宿遷地區(qū)預應力混凝土管樁應用研究

1 　江蘇宿遷地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造

　　宿遷地區(qū)位于郯城—廬江斷裂帶上，郯城—廬江斷裂帶是我國東部大陸最重要的斷裂構(gòu)造帶之一，呈NNE 向延長約850km，地表寬度20～40km。斷裂帶自東而西由四條連續(xù)良好的主干斷裂(依次稱為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4斷裂) 組成(見下圖)。迄今的研究表明[3～7]，郯廬斷裂帶屬于殼斷裂帶，對應于一條顯著的地幔隆起帶，沿帶的莫霍面埋深為30km，而其東西兩側(cè)的埋深則分別為31km 和33～36km。

　　宿遷市及其新城區(qū)地處郯廬斷裂帶的中段，介于王莊集—蘇圩斷裂(F1)與大官莊—雙莊斷裂( F2)之間。延續(xù)性稍差的橋北鎮(zhèn)—宿遷斷裂(沿馬陵山、嶂山西側(cè)展布，習慣上稱為F5) 恰好穿越市區(qū)。緊鄰市區(qū)的北緣，是一條大致沿京杭大運河分布的北西向宿遷閘—皂河南斷裂。因此可以說，本文所述的宿遷地區(qū)，是被界定在大官莊—雙莊斷裂、橋北鎮(zhèn)—宿遷斷裂和宿遷閘—皂河南斷裂所構(gòu)成的“π”型區(qū)近頂部、面積約為15km2 的局部區(qū)域。地質(zhì)事實[3]證明郯廬斷裂帶的存在應不晚于中生代。但城區(qū)范圍內(nèi)，基巖全部被第四紀松散的廢黃河堆積與灘漫沉積物覆蓋?；鶐r以上的地層為Q4 :全新統(tǒng)灰黑色粉砂、灰黃色粉土層，厚度一般10～20m ，廢黃河漫灘地帶厚度可大于30m;Q3:上更新統(tǒng)含鈣質(zhì)結(jié)核、鐵錳質(zhì)結(jié)核的硬粘土、粉質(zhì)粘土層，下部為含礫中砂、細砂層，厚度約10～35 m;Q1 - 2:中、下更新統(tǒng)灰黃色砂礫層夾薄粘土，厚度15～35m;N2 :上新統(tǒng)灰白色砂土層，層厚約50m ，在老城區(qū)北部最厚可達80m。也就是說，新區(qū)內(nèi)基巖的最大埋深應超過100m。

2 　宿遷地區(qū)的地質(zhì)缺陷

　　地質(zhì)缺陷系指影響地基條件均勻性、穩(wěn)定性，并在特定因素作用下可能導致災害事件發(fā)生的地質(zhì)體不利成份、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征，還包括對基礎(chǔ)工程施工工藝構(gòu)成直接妨礙的一些地質(zhì)因素。根據(jù)上文的分析，筆者認為，活動的周邊斷層和上部沉積層因快速堆積形成的復雜、松散結(jié)構(gòu)是宿遷市新城區(qū)地基最明顯的地質(zhì)缺陷。其對地基穩(wěn)定性的主要影響表現(xiàn)在如下4 個方面。

　　⑴地震：郯廬斷裂帶是我國東部大陸著名的強震活動帶。江蘇地震局經(jīng)過綜合評估后也認為，宿遷新城區(qū)分布在一個7級潛在震源區(qū)內(nèi)，建筑物需要按9度防震設(shè)計。

　　⑵斷層引起地基錯斷或差異沉降：炮車—新沂水準測線的觀察資料顯示， 1953 ～1979 年間，沂水—湯頭斷裂以西表現(xiàn)為地面上升，以東則為下降，兩側(cè)最大落差近30 mm[8] 。此外，由武漢地震大隊1976～1977 年在宿遷對三角邊網(wǎng)的激光測距資料與1973 年測量數(shù)據(jù)相比，反映出了斷裂帶在宿遷段正在進行的左行壓扭性活動[8] 。斷層活動時次生的應力場仍有可能造成新城區(qū)地基土層的剪切破壞，其破壞能力隨至主斷層面的距離增大而減弱。

　?、菑碗s多變的地層結(jié)構(gòu)：由于活動斷裂的影響以及分布在新區(qū)內(nèi)的廢黃河在歷史上的沖刷與漫灘沉積作用，覆蓋在基巖上的新生代沉積層呈現(xiàn)出復雜多變的特征。土層的復雜多變，增加了地基條件的不可預見性，導致地基勘察與基礎(chǔ)設(shè)計的困難，且極易因基礎(chǔ)承載力的局部差異引起建筑物的不均勻沉降。

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　　⑷地基上的液化：土的液化系指常態(tài)下表現(xiàn)為固體特性的土壤，在抗剪強度降低或完全消失時變得容易變形而顯示出近乎液體特性的一種現(xiàn)象[9] 。宿遷新城區(qū)全新統(tǒng)沉積層為與廢黃河發(fā)育相關(guān)的堆積崗地、河漫灘沉積的粉砂、粉土和粉質(zhì)粘土。據(jù)江蘇省水文地質(zhì)工程勘察院對宿遷市黨政機關(guān)辦公樓、宿遷市電信大樓、宿遷市武警綜合樓等工程地基的勘察資料，這里全新統(tǒng)層厚一般均大于15 m ，潛水面埋深1～2.5m ，粉土中粘粒含量<10% ，孔隙比> 0.7。可以認為，整體上宿遷地區(qū)上覆全新統(tǒng)沉積層屬于嚴重的可液化土層。統(tǒng)計顯示，在地震條件下由地基液化造成嚴重損害的建筑物數(shù)目約占地基基礎(chǔ)震害總數(shù)的54%[10] 。顯然，在一個7級潛在震源區(qū)內(nèi)，誘發(fā)因素確實存在，無疑使可液化土層成為宿遷新城區(qū)地基災害最為突出的事故隱患。

3 　宿遷地區(qū)基礎(chǔ)類型分析

　　基礎(chǔ)類型的選擇通常主要是根據(jù)地基地質(zhì)條件、場地條件以及建筑物結(jié)構(gòu)需要來確定的。側(cè)重于地基地質(zhì)條件，本文就目前宿遷地區(qū)已采用的幾種主要的樁基礎(chǔ)和復合地基類型對新區(qū)的適應性略作如下探討。

　　 ⑴鉆孔灌注樁：這是一種適用性廣泛的樁基礎(chǔ)，單樁承載力高、施工噪音小、樁長及樁徑設(shè)計靈活性大。缺點是工程造價較高、泥漿處理麻煩、質(zhì)量控制有一定難度。

　?、瞥凉芄嘧叮撼凉芄嘧兜臉稄?、樁長設(shè)計也可以隨地質(zhì)條件的變化在一定范圍內(nèi)作適當調(diào)整，而且此類樁基施工進度快、工期短、造價低，同樣也是一種被廣泛采用的基礎(chǔ)類型但考慮到區(qū)內(nèi)液化層的折減，且沉管過程積聚在管壁外粉土、粉質(zhì)粘土內(nèi)的超孔隙水壓在拔管后，極易對未凝固的樁身壓迫造成縮經(jīng)甚至因局部土體移動引起樁身剪切破壞，樁身質(zhì)量無法得到保證。故此類樁基的應用在很大程度上受到了限制。

　?、撬嘞瞪顚訑嚢鑿秃系鼗壕褪撬嗤恋墓袒?。不過，由于地基土含水量太大、土體粘粒含量太低等因素不利于水泥土的固化，且此方法加固深度較淺(一般小于12 m)[11]。故其在宿遷新城區(qū)內(nèi)的應用難以推廣。

　　⑷擠密沉管砂樁和沉管碎石樁：沉管砂樁和沉管碎石樁屬于散體材料樁復合地基，主要用于砂土和可液化的粉土地基加固。但由于施工質(zhì)量難以控制，在宿遷地區(qū)使用受到一定的限制。

4  預應力混凝土管樁在宿遷地區(qū)的應用

　　4.1 　預應力混凝土管樁的主要特點

　　我國自20世紀80年代初才開始引進、研制和生產(chǎn)預應力混凝土管樁。工程實踐表明，預應力混凝土管樁與傳統(tǒng)的沉管灌注樁、鉆孔灌孔樁和現(xiàn)場預制方樁相比，具有樁身質(zhì)量穩(wěn)定可靠、施工工期短、承載力高、造價經(jīng)濟、監(jiān)理方便等優(yōu)點。近幾年已越來越受到內(nèi)地工程界技術(shù)人員和建設(shè)業(yè)主的歡迎，在工業(yè)與民用建筑和高速公路等建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛[13] 。

　　預應力混凝土管樁是采用預應力工藝和離心成型法制成的一種細長空心體混凝土預制構(gòu)件，是一種采用擠土或半擠土的樁基形式，是將建筑物的荷載傳給地基土的具有一定抗彎、抗壓性能的受力桿件[13] 。管樁按樁身混凝土強度等級的不同分為PC樁(C60，C70)和PHC樁(C80)；按樁身抗裂彎矩的大小分為A型、AB型和B型;外徑300mm～600mm ，壁厚65mm～125mm ，常用節(jié)長7m～15m。

　　眾所周知，預應力管樁一般采用靜壓法和錘擊法施工;樁尖形式有十字型、錐型和開口型;樁節(jié)之間的連接采用端頭焊接連接。通過大量工程實踐，對單樁承載力特征值的正確取值積累了一定經(jīng)驗，一般情況下，高強預應力混凝土管樁的單樁承載力特征值按其樁徑大小進行選取，即樁徑300，400，500的樁分別取700kN ，1100kN ，2000kN。在粘性土地基上進行樁基礎(chǔ)施工，隨著沉樁后停歇時間的延長，樁承載力會逐漸增大，初期較快而后期較慢，經(jīng)一段時間后才趨于穩(wěn)定。

　　根據(jù)以往管樁檢測資料，某些粘性土地基高強預應力管樁的極限承載力會比終壓力提高20%～40% ，當然對其承載力工后增大效應也應根據(jù)樁長和地質(zhì)勘察資料等做出準確估算。在淤泥地區(qū)、填土較厚地區(qū)以及以粗砂、礫砂為持力層的較短的高強預應力管樁，由于樁側(cè)負摩擦力的作用，隨著沉樁歇時間的延長，樁承載力會逐漸減小，經(jīng)一段時間后才趨于穩(wěn)定。在樁基檢測中，發(fā)現(xiàn)超短樁( L≤8m) 也常出現(xiàn)上述情況，單樁極限承載力會比終壓力降低25%以上。預應力管樁持力層軟化和基樁上浮也會引起樁極限承載力下降，導致樁基檢測不合格。雖然采用混凝土填芯法和復打、復壓等措施可有效提高樁承載力，但建議在設(shè)計時樁承載力特征值取值稍低于正常值。

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　　管樁較適合的應用條件:1)要求單樁豎向極限承載力標準值在2400kN～5600kN 之間的建筑，選用管樁較經(jīng)濟合理;2)基巖埋深在15m～30m左右，有較厚的強風化巖層作持力層，持力層標貫在45擊左右較合理;3)淤泥軟土較厚的地基、近海建筑，采用其他樁型易出現(xiàn)質(zhì)量事故，采用管樁為首選[15]。因靜壓樁施工工藝具有噪音小、振動小、造價低、施工速度快的特點，近年來預應力混凝土管樁在國內(nèi)得到了廣泛應用。

　　4.2 　預應力混凝土管樁承載力以及水平(地震) 荷載作用下承載性能

　　豎向承載性能[17]：①降低了施工難度和勞動強度，避免了斷樁、夾泥和局部缺陷等質(zhì)量事故;通過管壁預留孔觀測，能及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，彌補缺陷，減少損失。②提高了樁的承載能力，特別是樁尖承載力增加40%以上，周邊摩阻力和垂直荷載均提高30%左右，總沉降量減少1/3 ，增加了結(jié)構(gòu)的安全可靠度。③大大減少了混凝土工程量，降低了工程造價。相同直徑的空心樁與實心樁相比，每延米減少50%以上，而且，隨著樁尖反力和樁周摩阻力的增加，樁長也可縮短，進一步減少了工程量。

　　水平(地震) 荷載作用下承載性能[18]：根據(jù)水平試驗研究表明:管樁在一定水平荷載范圍內(nèi)，樁土處于彈性狀態(tài)，每級加載增量與位移增量基本呈線性關(guān)系，卸載后變形大部分可以恢復，殘余變形量較小。因此只有在小應變條件下，土體的抗力才能有效發(fā)揮出來;當分級循環(huán)加載至臨界荷載時，是反映PHC樁抗水平力的一個特性點。試樁位移量均在10mm 范圍內(nèi)。與其他樁型相比較，在同等量級的荷載作用下，預應力混凝土管樁具有同等的抗震性能，可放心使用。在管樁的設(shè)計中，要充分考慮管樁的承載力，合理取值，避免浪費或取值過低埋下安全隱患。

　　1995年1月17是日本南部阪神強烈地震后，日本管樁及電桿協(xié)會對地震建筑物的基礎(chǔ)進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)建筑物的基礎(chǔ)除了使用管樁外都受到了不同程度的破壞，尤其是現(xiàn)場灌注樁破壞率很高。同時也表明了PHC管樁在抗震方面有很大的優(yōu)勢，這也是1995-1996年日本管樁產(chǎn)量回升的主要原因。在日本現(xiàn)在各種基礎(chǔ)上都大量應用管樁，無論是市內(nèi)建設(shè)或市郊建設(shè)在用樁上都有一套比較好的施工方法來支持，從建筑要求、環(huán)境保護、施工質(zhì)量、施工安全、企業(yè)效益等方面進行綜合考慮制訂可行的施工方案，這也為管樁可以很好應用得到了保障。

　　4.3預應力混凝土管樁在宿遷地區(qū)的應用

　　隨著宿遷城區(qū)作為江蘇省重點開發(fā)城市，基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模投入建設(shè)，預應力混凝土管樁樁身質(zhì)量穩(wěn)定可靠、施工設(shè)備簡單，不需要大型施工機械，承載力高、造價經(jīng)濟、見效快;又可用于工廠化生產(chǎn)，避免了大量澆筑水下混凝土的繁重勞動，并可采用流水作業(yè)加快施工進度，監(jiān)理方便、實現(xiàn)文明、安全施工。預應力混凝土管樁在宿遷的應用同時得到普遍推廣。

　　目前，在宿遷新城區(qū)，各種基礎(chǔ)建設(shè)項目中已在普遍使用預應力混凝土管樁，具體應用舉例如下表，并通過靜載檢測，單樁承載力都超過設(shè)計要求。

　　4.4管樁施工技術(shù)措施

　　管樁現(xiàn)場質(zhì)量檢驗:在預應力混凝土管樁進場時，除對生產(chǎn)廠家的資質(zhì)、該批管樁的檢驗報告、合格證、管樁預應力張拉應力表、管樁的混凝土、鋼筋、主要附件等檢測報告進行檢查外，還應在現(xiàn)場檢查樁身質(zhì)量，如管樁內(nèi)、外徑尺寸偏差;管樁樁身的裂縫、裂縫寬度(不得出現(xiàn)環(huán)向及縱向裂縫) ;樁帽是否空鼓、空鼓的范圍及程度。

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其中，對管樁混凝土的外觀質(zhì)量應仔細檢查，如有懷疑，應抽樣送有資質(zhì)的檢測單位進行超聲波檢查。管樁施工目前主要采用靜力壓樁以及錘擊沉樁。樁錘的合理選擇:錘擊沉樁時，應根據(jù)樁徑、壁厚、打入深度、工程條件及樁密集程度合理選用樁錘。樁錘選擇總的原則是保證樁的承載力滿足設(shè)計要求;順利地將樁沉到設(shè)計要求的持力層和深度;滿足設(shè)計要求的最后貫入度;打樁破損率低;每根樁總錘擊數(shù)控制在2000擊以內(nèi)。樁身垂直度控制:樁身保持垂直，可減少打樁時因偏心受壓而使樁身破壞的機會，成樁后樁的垂直度也能得到保證。為此，需對場地進行認真的平整壓實，避免在施打過程中因振動而使樁架產(chǎn)生不均勻沉降，導致樁機導桿不垂直;在打樁過程中樁身始終要保持垂直，送樁桿應和樁身在同一中心線上，以控制成樁垂直度偏差不超過1%。管樁接頭焊接處理:接頭質(zhì)量是管樁樁基質(zhì)量的關(guān)鍵，樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計要求接頭的抗彎強度必須大于樁身的抗彎強度，以保證在樁基施打過程中接頭能經(jīng)受成百上千次的錘擊而不破壞。[13、19]靜壓法植樁，在中國尚是近十年來才發(fā)展起來，與錘擊法相比較，它具有成樁質(zhì)量好、壓樁速度快等等諸多優(yōu)點，發(fā)展前景好，從國內(nèi)預應力混凝土管樁的施工發(fā)展過程來看，在城市植樁施工中，毫無疑問，靜壓樁機將取代柴油錘樁機，但仍要注意，樁身垂直度控制，以控制成樁垂直度偏差不超過1%，保證管樁接頭焊接質(zhì)量。不能過份強調(diào)提高靜壓樁的承載力，要防止陷機，夾裂（夾碎）管樁，擠土上抬，縱向壓碎，深度折斷（漂樁）等等一些問題。

　　因此樁接頭焊接要嚴格控制質(zhì)量，盡量避免裂縫。合理安排施工流水:在樁位布置密集的軟土地基上施工管樁，必須合理安排施工流水，控制每日沉樁數(shù)量；在樁基土方或基坑開挖時，挖土宜分層均勻進行，樁周土體高差應控制在合適的范圍內(nèi)；同時土方開挖要有防止樁位移動的措施，否則稍有不慎，就會加大已打入樁的變位，造成擠土影響。

5　結(jié)語及討論

　　預應力管樁以其樁身質(zhì)量可靠、承載力高、經(jīng)濟且施工快速等優(yōu)點，在宿遷地區(qū)逐步得到廣泛應用，并取得了良好的經(jīng)濟效果。但另一方面，預應力高強混凝土管樁基礎(chǔ)應用的時間還不長，對其應用中某些技術(shù)問題還需一個認識、研究、總結(jié)提高的過程。目前，工程實踐的發(fā)展已遠遠超過理論研究水平，現(xiàn)已積累了一定的經(jīng)驗。對管樁與樁帽連接節(jié)點抗彎性能及其承載力的研究還很少，嚴重制約著預應力混凝土管樁的應用。此外，管樁的水平抗力也值得關(guān)注，特別是對管樁在地震作用下的抗震防災效果以及宿遷市新城區(qū)分布在一條至今仍在活動的巨型斷裂帶上。新城區(qū)周邊的活動斷層和地基全新統(tǒng)沉積層的松散結(jié)構(gòu)組成了該區(qū)地基最明顯的地質(zhì)缺陷，而對新區(qū)地基基礎(chǔ)危害最大的則是上部粉砂、粉土層的液化隱患。應引起足夠重視。從技術(shù)合理性、可行性和經(jīng)濟性等原則衡量，筆者認為，在宿遷新城區(qū)內(nèi)，預應力管樁是普遍適用的基礎(chǔ)類型，通過幾十項工程項目施工，獲得和積累了一些數(shù)據(jù)和資料，但還需進一步推廣使用，以完善該技術(shù)。

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