试,在管桩空腔内浇注高强度混凝土至离管口,30cm,处，将导线置于桩顶空腔中，用桩锤将管桩打至设计标高，使混凝土震动密实，引出导线，在空腔中灌混凝土至管口。,量测程序：,28,天后进行静载试验，采用,YJ-X4,静态电阻应变仪及配套的平衡箱进行多点量测。将导线按编号自上而下分别接入平衡箱，加载前将各微应变值初读数调至,“,0”,，加载,5,，,30,，,60,，,120min,各测读一次并记录，依此类推,桩轴向力,Pz,计算：,求各测点应力计读数累计增量,R,，用,R=R i-Ri-1,公式。,求各级荷载下各测点断面的应变,各测点应力计应变：,用,i,=,g,/,Eg,=Pg/Ag,Eg,=,kR,/,AgEg,=KR,公式。,式中：,g,为桩顶荷载,Po,作用下，测点的钢筋应力（,KPa,）；,Eg,为钢筋弹性模量，一般取,2.0108,（,KPa,）；,Ag,为钢筋截面积（,cm2,）；,k,为应力计率定系数（,kN,/,）；,K,为应力计换算系数（,1/,），,K=k/,AgEg,。,各测点断面桩身应力,gh,计算在桩顶地表下约,1.0m,处设置标定断面，该断面轴力等于桩顶荷载,Po,，并按上述方法计算各级荷载下标定断面的应变，获得标定断面的应力,-,应变关系,.,标定断面应力,=Po/A,A,为标定断面截面积,(cm2,）；相应的应变,=KR,。桩身各断面轴向力,Pz,：用,Pz,=,ghA,公式。,应力计数据曲线,试桩,-1,轴力图,试桩,-1z-Sz,曲线,应力计数据曲线,试桩,-,轴力图,试桩,-,z-Sz,曲线,从,4,根桩测试成果绘制的各桩轴力图看,填砂管桩侧阻力发挥远高于普通管桩，普通管桩桩端端阻在单桩极限承载力所占比例大于填砂管桩，从而证明填砂管桩提高单桩承载力潜力更大。,七,.,填砂管桩大幅度提高承载力的作用,7.1,桩尖大头的作用：桩大头采用钢板制作，可以顺利挤开地下一般碎石与土层，当持力层是卵砾石层时，桩大头的高强度能承受持力层较大的反力。桩大头截面积是管桩截面积的,2,倍，因此，桩大头在提高承载力占有明显优势。,7.2,肋的作用：由于软土层为流塑、软塑或可塑状，高压缩性，当桩尖大头和肋下沉时挤开土层形成空腔，,2m,间距的肋保证了桩在下沉过程中桩周间隙稳定在,10cm,，使干砂凭自重充盈，在充盈的前软土无法回拢。,7.3,桩周填砂的作用：桩周填砂与管桩桩身侧阻力为,30-40kpa,，而填砂与软土间的侧阻力为,5-25kpa,，当桩身在足够大应力下产生切入，只能沿最薄弱的接合面切入。委托温州工程勘察院测试四组（桩周土层分别为淤泥、淤泥质粘土、粘土和粉质粘土四种）,12,块按,1,：,4,比例缩小的填砂管桩在软土中切入模拟样品试验，模拟的填砂管桩在应力下的切入滑动面全部在填砂与土层交界面的土层一侧。因此，填砂管桩承载力估算公式中的,up,，可以按肋直径计算的周边长度，较管桩桩身周长往往要增加,50%,，由此大幅提高单桩承载力。,在地下室基坑中可以看到,填砂管桩外,8,侧,10cm,厚的填砂分布均匀盈实，填砂外扰动的淤泥己明显失水粘土化，颜色由浅灰色变为暗灰色，离填砂越远，淤泥颜色越接近原色，手指触按,离填砂越远，土越软，含水量越高，经委托原地质勘察单位在,Z5,工程钻附近管桩填砂外侧,0.05,、,0.15,、,0.5,、,1.0,、,1.5m,处采,5,个土样进行土工试验，其结果如下表,2,。越接近填砂，原淤泥的孔隙水排出越多，从目前资料可见打桩引起的压力孔隙水的释出范围在填砂管桩外侧,0.5M,以内，离桩超过,1m,的淤泥含水量变化不大。,八,.,改良桩周土层、促进软土脱水固化的作用,桩侧土固化,温州大学行政信息中心大楼裙楼,A,区基坑底淤泥土物理力学指标,样号,距离,(m),土深度,（,m,）,含水量,%,湿密度,g/cm,3,干密度,g/cm,3,孔隙比,%,液限,%,塑限,%,塑性指数,%,液限指数,%,Z5-3,5.5,2.8-3.1,82.3,1.52,0.83,2.277,58.3,29.9,28.2,1.88,Z5-4,5.5,4.5-4.8,78.2,1.53,0.84,2.282,57.8,29.8,28