欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

岩土研究院

桩基础应用中的主要问题分析

390 2021-03-18 16:29:30


我国桩基工程经历了空前发展,设计施工积累了丰富经验,技术水平进步明显,设计理念与方法有所创新,成桩工艺与设备的自主研发和引进国外先进技术交相辉映,相关标准规范相继出台渐趋成熟,和其他工程技术一样,桩基技术也应是历史上最佳时期。


在这样的历史条件下,认真总结经验,加强理论研究,贯彻科学发展、机理为本、工艺先进、质量可控、环保经济、切合国情、力争世界领先,还是大有可为的。


设计优化是本书的核心命题,而设计优化必须建立在桩基技术的创新之上,必须对当前桩基础应用中的主要问题进行分析,总结其经验教训。


1、关于桩基承载能力极限状态设计

鉴于地基土性的不确定性对基桩承载力可靠性影响的分析目前仍处于探索阶段,承载力概率极限状态设计模式尚属不完全的可靠性分析设计。不同桩型和成桩工艺对极限承载力的影响十分明显,例如常用的等直径钻孔灌注桩经过桩侧注浆和桩底注浆或是通过桩体挤扩形成多支盘桩,其桩侧摩阻力和桩端阻力就得到显著的提高,因此采用承载力分项系数反映桩型和成桩工艺影响的意义并不显著。


新规范以综合安全系数k代替荷载分项系数和抗力分项系数,以单桩极限承载力为参数确定抗力,以荷载效应标准组合为作用力的设计表达式,这与《建筑地基基础设计规范》(GB 5007—2002)的设计原则一致,方便使用。对于不同桩型和成功工艺对极限承载力的影响,实际上已反映于给出的极限侧压力、极限端阻力经验参数。极限承载力按静载荷试验确定,新规定的表达式关于桩身荷载传递和发挥的设计理念显然有了很大的进步。


有关规范规定了单桩静载荷试验的要求,这是非常重要的规定,但是许多工程的静载荷试验是在桩基工程完工后作为检验或验收的一种手段,没有起到事先指导的作用。按静载荷试验确定极限承载力仍然是确定单桩承载力的关键,有的工程由于工期紧急,业主为节约费用常常忽视了静载荷试验,这是桩基工程中应该引起重视的一个问题。


2、关于群桩基础

目前,桩基础设计中对群桩效应没有引起太大注意,群桩计算法则也不太完善。实际上在饱和黏性土地基中打入群桩,桩间土体受到挤压扰动,土中超静水压力的产生、积累、转移和消散,使得土体的结构和应力状态与原有天然情况下的土体大不相同。打入桩群桩施工时,造成的地基孔隙水压力普遍大于上覆土压力,造成打桩区内土体发生较大的垂直和水平位移。打桩完成后,桩身和桩尖处还存在着残余应力,随着土中应力的调整,形成新的平衡。软土地基的桩基大多由地基变形控制,所以估算桩基下沉量就显得相当重要。上海市地基基础设计规范对许可下沉量作了较为严格的规定,一般不允许超过15cm。有一些工程由于抢工期的原 因,不待土体固结达到应有的强度要求就开始挖土,有的甚至一边打桩一边开挖,于是就造成了桩头的位移。比较典型的如上海吴泾电厂六期2×300MW机组的主厂房采用 45cm×45cm的预制方桩,长 32m,进入⑦号粉砂层。施工期间由于工期紧迫,在尚未完成打桩任务,也未达到必要的固结时间的情况下就开始挖土,结果造成所有的桩顶向东偏移,最大的位移达到1.3m,造成很大的损失。类似的教训,在电力行业和其他工程项目中频频出现,形成了软土地基群桩基础的多发性事故。华东电力设计院总结了有关经验教训,1990年在上海外高桥电厂一期 4×600MW机组工程开展了综合性试验,实测打桩过程中孔隙水压力的增长和消散、桩间土的位移和强度变化、桩身应力和应变量,以及锤击过程中的动应力变化等(PDA 动测),并在打桩前插设塑料排水板,在软黏土地层中设置竖向排水通道,获得了许多有价值的研究成果,并迅速在全国电力行业推广,解决了软土地基中群桩打桩和挖土的难题。

与饱和软黏土中的群桩不同,在砂性土和硬黏土中的群桩,由于土的抗力大于打入桩的挤压力,桩周土的强度没有受到显著破坏,在较松散的砂中还有一定的挤密作用,因此桩、土常共同承担基础传来的荷载。即使是在上海软土地基中,也常利用软土层中较为密实的土层作为桩基持力层,布置桩距较大的疏桩基础,使桩发挥其极限承载力,其余的荷载由基底土来承担,这类桩基在上海被称作沉降控制复合桩基。


以上说明,对于群桩基础,考虑不同地质条件,区别对待,考虑群桩效应,考虑桩土共同作用,是桩基设计的一个重要课题。


3、关于桩基沉降变形和沉降计算问题

桩在承受外加轴向荷载时,通过桩身与土间的向下相对位移发挥出桩侧摩阻力,以及由于相对于桩尖水平面的贯入度而发挥的桩尖阻力,将荷载传递给土体,这种荷载传递的过程就是桩的变形位移的产生过程。桩基沉降变形与荷载的传递紧密相关,更与桩基持力层和下卧层的天然应力状态、桩基施工引起的土的结构、密度和应力状态的变化,土体的应力应变时间关系,以及外加荷载的性质、桩身材料、截面形状、尺寸大小等诸多因素有关。因此对于打入桩和钻孔桩、单桩和群桩、长桩和短桩、长期荷载持久作用的桩和受瞬时荷载作用的桩、打入砂土中的桩和打入黏土中的桩,它们的工作性能都是不同的,由此引起的桩基沉降机理也有所不同;用单一的方法计算桩基沉降量是不尽合理的。目前的沉降计算方法实际上是一种半经验的方法,因此其精度也不可能很高,单桩下沉量较为简单的方法分为桩身压缩量、桩身摩阻引起的桩尖下沉和桩尖阻力引起的桩尖下沉三部分的综合变形量。目前的沉降计算方法,对于桩身压缩量大多是忽视的,但是在深长桩已超过70m 的情况下,桩身压缩量已不可低估,因此在静力试桩中观测桩顶沉降和桩底沉降是很必要的。由于沉降计算问题的复杂性,目前尚难精确地计算各点的沉降,基本上只能计算建筑物的平均沉降量或基础中点的沉降量。对于桩筏基础,在均匀布桩的条件下,桩顶反力呈马鞍形分布,中部较小而边缘较大;沉降分布呈明显碟形,这会引起差异沉降,并引起桩筏基础或桩承台自身和上部结构的附加弯、剪内力,乃至开裂。


浙江某大型电厂(4×1000MW 机组)4 号锅炉的桩筏基础的原设计方案,由两个条形桩筏基础和一系列柱下独立桩筏基础组成。基桩由497根直径800mm的钻孔灌注桩组成,设计进入⑦2中等风化凝灰岩。实际施工时,大多数桩基仅进入⑤ 夹有砾石的黏性土中,导致单桩的承载力和刚度比原设计承载力低,桩基下卧层厚薄不均,可能引起桩基沉降和不均匀沉降,进而导致锅炉倾斜等问题。经过研究,决定将条形基础改为桩筏基础,补桩100根;为了降低桩的刚度,减少差异沉降,采取在桩顶上铺设30cm 厚砂垫层的措施来调整基桩刚度;采用基于 Kichhoff薄板理论的有限元法进行分析,并用 ANSYS有限元分析计算筏板最大沉降和最大弯矩,二者的结果比较一致。通过对比分析可知,经过砂垫层处理后的桩,一方面降低了桩刚度和减小了差异沉降,另一方面也减少了桩上所承受的荷载,使原有的桩得到了充分应用。目前该电厂已顺利投产运行,说明这样的处理是成功的。


中国建筑科学研究院研究员刘金砺教授首先提出了变刚度调平设计的理念,提出当整体采用桩基时,对于框筒、框剪结构,采用变桩距、变桩径、变桩长(多层持力层)布桩,如图 1-20、图1-21所示。对于荷载集度高的内部桩群,除考虑荷载因素外,尚应考虑相互作用影响予以增强;对于外围区应适当弱化,按复合桩基设计;对于主楼与裙房相连的建筑,应以增强主体、弱化裙房的原则设计。变刚度调平概念设计,突破了传统设计理念,通过调整地基或基桩的刚度分布,促使差异沉降减到最小,基础或承台内力显著降低,显然是优化桩基设计的一个重要方面。


(5)桩土共同作用——承台效应。

建筑桩基多数为低承台桩基,桩基承受竖向荷载时,桩、承台、承台底地基土是共同工作、变形协调的。承台下的土层分担荷载的效应称为承台效应。对于嵌岩的端承型桩由于桩端刺入量很小,由桩身弹性压缩量引起桩土相对位移也不大,因而承台效应虽然存在,但由于土抗力较小,所以可以忽略。承台土抗力受桩距的影响最为敏感,桩周土的位移越大,承台土抗力越小;对于群桩,桩间土的竖向位移受相邻桩位移的叠加效应而加大,在同一地层条件下,桩距越大,桩间土的侧向位移越小,即承台底土抗力越大。此外,承台土抗力随承台宽度与桩长比曾大而增大。承台土抗力随荷载水平而变化。随着荷载水平提高,桩土间相对位移由下而上发展,承台土抗力迅速增长;在荷载水平处于正常工作状态时,承台土抗力随荷载同步增长,荷载分担比趋于稳值。在群桩条件下,承台内区(桩群包络线以内)由于桩的相互影响明显,导致桩间土的竖向刚度显著降低,而外区土受桩的牵连影响小,土的竖向刚度削弱效应小,故土抗力形成内区小、外区大的特点。对于单排桩条形承台,由于外区面积比大,因而其土抗力显著大于多排群桩承台。考虑承台效应的条件应是复合桩基,疏桩基础。对于端承桩,可液化土、湿陷性土、欠固结土、新填土等地层中的桩,则不宜考虑承台效应。


5、桩基础选型常见的一些认识问题

基桩设计施工过程中,由于选型不当、设计有误、施工不能保证质量等原因造成的工程事故数不胜数,因此总结经验,吸取教训十分重要。以下是常见的一些认识误区。

(1)将嵌岩桩一律视为端承桩,导致将桩端嵌岩深度不必要地加大,增加成桩难度,延长施工周期,增加工程造价。

(2)在软土地区使用无须排土排浆的沉管灌注浆、夯扩桩和粉喷桩等,对这类桩的挤土效应或施工质量控制认识不足,只是着眼于工期短,造价低,因而造成了地面隆起和位移、承载力不能满足设计要求、工后沉降量大等问题。目前上海地区已由市建委发布通知禁用这类桩型,《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)也规定严格控制沉管灌注桩的应用范围,在软土地区仅限于多层住宅单排条基使用。

(3)预制桩的质量稳定性高于灌注桩的概念有时候导致了不少工程事故。最近几年 PHC桩和 PC管桩迅猛发展,大量取代了灌注桩。在工期、效益、排污等方面,预应力管桩都具有无可置疑的优越性,但随之而来也发生了一系列的工程事故。首先是挤土效应不容忽视,沉桩过程中接头断裂,桩端上抬,对周边建筑物和市政管道造成破坏;严重的造成桩头偏移,特别是在挖土过程中严重偏位,不得不采取补桩、改变基础设计等措施,这类事故已屡见不鲜。广东等地利用PHC桩强度高的特点打入强风化或中风化岩一定深度,按嵌岩桩设计,在锤击施工过程中发生桩身裂缝、桩头和接头断裂的情况也时有发生。此外,预制桩不能穿透硬夹层,往往使持力层不理想,桩长过短,沉降过大。再有预制桩的桩径、桩长、单桩承载力可调范围小,不能或难于按变刚度调平概念优化设计,因此预制桩要因地、因工程对象使用。


(4)人工挖孔桩质量稳定可靠的习惯思维常常与实际不符∶人工挖孔桩在低水位非饱和土中成孔,清孔彻底,成孔和基底条件可直观检查,因此质量稳定性较高。但许多是在高水位情况下采用护壁措施掘进的,有的边挖孔边抽水,桩侧细颗粒土被抽走,引起地面下沉,甚至导致护壁滑脱,坍孔,造成人身伤亡事故;有的抽水带走了相邻已灌注的桩基混凝土的水泥颗粒,造成离析;特别是在有软土层存在的情况下,挖土造成软土淤泥发生侧向流动,土体滑移将桩体推歪、推断;在有护壁条件下桩侧摩阻力也常不能达到预期要求。有些城市由于事故频发而禁止采用人工挖孔工艺,是不无道理的。

(5)扩底桩用于持力层较好、桩较短的端承型灌注桩,可取得较好的技术经济效益。但是在单轴抗压强度高于桩身混凝土强度的基岩中扩底,是不必要的。在桩侧土层较好,桩长较大的情况下扩底,一则损失扩底端以上部分侧阻力,二则增加扩底费用,可能得不偿失。将扩底端放置于有软弱下卧层的很薄的硬土层上,则无增强效应,还可能引起超量沉降。在软土地层中超长桩底端扩底,由于施工工艺难度大,常常很难成型,孔壁坍塌造成沉渣,因此效果不及后注浆处理。


近些年来,各地研发的新桩型有的取得了一定的工程经验,编制了专业标准或企业标准,但各有适用条件,特别是应结合地质条件和地区经验,经过工程试桩和检验,慎重选用。