夯扩桩在杭州下沙地区的应用

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1、概述

    杭州下沙地区位于钱塘江北岸，属钱塘江冲海积平原，地层分布较稳定。地基土主要由粉土组成，深8～9m处就有性质较好的2d砂质粉土夹粉砂土层，且分布广泛而有一定厚度，是较理想的桩端持力层。康莱特下沙住宅工程1.3万m²，其地质情况在下沙地区有典型的代表性(表1) 。根据地质报告，场地地下水主要赋存于上部粉土、粉砂层中的潜水，水位较高，并受大气 降水影响，动态变化较大。地下水能引起粉土膨胀，浅基础不易控制建筑物的不均匀沉降。另外，2c土层为液化土层，也应避免用该土层作为持力层。因此在结构方案阶段就否定了浅基础方案。预制桩基固然可行，但在目前它的价格较高。此外，从地基承载力和造价上分析，灌注桩基础应该是比较理想的，但据调查因成桩难，在该地区很少应用。将普通沉管灌注桩方法与桩端扩底技术相结合的夯扩桩，可充分发挥端承效果，而且造价低，通过康莱特下沙住宅工程的成功应用，积累了一定的经验。经过分析比较，我们选用了夯扩桩基础。 表1 住宅工程的综合地质

 

土层及其名称 层厚(m) 主要物理性质 地基土参数 预制桩参数 夯扩桩
参数 w(%) e wc(%) Ip(%) a1～2(MPa) Es(MPa) fk(kPa) qs(kPa) qp(kPa) qp(kPa) 2a砂质粉土 0.7～1.4 30.2 0.876 31.9 5.3 0.21 7.0 110 16 　 　 2b砂质粉土 1.6～2.7 25.2 0.70 28.2 6.6 0.12 12 170 24 　 　 2c砂质粉土 4.4～5.8 28.3 0.771 30.1 5.5 0.14 11 155 22 　 780 3a砂质粉土夹粉砂 9.2～10.9 26.0 0.725 　 　 0.16 13 180 28 1700 1100

 

    2、夯扩桩桩基设计     2.1 理论依据     桩的极限承载力(抗压)不能简单地理解为极限侧阻力加上极限端阻力。桩土之间出现不大的相对滑动时就出现极限侧阻力，当上部滑动量大的范围内土体发挥了极限剪切强度以后，部分荷载又传回给桩身，依次产生更大的相对滑动并逐渐发展到更大的深度。只有当整个桩身侧阻力达到极限值的瞬间，桩底下面的土体中形成了一种极限强度状态，好像桩尖在排开土体，力图挤进土层。此时，承载力是极限侧阻力和桩底承载力的组合。极限侧阻力的发挥主要取决于桩土相对位移，称为极限位移。只有当桩底位移Δs足够大时，桩端的极限强度就全部发挥出来，桩的极限承载力(抗压)(在该荷载下的下沉或下沉速率剧烈增大)可由下式确定：Pu＝Ppu＋ΣPsi(式中Ppu极限桩端承载力；ΣPsi桩端以上土层极限侧阻力的总和)。
    下沙地区的工程地质特点是持力层埋深浅，而上部土层为软弱土层，在不大的荷载下，就能达到整个桩身极限侧阻力。夯扩桩扩大了的桩头，降低了桩端应力水平，阻止了桩尖的刺入破坏。浙江省标准《建筑软弱地基基础设计规范(DBJ 10-1-90)棗条文说明》中指出，夯扩桩是以端承为主，侧阻力为辅的桩型，适用于上部为软弱土层，在距地表4～14m处有一层性质较好的桩端持力层。     2.2 设计参数和承载力的确定     3a土层是一个较理想的持力层，该土层分布广泛，厚度也较均匀(表1)。根据地质报告提供的参数和浙江省标准《建筑软弱地基础设计规范(DBJ 10-1-90)》，初步确定夯扩设计参数为第一次在外管内灌注的混凝土高度H＝1900mm；外管上拔高度h＝800mm ；混凝土全部夯出外管后外管和内夯管同步下沉深度h－c＝600mm。代入各参数后可取D＝600mm。
    根据《DBJ 10-1-90》规范的公式；可算得单桩竖向承载力标准值Ｒk＝565kN，设计时取作550kN。由此可见桩端土承载力约占总承载力标准值的75%以上。     2.3 桩端进入持力层深度     桩的承载力，主要是桩端承载力，随着进入持力层的深度(特别是进入砂质粉土类粉砂层的深度)不同而具有不同的变化规律，称之为深度效应。深度效应的主要规律之一是存在着一个临界深度hc。当桩进入持力层的深度h＜hc时，桩端极限承载力qpu基本上随深度而线性增大，当h≥hc时，qpu则保持不变，称之为端阻力稳定值，规范中推荐的进入持力层深度为1.50～2.00m。根据本工程地质的实际情况，选择进入持力层深度为1.5m，有效桩长7.5m。     3、成桩难的原因分析及解决方法     在下沙地区打沉管灌注桩常出现这样的现象：一种是施工时无法将混凝土灌到设计标高，另一种是开挖后，发现近地表的上段桩虽在，而下段桩身混凝土已流失或仅存部分骨料石子。出现这种现象的主要原因是该地区地基土易液化，打桩时措施不当。
    就以康莱特下沙住宅工程地基土为例，持力层3a以上土层主要为砂质粉土，松散，孔隙比大，土层粒径在0.01～0.074mm之间的颗粒占86%以上。有关资料表明，平均粒径为0.05～0.1mm的粉砂土的抗液化能力最低。
    在沉管过程中，一方面由于土体受到震动，使得孔隙中的水产生超静水压力，另一方面在成孔过程中，桩管周围一定范围内的土体受到挤压，使得土的孔隙减小，而孔隙中的水还来不及排出，也产生了超静水压力μ。水在水力梯度(i)下从高能量级向低能量级处流动，此时土中总应力为：σ＝σ′＋（μ＋Δμ）或σ′＝σ－（μ＋Δμ)，式中σ′有效应力；Δμ孔隙水压力增量。可见当Δμ不断增大，直到有效应力σ′减小到零，有效应力使粉砂土产生全部抗剪强度。当σ′＝0时土体抗剪强度等于零，便出现了流砂现象，土粒之间压力消失，土粒处于悬浮状态，土体随水流动。地下水的渗流对土单位体积产生的压力GＤ称为动水压力。在桩外管拔出过程中，桩管中的混凝土也受到ＧＤ的作用。当ＧＤ较大且桩管中混凝土因自重引起的材料间的摩擦力不足以抵抗ＧＤ时，混凝土中的水泥砂就被流砂带走，甚至还会将骨料冲走。随着时间的推移，孔隙水压力逐渐消散。
    以上分析可见，存在液化土层的地质条件下要成功完成灌注桩的施工，可采取适当的施工措施以消除流砂的不利影响。为此康莱特下沙住宅工程中，主要采取了以下措施：①控制打桩的施工进度；②严格控制拔管速度；③采用有预制桩尖的夯扩桩。并在桩尖颈部设置草绳； ④第一次加灌混凝土后，先进行适当的预夯扩，再拔管至h。经过正式施工前的打试桩，将夯扩设计参数最终确定为H＝２５００m，h＝９００mm，h-c＝800mm；⑤在第二次加灌混凝土完成后，最终拔出外管时，用内夯管对管内混凝土边拔边压。
    此外，选择合适的桩身混凝土的水灰比、坍落度及合理的打桩顺序等等，都可提高成桩的质量 。当然在工程桩施工前，也可先在打桩场地空隙处均匀布置砂石桩做泄水孔，但这种方法造价较高，本工程中并未采用。     4、结语     (1)经济效益：曾对夯扩桩、预制桩和振动式沉管灌注桩三种桩型基础方案的经济指标进行了对比(表2)。因夯扩桩的承载力明显高于其它两种桩型，总桩数最少，相应的桩承台较小，如果综合承台施工、土方开挖等项目的费用，夯扩桩基础的经济效益更高。 表2 三种桩型造价对比表 桩型 桩径(mm) 桩长(m) 单桩工程造价 承载力(kN) 单位抗力造价(元/kN) 工程量(m^３) 单价(元/m^３) 合价(元) 夯扩桩 377 9.4 1.256 603.9 755 550 1.373 预制管桩 350 9.4 （9.4m) (72元/m) 677 285 2.375 振动式沉管灌注桩 377 9.4 1.049 404 424 288 1.472       (2)工程桩质量：根据低应变动测报告，不满足规范和设计要求的Ⅲ类桩仅3根，分别出现不同程度的缩颈、桩身混凝土离析，而无Ⅳ类桩，其余均为合格的Ⅰ、Ⅱ类桩。主体工程于2000年1月2日竣工后，最近一次沉降观测结果是：最大沉降量18mm，最大不均匀沉降为5mm。
    (3)夯扩桩在杭州下沙地区应用，有两大优势：①充分发挥桩端持力层的端承效果，承载力高 ；②造价低，经济效益好。但对打桩队伍的素质要求较高，并且在施工前，要制订切实可行的详细施工方案。