摘 要:本文結(jié)合工程實(shí)例,分析土方開(kāi)挖造成基樁偏斜的成因,采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像技術(shù)準(zhǔn)確評(píng)定樁身斷裂情況,計(jì)算分析偏心荷載作用下基樁豎向承載力,為設(shè)計(jì)人員處理基樁偏斜事故提供有益的借鑒。
關(guān)鍵詞: 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁 基樁偏斜 孔內(nèi)攝像 豎向承載力
1 引言
預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁( PHC樁)是我省當(dāng)前建設(shè)工程中使用最為廣泛的樁基類型。由于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的壁較薄,抵御水平荷載的能力較差,常會(huì)因?yàn)闃痘┕せ颥F(xiàn)場(chǎng)基坑開(kāi)挖不當(dāng)造成基樁偏斜,導(dǎo)致基樁樁身斷裂等質(zhì)量事故發(fā)生,嚴(yán)重影響基樁的豎向承載力,無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。如何正確分析基樁偏斜事故的原因,準(zhǔn)確評(píng)定樁身斷裂情況,分析基樁豎向承載力的影響程度,成為設(shè)計(jì)人員在事故處理中必須解決的問(wèn)題。本文結(jié)合工程實(shí)例,分析造成基樁偏斜的原因,采用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像技術(shù)準(zhǔn)確評(píng)定樁身斷裂情況,計(jì)算分析偏心荷載作用下基樁豎向承載力,為設(shè)計(jì)人員處理基樁偏斜事故提供有益的借鑒。
2 工程概況
某電廠鍋爐房工程,樁基礎(chǔ)采用PHC樁,樁徑500mm,壁厚100mm,設(shè)計(jì)樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,采用靜壓法施工。場(chǎng)地土層分布為:
1. 素填土:松散狀,干～稍濕,厚度2. 6～3. 8m;
2. 淤泥:飽和,軟塑,厚度5. 3～11. 1m;
3. 中砂:松散～中密,飽和,厚度0. 5～6. 8m;
4. 粉質(zhì)粘土:飽和,可塑～硬塑,厚度0. 5～3. 8m;
5. 淤泥質(zhì)土層:飽和,軟塑,厚度0. 9～2. 1m;
6. 殘積砂質(zhì)粘土:濕,可塑～硬塑,厚度1. 7～11. 0m;
7. 全風(fēng)化花崗巖:濕,堅(jiān)硬,厚度0. 4～15. 7m;
8. 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:濕,堅(jiān)硬,厚度2. 2～19. 5m。
9. 微風(fēng)化花崗巖:巖體基本等級(jí)為II級(jí),部分揭露。
各土層物理力學(xué)指標(biāo)和設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。
該工程基樁施工時(shí),樁頂未按設(shè)計(jì)要求壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高,樁頭露出開(kāi)挖面1～2m左右,基坑開(kāi)挖深度為2. 5m,未采取任何措施一挖到底。當(dāng)基坑土方開(kāi)挖全部結(jié)束后砍樁之前,發(fā)現(xiàn)部分基樁發(fā)生偏斜,基坑周邊的基樁偏斜較為嚴(yán)重,最大偏斜量達(dá)到1000mm,基坑中部基樁偏斜較小或沒(méi)有偏斜。經(jīng)基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢測(cè),總樁數(shù)為83根,其中Ⅰ類樁38根,占46%; Ⅱ類樁14根,占17%; Ⅲ類樁31根,占37% ,斷裂位置均在樁頂下8～9m左右。
3 基樁偏斜的原因
設(shè)計(jì)要求承臺(tái)開(kāi)挖深度為2. 5m,基坑開(kāi)挖后形成的臨空面較高,一方面由于上部土層均為新近填土,土體松散、欠固結(jié)、含水量高,又加上場(chǎng)地連日下雨,土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性明顯降低;另一方面由于樁基施工,引起地基土一定程度的擾動(dòng),基坑底面淤泥層靈敏度高,受擾動(dòng)后強(qiáng)度明顯下降;更為主要的是樁基施工時(shí)所產(chǎn)生的擠土效應(yīng),使得樁側(cè)土的側(cè)向推力明顯增大。
由于PHC樁的壁較薄,抵御水平荷載的能力較差,在較大的側(cè)向主動(dòng)土壓力和擠土效應(yīng)產(chǎn)生的側(cè)向推力的作用下,樁極易產(chǎn)生側(cè)向位移,當(dāng)側(cè)向位移量超過(guò)一定數(shù)量時(shí), PHC樁樁身將出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象?；鶚兜蛻?yīng)變動(dòng)測(cè)測(cè)出部分基樁出現(xiàn)偏斜,基坑周邊的基樁偏斜較為嚴(yán)重,證實(shí)了以上偏斜原因的推斷是正確的。偏斜基樁的斷裂均在樁頂下8～9m左右,為基坑下淤泥層與中砂層的交界處,這正是基坑土體側(cè)向力作用下樁身產(chǎn)生最大彎矩的相對(duì)位置。
4 樁身斷裂情況的評(píng)價(jià)
采用基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)能較為準(zhǔn)確地判斷受偏斜的基樁的樁身完整性。但由于低應(yīng)變動(dòng)測(cè)只能進(jìn)行定性判斷,當(dāng)樁身出現(xiàn)裂縫判為Ⅱ或Ⅲ類樁時(shí),無(wú)法對(duì)樁身裂縫的寬度進(jìn)行定量分析,因而無(wú)法進(jìn)一步對(duì)樁身結(jié)構(gòu)影響程度進(jìn)行分析。本工程采用基樁孔內(nèi)攝像技術(shù)對(duì)樁身裂縫情況進(jìn)行識(shí)別,為樁身結(jié)構(gòu)影響分析提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?；鶚犊變?nèi)攝像技術(shù)方法是:在預(yù)制有樁身豎向孔的預(yù)制樁或鉆有豎向孔的灌注樁上采用防水?dāng)z像頭及其配套設(shè)備按一定的速度對(duì)整根樁或樁身的局部進(jìn)行拍攝,并記錄拍攝過(guò)程。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及后期逐幀觀察,可識(shí)別樁身的缺陷位置、形式及大小,據(jù)此分析樁身的完整性并能準(zhǔn)確定位缺陷位置。所用儀器為福建省建筑科學(xué)研究院研制的GS - 1型基樁孔內(nèi)攝像儀,該儀器有較好的防水能力、充足的照度、清晰的成像效果及充足的拍攝時(shí)長(zhǎng)。
基樁孔內(nèi)攝像技術(shù)檢測(cè)樁身完整分類方法為:
Ⅰ類:樁身未發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)缺陷;
Ⅱ類:樁身有輕微缺陷; (缺陷寬度較小或?qū)挾戎械鹊珒H局部掃描截面存在) ;
Ⅲ類:樁身有明顯缺陷; (缺陷寬度中等、全掃描截面存在)
Ⅳ類:樁身存在嚴(yán)重缺陷。(缺陷寬度較大、甚至出現(xiàn)錯(cuò)位)
本次對(duì)有偏斜的動(dòng)測(cè)判為Ⅱ、Ⅲ類樁的基樁進(jìn)行孔內(nèi)攝像試驗(yàn),現(xiàn)將部分典型基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2,部分基樁孔內(nèi)攝像缺陷位置照片見(jiàn)圖1。從結(jié)果對(duì)比情況來(lái)看,低應(yīng)變動(dòng)測(cè)確定樁身缺陷的類型和位置與孔內(nèi)攝像實(shí)測(cè)情況基本一致,說(shuō)明低應(yīng)變動(dòng)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性;部分基樁在低應(yīng)變動(dòng)測(cè)判為Ⅲ類樁時(shí), 經(jīng)孔內(nèi)攝像試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)觀察, 可識(shí)別樁身的裂縫位置、形式及大小, 并根據(jù)實(shí)測(cè)裂縫情況對(duì)樁身完整性類別進(jìn)行修改, 從而更為準(zhǔn)確地判斷樁身完整性的類別。通過(guò)低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和孔內(nèi)攝像試驗(yàn)的對(duì)比試驗(yàn), 能準(zhǔn)確判別受偏斜基樁的樁身完整性, 確定偏斜基樁的可用程度, 為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行事故處理提供有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
5 偏斜樁樁身豎向承載力計(jì)算
當(dāng)偏斜基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)判定為Ⅰ、Ⅱ類樁時(shí),其樁身結(jié)構(gòu)基本不受影響,可滿足設(shè)計(jì)要求。然而,樁受偏斜,其樁身豎向承載力肯定受到影響,其影響程度是如何? 當(dāng)偏斜量為多少時(shí)對(duì)應(yīng)的樁身豎向承載力為多少? 是設(shè)計(jì)人員處理此類事故首要必須解決的問(wèn)題。
發(fā)生偏斜已經(jīng)產(chǎn)生橫向位移的基樁,其樁身承受豎向荷載的計(jì)算模式可以簡(jiǎn)化為承受豎向荷載又加上一個(gè)偏心矩,這個(gè)偏心矩的大小為豎向荷載與偏心距的乘積,如圖2。此時(shí)樁身的豎向承載力可按文獻(xiàn)[ 2 ]中環(huán)形截面偏心受壓構(gòu)件的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,樁身正截面受壓承載力應(yīng)符合以下公式(1)和(2)要求。
式中各符號(hào)的定義詳文獻(xiàn)[ 2 ]。文獻(xiàn)[ 2 ]的條文解釋說(shuō)明,運(yùn)用上述公式(1)和(2)不需要區(qū)分大小偏心受壓,式中α表示受壓區(qū)混凝土截面面積與全截面面積的比值。令α =1 - i/18, i = 0, 1, 2⋯⋯18,依次計(jì)算公式(1)和(2) ,并使偏心距增大系數(shù)η = 1,可得樁頂偏心力、偏心彎矩和相對(duì)應(yīng)的偏心距。也可求得樁身極限彎矩及相應(yīng)的豎向承載力和偏心距。
本工程使用Φ500A 型PHC樁,外徑與內(nèi)徑分別為500和300mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80, fc = 35. 9N /mm2 , ftk = 3.11N /mm2 ,混凝土彈性模量Eh = 3. 8 ×104N /mm2 ,預(yù)應(yīng)力鋼筋為10Φ9. 0,鋼筋彈性模量Eg = 2. 0 ×105N /mm2 ,鋼筋所在圓的直徑Dp = 410mm,有效預(yù)壓應(yīng)力σpc = 3. 9MPa。將以上已知條件代入公式(1)和(2) ,并使偏心矩增大系數(shù)η = 1,可得樁身豎向承載力、樁身彎矩和相對(duì)應(yīng)的偏心距的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)基樁發(fā)生偏斜,其偏斜量有多少,可從圖中計(jì)算出其單樁樁身豎向極限承載力的對(duì)應(yīng)值。
圖3表明,隨豎向力偏心距的增大,樁身豎向承載力在減小,而樁身彎矩在增大,當(dāng)偏心距達(dá)到173mm時(shí),樁身彎矩達(dá)到極限值293kN. m,隨后,樁身彎矩也隨偏心距的增大而減小。
樁身的豎向極限承載力、抗裂彎矩、極限彎矩等力學(xué)指標(biāo)尚應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)GB13476 - 1999標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖的要求。
6 偏斜樁處理方案
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基樁偏斜量,采用以上的承載力計(jì)算方法,對(duì)樁身未破壞的Ⅰ、Ⅱ類樁繼續(xù)利用其剩余承載力,計(jì)算出每根樁的實(shí)際豎向承載力。
補(bǔ)樁處理按每個(gè)承臺(tái)進(jìn)行,對(duì)每個(gè)承臺(tái)內(nèi)的各個(gè)基樁實(shí)際承載力進(jìn)行評(píng)定后,得出每個(gè)基樁的豎向承載力特征值,求和得出承臺(tái)群樁的豎向承載力特征值。復(fù)核相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用于承臺(tái)頂面的豎向力與樁基承臺(tái)和承臺(tái)上土自重標(biāo)準(zhǔn)值之和與承臺(tái)群樁的豎向承載力特征值的差值,按照此差值進(jìn)行補(bǔ)樁設(shè)計(jì)。
本工程補(bǔ)樁采用鉆孔灌注樁,根據(jù)承臺(tái)樁基承載力差值進(jìn)行補(bǔ)樁承載力設(shè)計(jì),每個(gè)承臺(tái)補(bǔ)1～2根樁,樁端持力層進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖層0. 5m。
7 結(jié)語(yǔ)
⑴場(chǎng)地工程地質(zhì)情況、樁基施工及基坑開(kāi)挖措施是本工程造成部分基樁偏斜的主要原因。在受樁基施工擾動(dòng)的欠固結(jié)新填土和軟土層進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工時(shí),應(yīng)采取必要的措施,方能保證基坑內(nèi)基樁的安全。
⑵采用基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和基樁孔內(nèi)攝像技術(shù)聯(lián)合試驗(yàn),可識(shí)別樁身的裂縫位置、形式及大小,能準(zhǔn)確判別受偏斜基樁的樁身完整性類別,確定偏斜基樁的可用程度,為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行事故處理提供有效的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
⑶運(yùn)用本文對(duì)偏斜樁樁身豎向承載力的計(jì)算方法,可得預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁在偏心荷載作用下樁身豎向極限承載力、樁身彎矩和相對(duì)應(yīng)的偏心距關(guān)系曲線,為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)偏斜樁豎向承載力提供直觀、有效的手段。
⑷本文對(duì)偏斜P(pán)HC樁的分析方法也適用偏心荷載作用下其他類型的樁。
8 參考文獻(xiàn)
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