浅议岩溶地质环境静压管桩施工技术

摘要:由于造价经济、施工速度快、无噪音以及桩身质量保证度高等多个优点,静压管桩基础已逐渐受到工程界的青睐。文章结合工程实例对岩溶地区管桩承载模型的建立进行了较系统的分析,以期推动管桩技术在岩溶区的应用及发展。

关键词:静压管桩施工;岩溶地区;地基处理;静压法沉桩

中图分类号:TU473文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)07-0143-02

一、岩溶地区地质特征

岩溶,又称“喀斯特”(Karst),是由水流与可棺性岩石相互作用而形成的独特地质现象的总和,其产生和发展的过程则称为“岩溶作用”。可溶性岩层的存在是岩溶作用发生和发展的先决条件或物质基础,水的流动或活动则是岩溶作用发生和发展绝对必需的动力。

由于岩溶作用的进行,因而地壳岩层的坚实性和稳固性受到了破坏。不仅如此,由于岩层千疮百孔,地表不易存水,工程建设常常会碰到这样的地质环境。

基桩是深入岩土层中的柱型杆件,各基桩与连接桩顶的承台所组成的深基础就称为桩基础,简称桩基。上部结构荷载先通过承台分配到各基桩上,再通过基桩传递到深部岩土层当中。由于深部岩土层强度与刚度较高,所以桩基础与浅基础相比有承载力高和沉降小的特点。岩溶地区地质形态异常复杂,现有地勘手段无法完全摸清。一般由于静压管桩施工的优点,在岩溶地区常常采用。

由于静压桩基础具有以下优点:(l)无噪声、无振动,无冲击力,施工应力小,桩顶与桩身不易损坏;(2)沉桩精度较高,不易产生偏心沉桩;(3)施工速度快,无泥浆排放,施工文明,场地整洁;(4)工程费用经济,所以静压桩基础是现在使用最为广泛的桩基础形式之一。由于石灰岩地质在广泛存在,所以静压桩基础在使用过程当中常会遇到溶洞溶槽等问题。然而,针对岩溶地区静压桩基础承载机理的研究工作相对还是较少,这就造成了理论跟不上应用步伐的滞后现象,加强这一方面的研究工作有其必要性和紧迫性。

二、岩溶地区主要地基处理原则

地基评价不能满足稳定性要求时,需要对地基进行适当的处理。一般对地基稳定有影响的岩溶洞隙,应根据其位置、大小、埋深、围岩稳定性和水文地质条件综合分析、因地制宜的采取下列处理措施:(1)对洞口较小的洞隙,宜采用镶补、嵌塞与跨盖等方法处理;(2)对洞口较大的洞隙,宜采用梁、板和拱等结构跨越。跨越结构应有可靠的支承面。梁式结构在岩石上支承长度应大于梁高的1.5倍,也可采用浆砌块石等堵塞措施;(3)对于围岩不稳定、风化裂隙破碎的岩体,可采用灌浆加固和清爆填塞等措施;(4)对规模较大的间隙,可采用洞底支撑或调整柱距等方法处理。

一般对地基稳定有影响的土洞,杜绝地表水渗入土层,使土洞停止发育和发展,当地质条件许可时,尽量对地下水采取截流、改道等,以阻止土洞继续发展。当土洞埋深较浅时,采用挖填和梁板跨越;对直径较小的深埋土洞,可不处理,仅在洞顶上部采用梁板跨越即可;对直径较大的深埋土洞,可采用顶部钻孔灌砂或灌碎石混凝土,以充填空间。当对地下水不能采取截流、改道等方式以阻止土洞发育时,一般可采用桩基等措施。

三、静压法沉桩机理

静压管桩的压桩是利用压桩机自重和配重做反力,以卷扬机滑轮组或电动油泵液压方式施加在桩顶或桩身上,当施加给桩的静压力与桩的入土阻力达动态平衡时,桩在自重和静压力作用下逐渐压入地基土中。

静压管桩压桩的过程也是挤土的过程,在压入过程中造成了桩周土体的复杂运动。当桩尖“刺入”土体中时,原状土的初应力状态受到破坏,造成桩尖下土体的压缩变形,土体对桩尖相应产生阻力。随着桩的压桩压力的增大,当桩尖处土体所受应力超过其抗剪强度时,土体发生急剧变形而达到极限破坏,土体产生塑性流动(黏性土)或挤密侧移和下拖(砂性土),桩尖下土体被向下和侧向压缩挤开,桩继续“刺入”到下层土体中,随后桩周土体继续被压缩挤开。

压桩过程中,在穿过上覆软土层时,压桩阻力较小。主要是因为对于上覆土层为较软上层,如饱和黏性土、淤泥等,其瞬时排水固结效应不明显,体积压缩变形小,桩体在贯入时会产生超静孔隙水应力,桩体贯入的瞬间,在靠近桩土界面的5～20mm土层,由于超孔压最大,在桩表面形成水膜,从而降低沉桩贯入阻力。当将桩压到硬塑一坚硬的风化残积土、强风化岩等持力层时,压桩力会急剧上升。因为将桩压到持力层时,在压桩力剧烈的挤压挤密作用下,桩端附近的土已经不是原状土,而是形成超压密土层区和挤密加固区,强度比原状土的强度高。压桩完成后,随桩侧土孔压消散、再固结和触变恢复,最终形成一层紧贴于桩表面的硬壳。

四、工程实例

(一)工程概况

某建筑工地,场区内建筑群均采用φ500的高强预应力管桩,长度介于20~30m,其承载力特征值为3000~400OkN不等。

根据岩土工程勘察报告及开挖所揭露的地层资料,本场地与工程桩相关的地层自上而下可分为:吹填砂;吹填土;素填土;淤泥;粉砂;粉质粘土;粉质粘土;全风化混合花岗岩;强风化混合花岗岩。

(二)承载力理论计算结果与静载试验数据对比

选取该场区内某根具有现场静载试验结果的管桩进行承载力理论计算,并与相应的实测数据进行对比,结果详见表1。计算过程中须要提供各土层的剪切模量G,但由于岩土工程勘察报告一般不提供这一参数,因此G往往要靠经验来进行取值。

(三)结论分析

在实力计算比较中,除头三四级的实际施加荷载与理论计算结果偏差较大外(虽然相对偏差最大达42.95%,但由于荷载水平较低所以最大绝对偏差只有407kN),其他数据都能与实测数据有较好的吻合。特别是在最后一级荷载(即两倍承载力特征值)中,误差基本都能控制在10%以内,这样的计算精度对于工程应用而言已经足够。

出现上述这种情况的主要原因在于k值的计算上,众所周知土体的模量实际是随着应力水平的改变而改变,而且应力水平越大则模量就越小(由于土的塑性变形),而作为桩侧土等效弹簧的刚度系数k也应该如此。由于k值的计算问题所造成的求解误差可通过以下两个方法进行修正:从k值的计算模型入手,将线性土弹簧转变成与应力水平相关的非线性土弹簧。但要注意,要求解出能反映土体实际受力变形特征的非线性土弹簧刚度系数k是比较困难的。此外,在土弹簧为非线性的情况下求解工作会变得较为繁复而不利于工程应用;不改变k值的计算模型,但根据大量的工程实例归纳总结出在不同荷载水平中承载力理论计算数值与实测静载试验数据间的偏差范围,以系数修正的方法来纠正理论计算结果的误差。

参考文献

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