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岩土研究院

桩基工程勘察需重点解决的技术问题

451 2021-03-19 10:53:34


桩基工程勘察需要重点解决的技术问题一般包括两方面内容∶其一,通过调查、收集资料、现场勘测等综合手段与方法,获取场地重要的基础性资料;其二,根据获取的基础性资料,进行地基基础方案的分析与评价,并提出合适的结论与建议。


1、桩基工程分析评价前需要获取的基础性资料


(1)充分了解工程特点,设计意图,包括建(构)筑物结构特点、荷载条件(荷载均匀性)、基础形式、变形及变形差控制标准、地坪标高、地坪堆载等。


对软土地区而言,荷载分布的均匀性及变形控制指标是关键,如荷载差异大的高层与裙房采用统底板结构时,对差异沉降的控制较严格;少量特殊工程其设计提出的变形控制标准较规范更加严格,岩土工程师要充分了解设计意图,尤其是特殊的设计要求;否则,地基基础方案的分析评价缺乏针对性,难以满足设计要求。如上海地区临近轨道交通建造高层建筑时,为了减少建筑物沉降对轨道交通工程的拖带影响,相关管理部门严格控制高层建筑的最终沉降量≤5cm,而常规高层的桩基沉降量的控制标准为 15cm,显然不同的变形控制标准,使得桩基方案发生变化。又如上海光源工程,其建筑荷载不大,但工艺对变形控制极为严格,除了采取可调节的装置等措施外,容许软土地基变形≤1cm,因此该类建筑物的桩基方案分析评价具有特殊性。假如岩土工程师不了解此类情况,则勘察报告推荐的桩基方案难以成立。


(2)查明建设场地工程地质与水文地质条件,包括地形地貌、成因、地层分布均匀性、固结史、物理力学参数(不同荷载条件下强度与变形特征)、地下水位与水质、天然气分布等,另外,要重视分析、预测外部环境变化,对场地地基土条件性质的改变及对工程的不利影响。


(3)重视收集、了解当地的工程建筑经验、前期研究成果及类似地层组合的桩基承载力检测与沉降监测资料。岩土工程是半理论半经验的学科,由于土层的变异性,使得任何一种理论计算方法都与实际边界条件有差异,导致计算结果与实测结果有差距,有时甚至差异很大,如软土地基桩基沉降计算值与实测值就有较大的差异。因此,收集当地的建筑经验尤其是典型工程的实测资料十分重要。软土地区桩基沉降实测资料典型案例详见"第三章 桩基优化设计"。

(4)重视环境条件调查,包括对周边建(构)筑物基础形式、地下构筑物及地下管线的调查,并调查临近在建或拟建工程的施工工艺、与本工程的施工顺序等。周边环境条件有时与工程方案选择密切相关,如环境敏感区域,桩型通常选择非挤土的灌注桩;如临近保护建筑的高层建筑,为避免建筑物过大沉降对地铁隧道的不利影响,需要严格控制建筑物沉降,选择深部密实的砂层作为桩基持力层。随着城市化建设发展,尤其在中心城区密集建筑群地区进行工程勘察时,要重视环境岩土问题。


2、桩基工程分析评价

桩基工程分析评价内容一般包括∶桩型选择、桩基持力层选择、单桩承载力估算、桩基沉降量预测、沉桩可行性分析、设计与施工需注意的问题、检测与监测建议等。针对软土地区土层的特点,承载力随时间增长效应、沉降量预测、沉降与时间关系、预制桩沉桩时孔隙水压力积聚引发的挤土效应等需要重点分析。


1)桩型选择

软土地区一般采用的桩型包括混凝土预制桩、灌注桩和钢管桩。钢管桩因价格昂贵,在工程中使用很少,上海地区金茂大厦(88层)、环球金融中心(101 层)建设时,考虑桩入土深度很大(大于80m),混凝土预制桩无法沉入预定深度;限于当时大直径超长灌注桩的桩身质量尤其是孔底沉淤等问题未得到有效解决,因此均采用了昂贵的钢管桩。因混凝土预制桩具有桩身│质量易控制、每立方混凝土提供的承载力高、造价相对经济等诸多优点,当周边环境条件许可且沉桩可行时,一般首选预制桩方案(混凝土方桩或 PHC管桩)。钻孔灌注桩在许多城市建筑密集区应用很广泛,主要考虑其无挤土效应与振动的不利影响。钻孔灌注桩的后注浆工艺,对减少孔底沉淤、控制桩基沉降有利,随着该工艺日趋成熟,使得大直径灌注桩得以广泛使用,如目前在建的上海中心大厦(上海最高楼)将选用大直径钻孔灌注桩,并采用后注浆工艺。在厚层软土地区,沉管灌注桩、灌注扩底桩的应用受到限制。


(2)在软土地区选择桩基持力层时,需要同时满足上部荷载对桩基承载力和容许变形的要求,且一般以变形为控制指标,即在许多情况下桩基承载力已经满足要求,但持力层下分布一定厚度的软土层,其最终沉降量偏大,不能满足要求,需要重新选择深部持力层。


(3)具体工程勘察时,应根据荷载条件、设计排桩对单桩承载力的要求、变形控制标准,结合地层分布特点进行多种方案的比选;在采用预制桩方案时,需考虑沉桩可行性。值得注意的是,预制桩的沉桩设备与技术能力是不断发展的,需要岩土工程师动态了解其发展状况,否则

3、单桩承载力估算

影响桩基承载力发挥的因素很多,包括桩基持力层的选择、桩侧土层的组合及其他非土性因素(如桩身质量等)。目前,软土地区确定单桩承载力的方法包括∶根据土性条件查表确定承载力参数,根据静探与标贯成果估算等。考虑施工工艺与质量对单桩承载力的影响大,勘察报告应根据规范要求,建议进行一定数量的静载荷试验以最终确定单桩承载力。上海软土地区推荐用静力触探成果预测承载力参数,其预测精度相对高。


(1)应用静力触探试验成果确定单桩承载力①采用静力触探试验单桥 p。值可按下式估算预制桩单桩竖向极限承载力∶

研究,我国也于 60 年代进行了一系列的室内外试验研究,根据不同土质、不同桩型、不同尺寸的桩承载力时效试验观测结果,得到单桩极限承载力比初始值增长 40%~400%,达到稳定值所需要的时间由几十天到数百天不等。


②预制桩布桩过密、沉桩速率过快,易对土体产生显著扰动,软土的触变特性,导致土体强度急剧降低,土体强度的重新恢复则需要很长时间。过快的沉桩速率导致规范规定的间隙时间(28d)后试桩结果所得的承载力显著小于计算值。岩土工程师宜根据土性条件,建议控制预制桩布桩密度和沉桩速率。


③灌注桩的承载力与施工质量密切相关,桩侧泥皮过厚、桩身夹泥或桩底沉淤过大均导致单桩承载力偏低。对大直径的灌注桩,桩身范围内有厚层粉土或砂土时,泥浆配比十分重要,如果不能严格确保施工质量,则实际工程中常出现静载荷试验确定的承载力显著小于按规范计算的承载力值。


4、桩基沉降量预测

(1)影响桩基沉降的因素

影响桩基沉降的因素很多,包括荷载大小、加荷的速率、桩基持力层及压缩层深度范围内的土层性质、桩型、桩长、布桩面积系数、施工质量与施工流程等;软土地区采用以变形控制为主的设计原则,如何较为准确地预测桩基沉降量是人们长期关注的热点问题。影响桩基沉降量预测精度的因素主要包括计算方法中采用的应力分布模式、土层的压缩模量取值与实际的差异程度、选用的沉降计算修正系数是否合适等。


①压缩模量取值方法对沉降的影响

由于钻探取样进行室内试验获取的压缩模量不可避免地受到土样扰动的影响,尤其是粉性土或砂土的室内试验压缩模量较离散且与实际差异大,如稍密的粉砂与密实的粉砂,其标准贯入击数可能相差数倍,而室内试验获取的压缩模量可能接近。因此,目前工程界推荐对黏土采用室内试验确定不同压力条件下的压缩模量,对无法或难以采取原状土的粉土与砂土样,则建议采用原位测试成果资料估算压缩模量。


②不同沉桩速率对沉降的影响

软土具有明显的触变特性、低渗透性。在软土中沉桩速率越快,对土体扰动程度越大,重塑固结引起的沉降增量也越大;另外,过快的沉桩速率,超孔隙水压力剧增,挤土效应易造成桩间脱节,引发非土性因素的沉降。


③不同加载速率对沉降的影响

不同加载速率对桩基础最终沉降量的影响常被忽略,这个现象在对建筑物进行沉降观测和分析中发现并被提出。如上海某两幢结构和体型完全相同的高层住宅楼,其土层条件、布桩面积系数、沉桩速率和基础施工时间均基本相同,但上部结构建造时间有一定的差异,分别为 1.2 年、1.9年,后期沉降观测发现,上部结构建造时间短的建筑物沉降明显大,两者比值结果达1.5。


(2)桩基沉降估算方法

桩基工程的沉降量分析方法包括∶等代墩基模式、弹性理论法等。目前,技术标准或规范推荐半经验半理论的方法,如上海市工程建设规范《地基基础设计规范》(DGJ 08-11--1999)亚了PMdim1i-应-公∶共龙起的单向压缩公层当和法并乘以相应经验系数公式计管地基

沉降量。

①应用静力触探成果估算桩基沉降

室内土工试验测得的压缩模量存在着明显不合理或严重失真,相比之下,原位试验能够正确反映地基土的力学性质,用原位试验成果确定甚至代替室内土工试验结果,用于桩基沉降计算,具有不可比拟的优势。

a.Schmertmann 提出根据静探锥尖阻力q。确定非黏性土的变形模量,用于群桩沉降计算,Meyerhof(1976年)则建议直接采用q。等代变形模量,按下式计算沉降量∶

②桩基沉降分析估算中应注意的问题

a.因勘察阶段通常荷载条件等不明确,勘察报告对沉降计算假定的边界条件应进行明确阐述,且假定的边界条件要与地区经验、类似工程具有相符性,防止误导设计。


b.因勘察阶段布桩方式与数量无法确定,因此桩基沉降通常假定为实体深基础考虑。软土地区一般不考虑沿桩身的扩散(桩侧有厚度较大的粉土、砂土时除外)。


c.对荷载差异大或地层差异大等情况,应建议设计采取适当措施控制过大的差异沉降;当同一建(构)筑物位于不同地层单元时,应建议按变形协调的原则进行设计。工程实践中一般通过控制总沉降量来控制差异沉降。


d.要考虑软土触变性对沉降的影响,避免发生密集群桩沉桩速率过快,使得软土受到显著扰动或桩接头脱开,桩基沉降明显增大的情况。


e.要考虑软土流变特性对沉降的影响,当桩身压缩层内以黏性土为主时,其竣工时沉降量仅占总沉降量的 20%~30%,固结稳定的时间长达十年以上。

f. 要充分重视同类经验类比,合理确定沉降计算经验系数,以提高预测精度。


5、需要注意的其他问题


(1)当出现实际桩基沉降量远大于预测值与地区经验值,且需要参与分析处理时,需要充分了解施工情况,如对预制桩需要了解布桩密度、沉桩速率、桩接头焊接效果等,对灌注桩需要了解泥浆配比、孔底沉淤等;更进一步的可了解上部建筑的加荷速度等。大量工程实践证明,上述的诸多因素均可能显著加剧桩基沉降。


(2)当场地涉及大面积堆土与地坪堆载或大面积降水时,有引发桩侧负摩阻力问题的可能,导致桩基承载力降低,桩基沉降量增加。勘察时需要详细了解是否有大面积堆土或堆载,堆土的范围、厚度、时间、成分、土性均匀性及荷载的均匀性。负摩阻力发生与持力层选择有关,目前准确估算中性点有难度,但勘察报告至少应提醒设计方注意该问题的不利影响。


(3)在工业区进行改造建设时,应注意原生产或储存过程中废液的泄漏,可能造成场地地下水(土)对建筑材料的腐蚀。当勘察初步判定地基土(水)对桩材料具有腐蚀时,应提出进一步勘察的建议,以确定污染土(水)空间分布范围,提出防腐设计建议。对桩基工程,一般宜采取以下措施进行防腐处理∶桩表面涂保护层,增大截面法(钢管桩增加壁厚),选用抗腐蚀的水泥等。