桩尖在大厚度砂层静压法施工中的应用

桩尖在大厚度砂层静压法施工中的应用钱家飞（扬州市桩基有限公司，江苏 扬州 ）摘 要:在预应力管桩施工过程中，遇到需穿越厚度平均厚度16.09m的密实砂土层时，在既满足设计要求，又不影响周边居民正常生活的情况下，采用桩端增设桩尖的方法进行桩径500mm，桩长为43m的管桩静压法施工。关键词:预应力管桩 砂层 静力压桩 桩尖1.工程概况扬州市环洲船用材料有限公司船舶装备-轴舵系项目 建筑面积19444m2，结构形式为钢结构单层厂房，共5跨，最大跨度33m，檐口高度24m。地基基础采用预应力混凝土管桩。因厂方高跨采用200t的行车吊，使用荷载较大且地基土层分布特殊，选层粉砂层为持力层，设计桩径为500mm，桩长43m局部44米。低跨和围护为400mm，桩长24m、26m、30m不等，选层粉砂层为持力层。2.地质条件整个场地各土层厚度分布、土层分布较均匀，土层为由南至北层厚减小，土层为由南至北层厚增大。土层物理力学指标参数如表1所示。表1土层物理力学指标等参数土 层平均厚度/m重度/(kN/m3)孔隙比压缩模量/Mpa承载力/kPa土的状态填土1.5518.40.8694.850可塑、较松散淤泥质粉质粘土12.4817.21.1693.950流塑粉砂夹粉土8.9917.90.9139.7150中密、局部稍密粉砂16.0917.90.87711.5180中密粉砂夹粉土1.9817.41.0207.090稍密、局部中密粉砂未钻穿18.10.85413.9200密实、局部中密图1典型地质剖面图3.工程施工难点(1)、设计要求单桩极限承载力要求达3518kN，根据本地区工程实践经验，最终压桩力为单桩极限承载力的1.31.6倍。而设计桩型为PHC 500 AB 100,桩身材料允许极限为4678KN。（2）、500mm设计桩长为43m，局部44m。需穿越平均厚16.09m，度最大厚度达23.10m厚的层粉砂土层，施工难度较大。4.机械选型粉砂层平均厚度约16.09m标贯击数N为17.9击属中密状态，单桥静力触探锥头阻力平均值为9.19M Pa，这样的土层通常作为较好的桩端持力层，因该厂房采用200t吊车，对沉降要求高，设计要求穿过粉砂和粉砂夹粉土层，选第粉砂层作为持力层。预应力管桩的施工方法可采用锤击桩法和静力压桩法，在桩的承载力较大且土层较密实时常采用锤击桩法进行桩基施工。经过专题讨论后一致认为：锤击桩机施工振动和噪声对周边居民影响较大，不能采用锤击桩法施工，采用静力压桩法施工。5.试桩施工正式压桩施工开始前，按照预应力管桩基础施工规范和设计要求，根据地质资料选择了三根压桩难度较大的桩位进行工艺性试压桩，以确定桩基施工的参数。结果当桩长达到3537m时，桩端已进入层粉砂约15.5m，桩的终压力值已达到4854KN，且桩身局部出现裂纹、破损，无法继续下压穿越此层。6.方案比选经各方协商并结合当地施工经验可采用如下几套方案：增大壁厚调整桩型、引孔法、桩尖法。（1）增大壁厚调整桩型。预应力空心管桩在沉桩过程中,桩端土受挤压后有一部分进入管桩内,随着沉桩的继续深入,涌入管桩内的土芯不断增高,当到达一定高度后,由于管桩内壁与土芯间的摩阻力作用,产生封闭效应,即形成了土塞。土塞提供的端阻力取决于土塞高度的增长率，当土塞高度的增长率较小时，土塞提供的端阻力接近甚至大于平均端阻力。增大壁厚能提高桩身的极限承载力，但由于壁厚加厚，管桩内径变小，土塞效应增大2，其遇到的桩端阻力较原桩型也越大。同时不能完全确保增大壁厚调整桩型后能穿越层粉砂土层，沉桩至设计标高，且桩基材料费用要大量增加， PHC500(125)价格比本工程选用的PHC500(100)要多约35.0元/米。（2）引孔法 即用钻机在桩位上预钻一小于设计桩径的土孔，钻穿沉桩过程中不易穿透的土层，并取出部分土壤形成孔洞。此法以减少预应力管桩沉桩过程中的的挤土效应，从而减小桩身侧壁的摩擦阻力。因本工程土层分布局限，层土埋深较深，平均埋深24.5m，若钻穿层土需引孔达40m。由于引孔深度过深，从技术和经济角度考虑此法实施可能性较小，另沿江漫滩地下水位较高，容易造成孔壁坍塌，导致土孔再次密实，桩机达不到预期效果，且对施工周期影响较大。 （3）桩尖法 顾名思义此方案为在桩端放置桩尖，增加桩施打时对土层的穿透能力。桩尖的存在改变了土中应力场的分布，在桩尖下小范围土体中引起竖向应力、剪应力和径向应力集中，使其下土体更易进入塑性和侧向挤出，且土质越好，桩尖的作用越明显3。考虑到在试桩施工中，未穿透层粉砂土层厚度约为3.5米，仅为层粉砂土最大厚度的15%，施工时在预应力管桩桩端增加桩尖后，可用桩尖破土，减少桩端土层对桩在径向上的阻力，提高桩对砂土的穿透能力。为减小沉桩阻力，方便压桩，工程中也经常采用开口型桩尖。考虑本工程管桩在穿越层粉砂土层时，极易出现土塞高度增长率较小的情况，所以优先选用闭口型桩尖。本工程采用尖底十字型闭口桩尖（见图2、3），桩尖做法为在圆形钢板上十字交叉焊接三块三角形钢板，并在桩尖的中心植入B25 L=250的钢筋一根，钢板厚度均为16mm。 图2 图37.方案实施工艺和注意要点7.1施工工艺流程图测量放线定位桩机就位喂桩、对位、桩尖焊接压第一节桩焊接接桩起吊第N节桩压第N节桩送桩复核桩位起吊送桩器压桩结束水准仪控制标高桩身垂直度控制桩机移位7.2施工注意要点（1）严格控制沉桩的垂直度，减少压桩力的竖向分解。在第一节桩插入土中0.51.0m后，用两台经纬仪（在接近90度的夹角方向）双向控制桩的垂直度，垂直度偏差不得超过桩长的0.5%，确保管桩垂直度符合要求后方可压桩。（2）减少接头数量，在保证质量的前提下尽量减少焊接时间，避免不必要的停歇。一般将桩摩阻力从上到下分成三个区：上部柱穴区，中部滑移区，下部挤压区。施工中因接桩或其他因素影响而暂停压桩的间歇时间的长短对继续下沉的桩尖阻力无明显影响，但对桩侧摩阻力的增加影响较大，桩侧摩阻力的增大与间歇时间长短成正比，并于地基土层特性有关，因此在静压法沉桩中，应合理设计接桩的结构和位置，避免将桩尖停留在硬土层中进行接桩。本工程采用三节配桩需做两次接桩焊接，接桩采用CO2气体保护焊。此焊接技术具有穿透能力强，变形小，效率高的特点。焊接效率比普通电弧焊高23倍，同时CO2气体有隔绝空气和给焊缝降温的双重功效，可有效缩短焊接和冷却时间。8方案实施效果增加桩尖后再次进行试压，桩身均施压至设计桩顶标高。且最大压桩力得到控制，低于桩身的极限承载力。28天后经现场静载荷试验检验，其单桩竖向承载力均满足设计要求，且最大沉降量仅为9.05mm。3根试桩的压桩力随深度变化如表2所示：表2 试桩压力记录深度/m1.83.65.47.2910.812.614.416.21819.821.6试桩4/KN492 459 492 525 590 590 754 1148 1181 1181 1246 1312 试桩5/KN590 492 492 492 525 558 623 1279 1181 1312 1410 1476 试桩6/KN525 492 492 525 492 590 525 558 1246 1378 1312 1509 深度/m23.425.22728.830.632.434.23637.839.641.443.2试桩4/KN1902 2362 2460 2558 2722 2821 2985 2952 3838 3936 3214 4428 试桩5/KN1509 1706 2394 2526 2788 2886 2952 3214 3936 4198 3280 4362 试桩6/KN1804 2001 2296 2624 2690 2886 2985 3116 3050 3805 3805 4592 9.结语预应力管桩桩端增加桩尖后，可穿越中密砂层，且穿越时的压桩力不大于桩身强度确定的单桩承载力，