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摘 要:本文结合工程实例,分析土方开挖造成基桩偏斜的成因,采用低应变动测和孔内摄像技术准确评定桩身断裂情况,计算分析偏心荷载作用下基桩竖向承载力,为设计人员处理基桩偏斜事故提供有益的借鉴。
关键词:预应力混凝土管桩 基桩偏斜 孔内摄像 竖向承载力
1 引言
预应力高强混凝土管桩(PHC桩)是我省当前建设工程中使用最为广泛的桩基类型。由于预应力混凝土管桩的壁较薄,抵御水平荷载的能力较差,常会因为桩基施工或现场基坑开挖不当造成基桩偏斜,导致基桩桩身断裂等质量事故发生,严重影响基桩的竖向承载力,无法满足设计要求。如何正确分析基桩偏斜事故的原因,准确评定桩身断裂情况,分析基桩竖向承载力的影响程度,成为设计人员在事故处理中必须解决的问题。本文结合工程实例,分析造成基桩偏斜的原因,采用低应变动测和孔内摄像技术准确评定桩身断裂情况,计算分析偏心荷载作用下基桩竖向承载力,为设计人员处理基桩偏斜事故提供有益的借鉴。
2 工程概况
某电厂锅炉房工程,桩基础采用PHC桩,桩径500mm,壁厚100mm,设计桩端持力层为强风化花岗岩,采用静压法施工。场地土层分布为:
1.素填土:松散状,干～稍湿,厚度2.6～3.8m;
2.淤泥:饱和,软塑,厚度5.3～11.1m;
3.中砂:松散～中密,饱和,厚度0.5～6.8m;
4.粉质粘土:饱和,可塑～硬塑,厚度0.5～3.8m;
5.淤泥质土层:饱和,软塑,厚度0.9～2.1m;
6.残积砂质粘土:湿,可塑～硬塑,厚度1.7～11.0m;
7.全风化花岗岩:湿,坚硬,厚度0.4～15.7m;
8.强风化花岗岩:湿,坚硬,厚度2.2～19.5m。
9.微风化花岗岩:岩体基本等级为II级,部分揭露。
各土层物理力学指标和设计计算参数见表1。
该工程基桩施工时,桩顶未按设计要求压至设计标高,桩头露出开挖面1～2m左右,基坑开挖深度为2.5m,未采取任何措施一挖到底。当基坑土方开挖全部结束后砍桩之前,发现部分基桩发生偏斜,基坑周边的基桩偏斜较为严重,最大偏斜量达到1000mm,基坑中部基桩偏斜较小或没有偏斜。经基桩低应变动测检测,总桩数为83根,其中Ⅰ类桩38根,占46%;Ⅱ类桩14根,占17%;Ⅲ类桩31根,占37%,断裂位置均在桩顶下8～9m左右。
3 基桩偏斜的原因
设计要求承台开挖深度为2.5m,基坑开挖后形成的临空面较高,一方面由于上部土层均为新近填土,土体松散、欠固结、含水量高,又加上场地连日下雨,土体强度及稳定性明显降低;另一方面由于桩基施工,引起地基土一定程度的扰动,基坑底面淤泥层灵敏度高,受扰动后强度明显下降;更为主要的是桩基施工时所产生的挤土效应,使得桩侧土的侧向推力明显增大。
由于PHC桩的壁较薄,抵御水平荷载的能力较差,在较大的侧向主动土压力和挤土效应产生的侧向推力的作用下,桩极易产生侧向位移,当侧向位移量超过一定数量时,PHC桩桩身将出现断裂现象。基桩低应变动测测出部分基桩出现偏斜,基坑周边的基桩偏斜较为严重,证实了以上偏斜原因的推断是正确的。偏斜基桩的断裂均在桩顶下8～9m左右,为基坑下淤泥层与中砂层的交界处,这正是基坑土体侧向力作用下桩身产生最大弯矩的相对位置。
4 桩身断裂情况的评价
采用基桩低应变动测能较为准确地判断受偏斜的基桩的桩身完整性。但由于低应变动测只能进行定性判断,当桩身出现裂缝判为Ⅱ或Ⅲ类桩时,无法对桩身裂缝的宽度进行定量分析,因而无法进一步对桩身结构影响程度进行分析。本工程采用基桩孔内摄像技术对桩身裂缝情况进行识别,为桩身结构影响分析提供实测数据。基桩孔内摄像技术方法是:在预制有桩身竖向孔的预制桩或钻有竖向孔的灌注桩上采用防水摄像头及其配套设备按一定的速度对整根桩或桩身的局部进行拍摄,并记录拍摄过程。通过现场观察及后期逐帧观察,可识别桩身的缺陷位置、形式及大小,据此分析桩身的完整性并能准确定位缺陷位置。所用仪器为福建省建筑科学研究院研制的GS-1型基桩孔内摄像仪,该仪器有较好的防水能力、充足的照度、清晰的成像效果及充足的拍摄时长。
基桩孔内摄像技术检测桩身完整分类方法为:
Ⅰ类:桩身未发现可见缺陷;
Ⅱ类:桩身有轻微缺陷;(缺陷宽度较小或宽度中等但仅局部扫描截面存在);
Ⅲ类:桩身有明显缺陷;(缺陷宽度中等、全扫描截面存在)
Ⅳ类:桩身存在严重缺陷。(缺陷宽度较大、甚至出现错位)
本次对有偏斜的动测判为Ⅱ、Ⅲ类桩的基桩进行孔内摄像试验,现将部分典型基桩低应变动测和孔内摄像试验结果对比如表2,部分基桩孔内摄像缺陷位置照片见图1。从结果对比情况来看,低应变动测确定桩身缺陷的类型和位置与孔内摄像实测情况基本一致,说明低应变动测具有较高的准确性;部分基桩在低应变动测判为Ⅲ类桩时,经孔内摄像试验进行实测观察,可识别桩身的裂缝位置、形式及大小,并根据实测裂缝情况对桩身完整性类别进行修改,从而更为准确地判断桩身完整性的类别。通过低应变动测和孔内摄像试验的对比试验,能准确判别受偏斜基桩的桩身完整性,确定偏斜基桩的可用程度,为设计人员进行事故处理提供有效的实测数据。
5 偏斜桩桩身竖向承载力计算
当偏斜基桩低应变动测判定为Ⅰ、Ⅱ类桩时,其桩身结构基本不受影响,可满足设计要求。然而,桩受偏斜,其桩身竖向承载力肯定受到影响,其影响程度是如何?当偏斜量为多少时对应的桩身竖向承载力为多少?是设计人员处理此类事故首要必须解决的问题。
发生偏斜已经产生横向位移的基桩,其桩身承受竖向荷载的计算模式可以简化为承受竖向荷载又加上一个偏心矩,这个偏心矩的大小为竖向荷载与偏心距的乘积,如图2。此时桩身的竖向承载力可按文献[2]中环形截面偏心受压构件的计算公式进行计算,桩身正截面受压承载力应符合以下公式(1)和(2)要求。
式中各符号的定义详文献[2]。文献[2]的条文解释说明,运用上述公式(1)和(2)不需要区分大小偏心受压,式中α表示受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值。令α=1-i/18,i=0,1,218,依次计算公式(1)和(2),并使偏心距增大系数η=1,可得桩顶偏心力、偏心弯矩和相对应的偏心距。也可求得桩身极限弯矩及相应的竖向承载力和偏心距。
本工程使用Φ500A型PHC桩,外径与内径分别为500和300mm,混凝土强度等级为C80,fc=35.9N/mm2,ftk=3.11N/mm2,混凝土弹性模量Eh=3.8×104N/mm2,预应力钢筋为10Φ9.0,钢筋弹性模量Eg=2.0×105N/mm2,钢筋所在圆的直径Dp=410mm,有效预压应力σpc=3.9MPa。将以上已知条件代入公式(1)和(2),并使偏心矩增大系数η=1,可得桩身竖向承载力、桩身弯矩和相对应的偏心距的关系,计算结果如图3所示。由图3可知,当基桩发生偏斜,其偏斜量有多少,可从图中计算出其单桩桩身竖向极限承载力的对应值。
图3表明,随竖向力偏心距的增大,桩身竖向承载力在减小,而桩身弯矩在增大,当偏心距达到173mm时,桩身弯矩达到极限值293kN.m,随后,桩身弯矩也随偏心距的增大而减小。
桩身的竖向极限承载力、抗裂弯矩、极限弯矩等力学指标尚应满足国标GB13476-1999标准和相关标准图的要求。
6 偏斜桩处理方案
根据现场实测基桩偏斜量,采用以上的承载力计算方法,对桩身未破坏的Ⅰ、Ⅱ类桩继续利用其剩余承载力,计算出每根桩的实际竖向承载力。
补桩处理按每个承台进行,对每个承台内的各个基桩实际承载力进行评定后,得出每个基桩的竖向承载力特征值,求和得出承台群桩的竖向承载力特征值。复核相应于荷载效应标准组合作用于承台顶面的竖向力与桩基承台和承台上土自重标准值之和与承台群桩的竖向承载力特征值的差值,按照此差值进行补桩设计。
本工程补桩采用钻孔灌注桩,根据承台桩基承载力差值进行补桩承载力设计,每个承台补1～2根桩,桩端持力层进入中风化花岗岩层0.5m。
7 结语
⑴场地工程地质情况、桩基施工及基坑开挖措施是本工程造成部分基桩偏斜的主要原因。在受桩基施工扰动的欠固结新填土和软土层进行基坑开挖施工时,应采取必要的措施,方能保证基坑内基桩的安全。
⑵采用基桩低应变动测和基桩孔内摄像技术联合试验,可识别桩身的裂缝位置、形式及大小,能准确判别受偏斜基桩的桩身完整性类别,确定偏斜基桩的可用程度,为设计人员进行事故处理提供有效的实测数据。
⑶运用本文对偏斜桩桩身竖向承载力的计算方法,可得预应力高强混凝土管桩在偏心荷载作用下桩身竖向极限承载力、桩身弯矩和相对应的偏心距关系曲线,为准确评价偏斜桩竖向承载力提供直观、有效的手段。
⑷本文对偏斜PHC桩的分析方法也适用偏心荷载作用下其他类型的桩。
8 参考文献
1.中华人民共和国国家标准《先张法预应力混凝土管桩》(GB13476-1999)[S]
2.中华人民共和国国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)[S]
3.张耀年,横向受荷桩的通解[J]岩土工程学报,1998年第20卷第1期,pp84～86
4.许国平,静压PHC桩的荷载传递试验研究[J]建筑结构,2005年第35卷第7期,pp32～36
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