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岩土研究院

桩基础的发展趋向预估

349 2021-03-18 17:42:53


21世纪是我国走向伟大复兴的世纪,科学技术的发展必将走向世界的前列,桩基工程也不例外,必将从理论研究、设计理念、桩材合成、施工工艺和设备等方面开创崭新的局面,以下概略地预估其发展趋向。


1、以数值分析为核心的岩土力学

桩基工程本身是以加强或改造地基岩、土为目的,它的作用对象就是岩石和土,因此研究和掌握岩石和土的工程性质或物理力学性质是桩基工程研究的前提条件。


目前,土力学理论都是建立在室内重塑土样的基础之上,这就不可避免地受到土体扰动的影响。研究表明,天然黏土的结构性是普遍存在、不容忽视的,天然土在结构破坏前后的特性有很大不同,它的压缩曲线和剪切曲线可以分为两段,后一段的特性可以从通常的室内试验确定,前一段则宜通过原位测试方法测定。现有的弹塑性本构模型也是在重塑土试验结果的基础上提出的,要合理描述天然土的特性,必须发展新一代的本构模型——结构性模型。


由于量测技术和计算机技术的飞速进步,岩土工程数值分析为工程预测和计算提供了必要条件。20世纪60年代以来,临界状态土力学(CSSM)逐渐形成和发展,一些著名的本构关系,如剑桥黏土模型(CAMclay)、拉德(Lade)-邓肯(Duncan)模型等相继提出,数值分析得到了支撑和发展。临界状态线(CSL)及其后出现的稳态线(SSL)用于工程抗震分析,为桩基抗震计算提供了重要依据。数值解法如有限元法、差分法、边界单元法等的应用日趋普及,例如 Butterfield和 Banerjee(1971年)等采用边界元法、Ottaviani(1975年)采用有限元法对群桩沉降进行了分析。数值计算方法能够考虑土体的分层情况和群桩间的相互作用影响,以及土体的各向异性和复杂的边界条件,所以一般被认为是精确的。然而这种方法工作量较大,需要专业的软件并且建模复杂,因而不易被工程设计人员所接受。有鉴于此,各种简化的解析方法应运而生。


Winkler地基模型概念简单,计算方便,得到了广泛的应用。同济大学黄茂松教授等用 Winkler模型,考虑群桩中的"被动桩"与周围土体的"遮拦"作用,对传统的桩一桩作用系数进行修正,提出了主动群桩和被动群桩的位移内力简化计算方法,计算结果与有限元、边界元计算的结果以及离心机试验结果进行了比较。至于用有限元法分析桩一筏基础,计算有支撑的壁桩地下墙结构的位移和变形、大面积堆料下桩基础地面变形等都已得到使用;目前可用于岩土领域的商业软件有 Plaxis、Flac、Abaqus 等。在这种情况下,未来10~20年数值分析在桩基工程中的应用将从渐次普及到广泛应用。

2、智能化的岩土测试技术

通过钻探取样直观地掌握岩土性状,仍将是 21世纪岩土工程勘测的核心方法,但是钻探技术和测试技术将有长足的进步,像航天技术移植过来的伺服式测斜仪一样,登上月球的月球车和登上火星的漫游号火星车技术有朝一日都会转向民用,这些仪器的特点是遥感和自动控制。对于钻探取样的繁重体力劳动,将完全由机器人或机械手所取代。在各种传感器和中央空制系统的指挥下,液压系统可以自动树立钻架或钻塔、自动安装钻机和装拆钻杆、自动取样

留岩土样、自动采集各种数据和进行数据处理。目前转盘式钻杆装拆的机械手已经在车装钻机上应用,进一步的智能化钻机的出现指日可待。

原位试验仍将是必不可少的勘测手段,随着原位试验精度的提高,不仅使昂贵的钻探取样、室内土工试验的工作量减少到最低限度,且岩土工程勘测的效率也将大大提高。原位试验技术的发展同样以智能化为方向,而遥感遥控和数据采集处理自动化是普遍的技术方法。


3、开发和维护更好的新桩型

目前占市场主导地位(约占世界桩基础总数的 50%)的是打入桩,但是由于噪声、振动和挤土(或部分挤土)等对环境的影响,在大多数城区,例如上海在内环线以内受到了严格的限制,因此液压沉桩和振动沉桩技术的应用越来越多。


PHC桩是预制混凝土打入桩中最为流行的一种桩型,由于其高强度和低成本,排土条件与钢管桩相似,因此在许多条件相似之下的工程中取代了钢管桩。现在 PHC桩不仅在竖向承压方面是主力,在抗拔方面也被认为是性能良好的抗拉构件,适宜作为抗拔工程桩的使用。在沉桩方面除了传统的锤击贯入以外,在受限制的地区,也可用静压贯入。


在欧美发达国家和我国香港地区,H型钢也用得很多,与混凝土桩相比,H型钢的穿透性强,因而可以穿越硬土层或进入强风化层更大深度。在香港,H 型钢的嵌岩桩是在岩石中先钻成孔,然后嵌入一根 H型钢,再在桩侧注入无收缩性的水泥浆。桩的支承能力一般根据 H型钢的结构强度决定,当采用高强重级 H 型钢截面时,单桩承载力可达5500kN。我国由于钢材价格较贵,一定程度上限制了H型钢的应用,但在基坑围护工程中劲性水泥土墙的广泛使用,H 型钢主要用来承受水平荷载。在这种桩墙结构中,H型钢是可以回收的,因此大量节约了工程造价。


钻孔灌注桩的特点是适应性强,对周围环境影响较小,只要有先进的钻机和钻具,可以不受地层条件的限制,也可满足大直径超深度高承载力的需要。特别是后注浆方法近年来应用越来越多,通过预置在桩底和桩侧的注浆装置,在成桩后实施注浆,可减小端阻力发挥所需沉降(普通灌注桩侧阻、端阻发挥需要的沉降分别为桩径的0.5%~1.0%和10%~15%),加固孔底沉渣和因施工扰动的桩周土,在工作荷载条件下,后注浆可减少桩基沉降 30%~50%。


L灌注桩的桩型与单桩承载力有很大的关系,扩底桩不仅提高了桩端反力,而且显著提高了抗拔力,对于地下水位很高,并有承压含水层的深基坑,用抗拔桩防止上浮保持稳定,扩底桩是常用的措施。


在国外,连续螺旋钻孔灌注桩(continuous flight auger piles or auger cast piles),简称 CFA 桩,得到快速发展。第二代 CFA桩钻机的钻进能力大幅度提高,转速 8~10r/min,最大

(2)桩的形状突破直杆和线形的概念,而演变为不同造型的支承结构,例如沉井结构用于筒中筒、筒框结构的高层、地下连续墙已经作为地下室外墙的一部分。成片状的、折线状的和格栅状的不同于现有桩基础却有桩的功能与概念的地下支承结构,部分或局部取代单调的桩基础,这种地下支承结构施工机械将不是传统的打桩机,而是以地下连续墙施工机械为蓝本的掘土机,如果在气压护壁方面有所突破,则可扩大其底部,形成扩底墩式的扩大头,进一步提高其支承能力,减少沉降量,降低造价。


(3)目前的桩材以钢筋混凝土为主体,而钢桩则次之,随着化学工业高分子材料的发展,由化学注浆成桩制造出高强度的可与钢筋混凝土桩媲美的化学复合桩未必是不可能的。目前水泥土搅拌桩已广泛用于复合地基的处理,化学灌浆也是常用的手段,在此基础上发展的化学材料和土的搅拌桩搅拌墙用于防渗挡水等目的应是可能的。


(4)在传统的锤击贯人、液压或振动下沉、回转钻进、重力压桩等各种沉桩(成桩)方法的基础上,射水沉桩工艺也许会得到发展。国外在板桩施工中用射水作为辅助方法的压入式工法,新型的施工机械具有更大的下压力,能穿透密实坚硬土层,可在净空较小或工作空间紧张的条件下施工。除了用于板桩压入外,对于沉桩困难的其他成桩条件,也不失为一种沉桩工艺。