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对打桩应力的控制措施

打桩应力的产生是无法避免的,但是,对其控制是必要的和可能的。根据以往对管桩的使用情况来看,可以从以下几个方面采取措施加以控制:
    1  要根据工程地质条件和满足设计承载力的要求,确定最后的贯入度,并且合理地掌握。
笔者从收集到的许多例管桩工程应用实例分析,管桩所使用的土层条件大致可分为两大类:一类的覆盖层由10~15m厚的淤泥层或5~8m厚的淤泥层,间有几米松散性砂土或软土组成,桩端进入强风化泥岩,砂岩或支承在硬质岩面上,这类桩的承载力大部分由桩端阻力支持,全桩的总锤击数较少,往往集中在最后的2~4m之间。另一类的覆盖层由粘土(软~硬塑),中密砂层(N =10~50),中间夹杂软弱薄层组成,桩端进入残积土,风化泥质岩,砂岩或支承在硬质岩面上,这类桩的承载力由摩擦,端承共同支持,全桩总锤击数较多,最后几米的击数比最初时的击数要高。一般在130~150击/m。选用的桩锤主要有3~4t自由落锤与2.5~6.5t柴油锤,最后的贯入度控制在    6~60mm/10击。笔者根据所收集的许多例打桩静载试压的结果表明,大部分工程所采用的最后贯入度所控制的试压承载力要远远大于桩的设计承载力,甚至有些超过桩身的允许承载力。换句话说,所采用的最后贯入度的标准大多数是偏小的,其结果会导致桩的锤击数不必要地增加很多,有些管桩在最后的1~2m,甚至达到1000击以上,桩的破损率明显增大。
    决定管桩承载力的因素是多方面的,仅仅以最后贯入度作为控制标准,严格地说是不够准确的,而那种用极小的贯入度去追求保证承载力的做法,对于预制桩来说是不利的,因为这样会使桩体潜伏着产生“内伤”的危险。但是,对于具体工程的打桩来说,在一定范围内的控制是必要的。问题在于要根据工程的地质条件,特别是土的抗阻力、土层的力学性能、桩的入土深度、锤的冲击能量以及打桩设备的允许工作状态来决定。
    为此,笔者认为,在可能的条件下,最好是能先采取打试桩的做法,由静载确定打桩参数,这样既能合理地设计桩的承载力,又能发挥管桩的潜力,节省费用。如果条件不允许,建议采用PDA动侧仪在现场即打即定参数,这种方法直观、快捷、可靠性高。考虑到桩锤的工作状态,最后贯入度的最小值不宜小于20mm/10击,因为此时,特别是柴油锤已处于极限工作状态,过小的贯入度很容易损坏锤和桩。
    2  要重视锤的选择。过大或过小的锤对于施打管桩都是不利的。由于管桩大多需要打入硬土层一定的深度,才能发挥其高承载力的优势。在打桩过程中,一定量的锤在打桩时所产生的冲力波动很大,如果锤过大或过小都会引起打桩应力剧增。因此,管桩的选锤应考虑满足桩足够克服桩端阻力即可。在对桩顶采取有效保护措施的情况下,应优先采用重锤、低冲程、低速度的方法打桩。特别在较厚的砂土层或硬土中打桩时,尤为重要。例如,某工程分别采用K45和D50锤在7~8m厚的密实砂砾层中打直径为550的管桩,最初用K45锤打了11根桩,每根桩总击数平均在1400~1600击,沉桩很困难,进入砂砾层后连续打烂了2根桩,后来改用D50锤施打,沉桩速度明显加快,使桩顺利地穿过砂砾层。K45和D50锤虽然相差0.5t,但是,后者的反弹能量损失小,提高了打桩效率,即使保持同样的能量,但冲程明显小于前者,起到了减少打桩应力的作用。当然,对于过重的锤要慎重地选用。对于采用不同能量的锤打桩,也要注意相应调整贯入度。
    3  软土层较厚时,桩尖直接进入强风化岩、砂岩等岩层时,不宜用过小的贯入度来满足过高的承载力,当所采取的打桩措施不能奏效的情况下,应考虑承载力的取值。因为在这种情况下,桩端嵌固不深,承载力主要集中于桩端,这就意味着要有相当大的桩端阻力,最后贯入度必然要定得很小才能满足要求,这样会使桩尖和桩顶的打桩应力增大,就很容易把桩打坏或打裂。
    另外,在软土层中打桩,要防止软打产生的临界拉应力,一定要控制好锤的速度与冲程。
    4  在打桩过程中,要注意持力层的变化,加强对沉桩过程的观察与记录。由于地质条件的变化,场地内持力层的起伏,有时候是几个钻孔所控制不了的。因此,在这种情况下,如果遇到持力层变浅时,片面强调桩尖一定要要达到所要求的标高,而且必须达到设计贯入度的要求,势必会形成硬打,而把桩打坏。
    5  理论与实验都证明,采用适当的锤垫和桩垫是减少打桩应力的最有效的方法。我们知道,打桩的时间是瞬间的,在锤的冲量一定时,锤作用在桩顶的冲力与其作用时间成反比,根据锤垫、桩垫的缓冲时间的长短,冲力会大幅度减少或增加。锤垫、桩垫的作用都是调节和传递锤的冲击力。锤垫主要用于调节冲力,防止过大的冲力损坏锤头。桩垫主要用于调节桩顶的冲力,保护桩顶不至于“受伤”。当沉桩的锤击数较多时,还要中途更换桩垫,以利于保护桩。
    6  打桩应遵循“力戒偏打”的原则,对于施打管桩尤为重要。打桩应力的峰值往往是由于偏心冲击引起的局部应力。桩顶不平、桩垫不好、桩帽尺寸过大或过小,桩身倾斜都会导致偏心冲击,要采取有效措施加以控制。这里要强调的是,不能忽视对现场打桩的管理,要加强监督控制,严格遵守操作规程,避免打桩应力的峰值,这些都是十分重要的。
    7  长短桩的接桩顺序,在一些情况下,对打桩应力有着重要影响。当桩穿过一层较厚的软弱土层而进入硬土层后,桩端阻力明显增大,这时的新接桩正处于侧向无约束状态(软弱土层桩段约束也很小),这时在锤击和桩尖阻力作用下,两桩中间受压,打桩控制一旦出现偏差,很容易把桩打断。所以,当桩穿过硬土层时,可改变接桩的顺序,用短桩接驳,以减少桩段的长细比。

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