振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁技術(shù)及其應(yīng)用

　　1 前言

　　我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，特別是在沿海地區(qū)及內(nèi)地湖河沉積相地區(qū)存在著許多復(fù)雜的軟土地基，在這些地質(zhì)條件下修建高質(zhì)量的公路及建筑物都要進(jìn)行軟基處理，以增加地基的穩(wěn)定性及減少沉降。軟基處理方法的選擇使用對(duì)工程質(zhì)量、工期和經(jīng)濟(jì)效益均有重要的影響?，F(xiàn)在軟基處理中使用的方法主要有樁基、水泥土攪拌樁、強(qiáng)夯法和真空預(yù)壓、超載預(yù)壓等加固方法。每種加固技術(shù)都有它的適用性和局限性。水泥土攪拌樁施工質(zhì)量難以控制，加固深度也有限，且檢測(cè)量大且費(fèi)用高；超載預(yù)壓方法由于軟弱地基土的強(qiáng)度很低，存在路堤的穩(wěn)定性問(wèn)題，不能快速加載，制約工程的進(jìn)度，因此施工工期很長(zhǎng)，影響了工程投資的經(jīng)濟(jì)性。強(qiáng)夯法主要是針對(duì)透水性較強(qiáng)軟土的加固效果明顯，對(duì)軟粘土不適宜，對(duì)沿海地區(qū)的粘土及淤泥質(zhì)土的加固處理受到了限制。

　　樁基在加固軟土地基中使用由于施工速度快，可大大縮短工期，加固處理深度不受限制，適宜各種地質(zhì)條件，可明顯增加路基的穩(wěn)定性，提高地基的承載力和減小變形，長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)論在建筑工程，還是在道路工程中，都得到普遍采用。這其中主要包括實(shí)心預(yù)制樁和現(xiàn)場(chǎng)灌注混凝土樁，以及預(yù)制混凝土管樁等。預(yù)制實(shí)心樁較現(xiàn)場(chǎng)灌注樁造價(jià)要高；現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土樁單方造價(jià)較低，但也不能節(jié)省混凝土材料，從根本上看，現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土實(shí)心樁的造價(jià)并未得到根本的降低。為此，又發(fā)展了預(yù)制混凝土管樁，該樁型的單方混凝土提高承載力較實(shí)心混凝土樁有了較大的提高。但預(yù)制混凝土管樁的使用需要在工廠預(yù)制，預(yù)制混凝土管樁從形式上是節(jié)省了材料，但考慮到運(yùn)輸和施工等因素，又必須加入了大量的鋼筋以增加強(qiáng)度抵抗施工可能帶來(lái)的破壞性，從而增加了造價(jià)，故地基加固成本較高。因此，尋求使用較少的混凝土方量，以實(shí)現(xiàn)造價(jià)低、承載力高，并且地基的穩(wěn)定性增加明顯的新樁型成為巖土工程界的迫切需要解決的問(wèn)題。正是考慮到實(shí)心樁及預(yù)制管樁的不足，考慮到實(shí)心樁及預(yù)制管樁的不足，河海大學(xué)開(kāi)發(fā)了高效經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土薄壁管樁軟土地基加固專利技術(shù)(ZL 01273182.X)和施工工藝(CN 1367296A)，達(dá)到了造價(jià)低、承載力高、地基的穩(wěn)定性增加和地基沉降降低等明顯目的。

　　2 技術(shù)原理

　　振動(dòng)沉?，F(xiàn)澆混凝土管樁技術(shù)采取振動(dòng)沉模自動(dòng)排土現(xiàn)場(chǎng)灌注混凝土而成管樁，具體步驟是依靠沉腔上部錘頭的振動(dòng)力將內(nèi)外雙層套管所形成的環(huán)形腔體在活瓣樁靴的保護(hù)下打入預(yù)定的設(shè)計(jì)深度，在腔體內(nèi)現(xiàn)成澆注混凝土，之后振動(dòng)拔管，在環(huán)形域中土體與外部的土體之間便形成混凝土管樁。在形成復(fù)合地基時(shí)，為了保證樁與土共同承擔(dān)荷載，并調(diào)整樁與樁間土之間豎向荷載及水平荷載得分擔(dān)比例以及減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中問(wèn)題，在樁頂設(shè)置褥墊層，從而形成現(xiàn)澆薄壁管樁復(fù)合地基。振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆管樁動(dòng)力設(shè)備是振動(dòng)錘，振動(dòng)錘的兩根軸上各裝有偏心塊，由偏心塊產(chǎn)生偏心力。當(dāng)兩軸相向同速運(yùn)轉(zhuǎn)，橫向偏心力抵消，豎向偏心力相加，使振動(dòng)體系產(chǎn)生垂直往復(fù)高頻率振動(dòng)。振動(dòng)體系具有很高的質(zhì)量和速度，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊動(dòng)量，將環(huán)形空腔模板迅速沉入地層。腔體模板的沉入速度與振錘的功率大小、振動(dòng)體系的質(zhì)量和土層的密度、粘性、粒徑有關(guān)。振動(dòng)體系的豎向往復(fù)振動(dòng)，將腔體模板沉入地層。當(dāng)激振力R大于以下三種阻力之和：刃面的法向力N的豎向分力、刃面的摩擦力F的豎向分力，腔體模板周邊的摩阻力P的合力時(shí)(見(jiàn)圖1)，模板即能沉入地層；當(dāng)R與N、F、P豎向分力平衡時(shí)或達(dá)到預(yù)定深度時(shí)，則模板停止下沉。由于腔體模板在振動(dòng)力作用下使土體受到強(qiáng)迫震動(dòng)產(chǎn)生局部剪脹破壞或液化破壞，土體內(nèi)摩擦力急劇降低，阻力減小，提高了腔體模板的沉入速度。同時(shí)擠壓、振密作用使得環(huán)形腔體模板中土芯和周邊一定范圍內(nèi)的土體得到密實(shí)。該成樁機(jī)理為：

　　（1）模板作用。在振動(dòng)力的作用下環(huán)形腔體模板沉入土中后澆注混凝土；當(dāng)振動(dòng)模板提拔時(shí)，同時(shí)混凝土從環(huán)形腔體模板下端注入環(huán)形槽孔內(nèi)，空腹模板起到了護(hù)壁作用，因此不會(huì)出現(xiàn)縮壁和塌壁現(xiàn)象。從而成為造槽、擴(kuò)壁、澆注—次性直接成管樁的新工藝，保證了混凝土在槽孔內(nèi)良好的充盈性和穩(wěn)定性。
　　（2）振搗作用。環(huán)形腔體模板在振動(dòng)提拔時(shí)，對(duì)模板內(nèi)及注入槽孔內(nèi)的混凝土有連續(xù)振搗作用，使樁體充分振動(dòng)密實(shí)。同時(shí)又使混凝土向兩側(cè)擠壓，管樁壁厚增加。
　?。?）擠密作用。振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁在施工過(guò)程中由于振動(dòng)、擠壓和排土等原因，可對(duì)樁間土起到一定的密實(shí)作用。擠壓、振密范圍與環(huán)形腔體模板的厚度及原位土體的性質(zhì)有關(guān)。

　　3 振動(dòng)沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁施工機(jī)具設(shè)備

　　施工機(jī)具的主要技術(shù)性能要求：（1）沉樁深度達(dá)到25m以上；（2）樁徑為1000 ~ 1500mm；（3）管樁壁厚100~150mm；（4）混凝土可多次加料；（5）提升力達(dá)到30t，壓樁力加上高頻振動(dòng)荷載達(dá)到100t。
根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)了振動(dòng)套管成模大直徑現(xiàn)澆管樁機(jī)具，如圖2所示。設(shè)備基本組成包括：底盤(pán)（含卷?yè)P(yáng)機(jī)等）；‚龍門(mén)支架；ƒ振動(dòng)頭；„鋼質(zhì)內(nèi)外套管空腔結(jié)構(gòu)；…活瓣樁靴結(jié)構(gòu)；†成模造漿器等；‡混凝土分流器。
圖2 振動(dòng)沉模現(xiàn)澆薄壁管樁設(shè)備圖

　　4 振動(dòng)沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁施工工藝及要點(diǎn)
　?。?）施工流程
　　施工進(jìn)場(chǎng) → 現(xiàn)場(chǎng)裝配 → 樁機(jī)就位 → 振動(dòng)沉管 →澆注混凝土 → 振動(dòng)拔管 → 移機(jī)
　　（2）施工要點(diǎn)
　?。╝）為保證在含地下水地層中應(yīng)用現(xiàn)澆管樁的質(zhì)量，保證在成樁過(guò)程中地下水、流砂、淤泥不自樁靴進(jìn)入管腔，澆筑采用二步法工藝，即在成樁管下到地下水位以上即進(jìn)行第一次澆筑，將樁靴完全封閉，然后繼續(xù)下到設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行第二次澆筑成樁。
　?。╞）為保證樁與樁之間在成樁過(guò)程中不互相影響，施工順序采用隔孔隔排施工工序。
　?。╟）如遇到較硬夾層，可利用專門(mén)設(shè)計(jì)的成模潤(rùn)滑造漿器在沉樁過(guò)程中注入泥漿。
　?。╠）內(nèi)外管應(yīng)鎖定后方可起吊裝配；
　?。╡）混凝土應(yīng)以細(xì)石料為主，可以適當(dāng)摻入減水劑，以利于腔體中砼流動(dòng)性較好；
　　（f）在遇到砂性土層時(shí)，宜放慢上提的速度，軟土層速度一般可在1～3min/m。

　　5 振動(dòng)沉模現(xiàn)澆薄壁管樁技術(shù)特點(diǎn)
　?。?）振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆管樁技術(shù)特點(diǎn)
　?。╝）雙層鋼管空腔結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是可形成大直徑管樁（可達(dá)1.5m以上），與實(shí)心樁（一般樁徑小于600mm）相比，可提高樁摩擦力，并節(jié)省大量混凝土，從而大大降低造價(jià)。
　?。╞）活瓣樁靴結(jié)構(gòu)，可避免使用預(yù)制鋼筋混凝土樁頭，大大降低成本和加快施工進(jìn)度。并且可以調(diào)整成樁擠土方向。
　?。╟）通過(guò)造漿器造漿，可以減少沉模時(shí)環(huán)形套模內(nèi)外摩擦阻力，保護(hù)樁芯和側(cè)壁土穩(wěn)定。
　　（d）混凝土分流器可以避免管腔中混凝土澆注時(shí)的離析和厚薄不均。
　　（e）龍門(mén)支架較單柱支撐的優(yōu)點(diǎn)是保證機(jī)具穩(wěn)定，同時(shí)克服了常規(guī)結(jié)構(gòu)抗拔力不足問(wèn)題。
　?。╢）由于采用振動(dòng)雙層套管成模工藝，灌注混凝土方量的相應(yīng)減少，施工速度較鉆孔灌注樁及粉噴樁要快，且質(zhì)量也容易控制，加固同等面積軟土地基效率提高40%以上。
　　（g）選擇大直徑管樁進(jìn)行地基加固，由于樁身表面積大，使單樁承載力大為提高，與實(shí)心混凝土樁或粉噴樁相比，單樁在復(fù)合地基處理中控制的加固面積大（對(duì)于1m樁徑的管樁加固面積一般大于10m2）；
　?。╤）該樁型成樁質(zhì)量穩(wěn)定，可沉樁較深（25~35m），樁體與樁周土形成剛性復(fù)合地基，復(fù)合層的變形很小，地基穩(wěn)定性得到提高。
　?。╥）土中套管成模現(xiàn)澆管樁機(jī)具形成的復(fù)合地基技術(shù)在高速公路、市政工程等軟基加固中的使用，將節(jié)約成本，縮短工期，提高工程質(zhì)量，具有廣泛應(yīng)用前景。

　　(2)適用范圍
　　振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁技術(shù)適用于各種結(jié)構(gòu)物的大面積地基處理。如（a）多層及小高層建筑物地基處理；（b）高速公路、市政道路的路基處理；（c）大型油罐及煤氣柜地基處理；（d）污水處理廠大型瀑氣池、沉淀池基礎(chǔ)處理；（e）江河堤防的地基加固等。

　　地基處理的土層，應(yīng)以以下土層為代表：（a）表層土：有1～2m厚的填土，或可～軟塑的素填土3～5m。（b）下部土層：以軟～流塑狀態(tài)的粉土、粉質(zhì)粘土為主體。（c）底部土層：以進(jìn)入砂層為持力層，稍密的砂約1～2m，中密以上的進(jìn)入該層0.5m；（d）對(duì)于砂土的夾層厚度不宜大于4m的土層。根據(jù)以上幾點(diǎn)的要求，該機(jī)械設(shè)備制作的管樁應(yīng)具有一定的承載力及抗水平的推力；該樁型同時(shí)也可放置鋼筋籠及改進(jìn)樁尖結(jié)構(gòu)增大筒內(nèi)土體的擠密作用，以提高其承載效果。

　　6 振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)與檢測(cè)

　　由于振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆管樁與褥墊層、土共同作用形成剛性樁復(fù)合地基，振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)按剛性樁復(fù)合地基進(jìn)行。復(fù)合地基承載力的確定，比較可靠的方法式采用單樁或多樁復(fù)合地基原位載荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)，也可用根據(jù)公式進(jìn)行估算[1]，[2]。復(fù)合地基沉降量通常分為二部分，即復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量，加固區(qū)下臥層厚度為壓縮量，于是在荷載作用下復(fù)合地基的總沉降為二部分之和[1]，[2]。
　?。?）振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)內(nèi)容
　?。╝）根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，確定樁端持力層和樁長(zhǎng)；
　?。╞）確定樁徑和壁厚，一般設(shè)計(jì)樁徑為1000mm～1500mm，設(shè)計(jì)壁厚100～150mm；
　?。╟）根據(jù)設(shè)計(jì)要求的復(fù)合地基承載力和變形確定樁間距和布置，一般樁間距為（3～5）d；
　?。╠）樁體混凝土等級(jí)，根據(jù)形成復(fù)合地基承載力的需要，一般采用C10～C25；
　　（e）褥墊層厚度及材料，褥墊層厚度一般取10～40cm，材料可選粗砂，碎石，中間設(shè)土工隔柵。

　?。?）質(zhì)量檢測(cè)方法
　　振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁檢測(cè)分三種方式進(jìn)行，即：
　?。╝）現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖：檢查樁身外觀質(zhì)量，該項(xiàng)工作應(yīng)在樁基完工14天后進(jìn)行。
　?。╞）低應(yīng)變和高應(yīng)變檢測(cè)：采用反射波法對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)。
　　（c）靜載荷試驗(yàn)或復(fù)合地基承載力載荷試驗(yàn)：對(duì)單樁承載力或復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測(cè)。

　　7 振動(dòng)沉模大直徑現(xiàn)澆管樁技術(shù)的應(yīng)用
　　（1）工程加固概況
　　南京大廠區(qū)經(jīng)一路軟基加固工程位于南京市長(zhǎng)江北岸，地基土層為8~18米深粉質(zhì)粘土，設(shè)計(jì)路堤填土最大高度為6.0米。通過(guò)堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓、粉噴樁等方案比較，最終確定了現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基軟基加固技術(shù)方案，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)從6m到11.8m不等，工程總量為3780延米。設(shè)計(jì)直徑 1000mm，壁厚120mm，混凝土等級(jí)C20，坍落度5cm~8cm，樁間距橫向3.0m，縱向間距排與排之間3.5m，采用正方形布置。于2001年11月底完成地基處理工程。圖3為現(xiàn)場(chǎng)施工的照片，圖4為開(kāi)挖單根管樁樁頭。
　?。?）樁基檢測(cè)
　　該樁基工程檢測(cè)分三種方式進(jìn)行，即：
　　1）現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖：檢查樁身外觀質(zhì)量，該項(xiàng)工作在樁基完工14天后進(jìn)行，檢查數(shù)量不得少于3根。開(kāi)挖結(jié)果表明，樁身混凝土結(jié)構(gòu)完整，無(wú)斷樁和空隙。
　　2）低應(yīng)變檢測(cè)：采用反射波法對(duì)樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)量為總樁數(shù)的25％。南京大學(xué)科技實(shí)業(yè)集團(tuán)公司基礎(chǔ)工程科技應(yīng)用中心《樁基低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)報(bào)告》表明：樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到設(shè)計(jì)C20要求。實(shí)測(cè)各樁樁身完整，為A類樁。
　　3）靜載荷試驗(yàn)：對(duì)單樁承載力進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)量為三根樁。中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司五分公司《基樁靜荷載試驗(yàn)報(bào)告》表明，7.8m管樁豎向極限承載力大于600kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

【參考文獻(xiàn)】
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