静压桩在基础加固当中的应用
静压桩具有节约材料、无震动、低噪音、不污染环境等优点。而且,对每根桩施工过程的每一时刻都能显示出压力值,具有准确的“量”的概念,能够比较客观地反映基层情况。利用施工终止压力评估的单桩承载力,具有直观、迅速的特点,适合于信息化施工的要求,是其它基础处理方法所无法比拟的。因此,对于珠江三角洲一带普遍存在的地基不均匀沉降,静压桩方法有较好的实用价值。
1 工程概况及地质情况
中山金沙日产汽车服务有限公司维修车间建于1994 年,基础采用` 426 沉管灌注桩,设计桩长26m ,单桩容许承载力Pa =450kN。近期发现厂房及地面大幅度沉降。柱基相对沉降量为335mm ,地面相对柱的沉降量为396mm。因此,考虑到厂房结构安全的紧迫性,提出对基础的安全性评价及加固。场地土层从上至下依次为:人工填土层:褐黄色,松散,主要由花岗岩风化土组成,层厚1. 4～3. 5m ,平均1. 8m;粘土:浅灰色,软塑,含淤泥质土,平均厚度0. 66m;淤泥质土:深灰色,流塑,饱和,含有机质,平均厚度6. 55m;淤泥:深灰色,流塑,饱和,含有机质,平均厚度8. 19m;粉质粘土:灰黄,可塑,平均厚度3. 92m;粉砂:以粉砂为主,部分为细砂及粉土,厚度1. 2～5. 4m;中砂:以中砂为主,局部粗砂。厚度0. 5～4. 7m;淤泥质粉质粘土,深灰色,流塑,厚度1. 1～6. 4m;强风化粗砂岩:暗褐色,层面埋深21～27. 6m;中风化粗砂岩,暗褐色,岩芯呈块状、短柱状,层面埋深24. 9～26. 9m。
2 安全性评价
2. 1 地面沉降评价
根据地质勘察资料,场地普遍存在淤泥质粉质粘土以及淤泥层,且层厚较大。因此,在大面积地面荷载作用下,产生的宏观表现是地面下沉量大,同时,地面的下沉要经历一个较长的过程。本场地有一层填土层,该填土层在厂房建设之前所填,厚度平均为1. 8m ,其下的淤泥质土及淤泥在填土荷载作用下的总沉降量可按下式计算:
S = p Σhi/Ei
式中:p ———填土荷载;
hi ———各压缩层厚度;
Ei ———各压缩层的变形模量。
考虑地下水位为地下1m ,则p = 24. 4kPa ,取ZK4 孔为计算剖面,忽略非软土层的变形,淤泥质土E = 1. 5MPa ,淤泥层E =0. 8MPa , 则: ZK4 孔总沉降量为480mm , ZK14 孔总沉降量为295mm。因此,场地地面在填土荷载作用下的总沉降量约为295～480mm ,可以认为,厂房地面沉降是由于填土荷载引起的淤泥质土以及淤泥的压缩而产生的。在荷载作用下的淤泥质土以及淤泥的压缩固结时间可以用太沙基一维固结理论进行计算,选择ZK5 (排水距离为8. 5m) 以及ZK11 (排水距离为24. 9m) 应用公式
Cv =kE/γw Tv =Cvt/h2 U = 1 -8π/2 e -π2Tv/4 t
厂房建成至今7 年,即t = 7 年。对于ZK5 孔,h = 8. 5m 得U= 99. 6 %。对于ZK11孔,h = 24. 9m 得U = 57 %。因此对于ZK5孔,固结沉降已完成。但对于ZK11孔沉降还远未完成。但事实上,由于场地中无砂层的孔只是少数,因此,实际的排水形态为三维状态,按一维结理论计算显然偏保守。实际的固结度要高,但很可能的情况是此部分淤泥质土及淤泥的固结还在继续,这与现场的实际情况也是基本吻合。
2. 2 桩基沉降分析及桩基评价
从地质资料看,绝大部分桩基持力层应为强风化岩层。按设计图纸中要求的收锤贯入度,单桩承载力可达到Pa = 450kN。事实上,桩基在实际的受力过程中除受上部结构的荷载外,由于软土层的下沉对桩周产生负摩阻力,其大小按平均的淤泥层厚度计算。使用公式Pf =πdΣfili 计算可得到负摩阻力392 kN ,从而桩身荷载达到842kN ,接近于桩的极限承载力,目前桩的沉降达到335mm。产生大量沉降的可能性要么是桩身发生破坏,要么是桩底应力过大产生刺入破坏。但无论哪种情况,桩基都已产生破坏。
总结以上分析,产生沉降事故的原因主要是客观的地质原因,由于场区存在淤泥质土及淤泥层,在填土荷载作用下产生压缩变形,同时对桩基产生负摩阻力,导致部分桩基破坏,产生沉降及沉降差,引起上部结构及墙体的开裂。
3 加固方案设计
由于厂方要求施工不影响其正常运作,并考虑到在静压桩方面的技术优势和厂房外有大场地可供桩体预制等因素,选择锚杆静压桩的方案。该方案的优点是桩身质量保证,桩基承载力明确,施工噪音小,施工环境干净,不影响厂房正常的汽车维修运作。预制砼方桩的截面采用300 ×300 ,采用下面公式进行单桩竖向极限承载力标准值计算:
Quk = QSK + QPK = UΣqskiLsi + 5bpspAp
式中:Quk ———单桩竖向极限承载力标准值;
QSK ,QPK ———总极限侧阻力和总极限端阻力标准值;
AP ———桩身横截面面积;
qski ———用静力触探比贯入阻力估计的桩周第i 层土的极限侧阻力标准值;
psp ———桩端附近静力触探比贯入阻力标准值;
5b ———桩端阻力系数;
U ———桩周边长。
根据规范要求,桩身强度采用C30 或以上的砼,所以决定采用C30 ,通过计算,可以确定设计桩长约26m ,单桩压力700kN ,考虑后期负摩阻力影响,单桩承载力特征值为300kN。
5 加固效果
本工程一期工程于2003 年9 月完成,施工总体比较顺利。施工过程中在承台和柱上布置观测点,并采用跟踪观测方法,以便于确保施工过程中不至于反力太大导致上部结构破坏。通过观测,仅仅在C5 柱位出现了大的上抬。经过分析确定,由于该处设计压力比地梁所能承受的拉力大,导致地梁开裂。并及时改换沙袋反压,达到设计压力。完工后对该工程进行的观测发现沉降< 6mm ,并且有减小的趋势,可见加固效果明显。
6 总结
静压桩法由于采用预制桩,桩身质量有保证,而且施工方法简单,施工效率高。并由于该方法能及时反映设计当中的不足,具有信息化施工的优点,而且加固效果显著,故在地基加固处理当中已经越来越受到关注。