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      預應力混凝土管樁在軟土地基中的應用
      發布時間:2014-05-19
       1引言
        近年來,隨著我國船舶修造業的快速發展,在東南沿海地區快速地建造起了一批現代化的工業廠房但由于這些地區分布著深厚的軟土層,給船廠的建設帶來了不同程度的危害 雖然廠房的主體結構可以通過樁基解決沉降問題,但廠房室內地坪由于面積大所受荷載重等特點,按剛性樁基礎或化學加固法來處理的話,建設成本將會極高且進度緩慢。為此,本文提出采用預應力混凝土管樁來加固軟土地 基,從而提高地坪承載力,減小地坪的沉降。
        2 軟土中預應力混凝土管樁復合地基設計原理
        2. 1 軟土及軟土地基
        2.1.1軟土
        工程上將淤泥和淤泥質土稱為軟土,軟土是以黏粒為主的土在靜水或非常緩慢的流水環境中沉積而成 軟土含水量大壓縮性高透水性小承載力低,呈軟塑-流塑狀態,這種土多分布于我國東南沿海沿江和湖泊地區
        2.1.2軟土地基
        軟土地基主要由黏土和粉土等細微顆粒含量多的松軟土孔隙大的有機質土泥炭以及松散砂等土層構成,具有地下水位高,其上土體及構造物穩定性差的特點,且易發生較大沉降的地基
        2. 2管樁復合地基樁土共同作用的原理
        管樁復合地基在豎向荷載的作用下,加載初期褥墊層發生一定的彈性變形,為管樁提供一向上刺入量,將荷載分別傳給管樁和樁間土由于樁間土較管樁變形模量小,首先產生一定的壓縮對樁間土產生壓應力,而壓應力通過樁體四周的土體對樁產生側摩擦力按照力的相互作用原理可知,該側摩擦力對樁體四周的土體產生了一個向上的反作用力,使得樁間土的承載力得到提高隨著荷載的逐步增加,墊層材料不斷調整,將所傳來的大部分荷載傳至管樁上,將小部分荷載傳給樁間土,使管樁與樁間土永遠共同參與工作在加載過程中,樁土應力比其實并不是一個常數,而是隨著荷載的增加,樁土應力比也逐漸增大 這是因為管樁的變形模量大,沉降小,樁間土變形模量小,變形較大,而這中間正是褥墊層的存在,使荷載逐步向樁體集中。此外,由于管樁的擠密效應以及管樁在軟土中架構起骨骼的作用,使土體側向位移得到一定控制,這些都將提高土體的承載力
        2. 3 預應力混凝土管樁復合地基承載力計算公式分析
        預應力混凝土管樁復合地基是根據管樁的剛性和土體柔性的特點來進行設計的管樁樁間土和褥墊層一起形成復合地基,樁體和樁間土共同承擔上
        部結構通過基礎和墊層傳遞的荷載是復合地基的一個基本特征假設鋼筋混凝土地坪是剛性的,預應力混凝土管樁的剛度要比樁周圍的黏性土的剛度要大的多,地坪下的應力按兩者的剛性進行分配,大部分應力將由預應力混凝土管樁承擔 復合地基的承載力可以看成是由樁體的承載力與樁間土的承載力兩部分組成。
        式中,為復合地基的承載力標準值,kPa;為樁體單位截面面積承載力標準值,kPa;為樁間土承載力標準值,kPa;A為預應力混凝土管樁所承擔的加固面積,m2;Ap為預應力混凝土管樁外圍水平投影面積,m2 。
        如用樁土應力比及面積比代 入上式,則可改寫為
        從此公式中可以看出,采用預應力混凝土管樁后的軟土地基承載力明顯提升,同時由于樁間土的附加應力減小,而使軟土的壓縮變形減小。
        3 管樁復合地基在具體工程中的應用實例
        3. 1工程概況
        本工程位于浙江舟山沿海地區,場地主要是由山體開采下來的塘渣填海而成,絕對黃海標高是3.0m左右 廠房主體結構為大跨度網架鋼結構,長
        348m,寬182.3 m,單跨跨度45 m,總共4跨,柱距12m,總建筑面積為64 566m2,基礎采用PHC-AB600型預應力混凝土管樁 地坪做法:塘渣分層壓實100mm厚C15混凝土墊層300mm厚C30鋼筋混凝土地坪工程地質各層自上而下概述:1層素填土,主要由塊石碎石組成,層厚1.5m~9.0m,近期人工堆填而成 2層含黏性土粉砂,層厚0.6 m ~4.2m,ak =70kPa,近期人工吹填而成 層淤泥質粉質黏土,高壓縮性,性質差,層厚15.2m~25.7m,ak=55kPa 層粗砂,稍密~中密,顆粒級配良好,層厚0.7m~3.2m,局部分布,ak=170kPa 層粉質黏土,中壓縮性,性質較好,層厚0.7m~13.5 m,ak=210kPa 層含角礫粉質黏土,中壓縮性,性質較好,層厚0.5m~15.5 m,ak=230kPa 1層全風化含角礫玻屑凝灰巖,巖石風化強烈,裂隙發育,層厚0.6m~6.9m,ak=280kPa 2層強風化含角礫玻屑凝灰巖,巖石風化強烈,裂隙極發育,層厚0.3m~3.6m,ak=400kPa 3層中等風化含角礫玻屑凝灰巖,巖質堅硬,成分主要為石英 長石,ak=1800kPa 由于廠房內主要生產船體分段,平均負荷約50kPa,因此地坪不能出現嚴重的不均勻沉降,否則將會對分段生產帶來嚴重影響。
        3. 2 預應混凝土管樁減小軟土地基沉降方案的提出
        由于本廠房是建在經塘渣回填的灘涂上,而且是邊回填邊建設,再加上廠房對地坪不均勻沉降的要求特別高,因此,如何減小地坪沉隆量的現實問題則擺在我們面前 通過對地質勘察報告中的各土層物理力學性質指標統計成果表分析,發現層淤泥質粉質黏土由于其壓縮系數 高達1.17遠遠大于
        0.5MP -1,且孔隙比 也達到了1.374,屬于高壓縮性軟土并且這一層土幾乎在整個廠房都有分布,最大厚度達到25.7m 針對這種情況,提出了以下幾種方案:
        1)機械壓實法(影響深度有限,且不適用于飽和軟土層);
        2)排水固結法(施工時間長,影響鋼結構安裝);
        3)化學加固法(施工時間長,工程造價高);
        4)預應力混凝土管樁復合地基
        最終通過綜合分析認為,預應力混凝土管樁復合地基具備施工進度快,工程造價較低,地坪承載力高,施工現場干凈等優點,決定采用預應力混凝土管樁復合地基
        3. 3管樁復合地基施工方案
        1)在灘涂回填之前先吹填1.0 m左右砂層,既有利于減少塘渣回填量,更重要的是能使淤泥質黏土中孔隙水能順利排出,加速土體固結,減小工后沉降
        2)塘渣回填應遵循由一邊向另一邊齊頭并進堆填,對在會合處拱起的淤泥不可繼續堆填,要及時清除 塘渣回填高度應按設計標高另加前期土體固結沉降高度,本工程取值為淤泥質黏土平均厚度的1.5%即20 1.5%=0.3m
        3)根據本工程的地質資料,為使地坪不產生較大沉降,必須要求管樁穿入淤泥質黏土底部,離第層粉質黏土1.0m~0.5m之間 當然如若管樁穿入承載力持力層,將會使管樁成為真正的剛性樁,樁土應力比會大幅度提高,樁頂處容易形成應力集中,使地坪提前破壞,因此,地坪樁樁長應根據地質情況及壓樁力的大小及時進行調整
        4)管樁平面布置(見圖1)及褥墊層樁承臺的設計。

        5)由于復合基礎管樁數量多,樁距緊,大面積施工時會產生很大擠土效應,如若工程樁在其之前已施工完畢的話,則將會使結構工程樁發生較大偏位和影響樁體的完整性因此,復合地基管樁應按廠房逐跨先行打壓,可由中間軸線向兩邊施工,當其中一跨地坪樁施工完畢后方可施工結構工程樁 當地坪樁承臺 褥墊層施工完成后應用壓路機分3次碾壓密實。
        3. 4 管樁復合地基技術經濟評價
        3.4.1天然地基與復合地基沉降比較
        經過管樁處理后所形成的復合地基在使用半年后每跨地坪中心點位置平均沉降64mm,符合設計要求,不影響廠正常使用而廠房外未經處理的天然地基道路或堆場,它們的最大沉降達到了640mm,最小的也有332mm 可見管樁復合地基的處理效果是非常明顯的。
        3.4.2管樁復合地基與高壓噴樁的造價比較
        根據管樁平面布置方案可知,每一枚管樁所加固的地坪面積是9m2,而一枚30m 400mm管樁及承臺的成本造價約是4 500元,即復合地基地坪處理成本500元/ m2而若采用30m 800mm高壓噴樁按3m樁距計算則每一枚高壓旋噴樁的成本造價是8540元,即高壓旋噴處理成本造價是949元/m2,經比較管樁復合地基處理成本比高壓旋樁節約949元/m2~500元/m2=449元/m2,節約率為47.3% ,總造價節約64566m2*449元/m2=2900萬元,經濟價值明顯。
        4結語
        通過以上分析和工程實踐可知,預應力混凝土管樁通過樁樁間土及褥墊層的共同作用,有效地提高了軟土地基的承載力,減小了地基沉降量,從而保證了地坪的正常使用 另外管樁復合地基在工程造價上明顯優于其他樁基處理方案,且工程造價節約率高達40%多由于管樁施工進度快,施工現場環境清潔衛生,因此也具有良好的社會價值。

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