淺談薄壁筒樁

顏映春

1 研究背景及意義

我省地處我國華南南部,存在著較多復(fù)雜的軟土地基,在這些地質(zhì)條件下修建高等級公路要進(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工程質(zhì)量、工期和經(jīng)濟(jì)效益均有重要的影響。目前軟基處理的方法主要有樁基、攪拌(粉、漿)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。樁基形式種類繁多,如果細(xì)分,竟超過80種之多(吳慶曾,2000年)。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少變形,長久以來,在道路工程中,都得到普遍應(yīng)用。這其中主要包括沉管灌注樁、鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁。尋求用較少的混凝土方量,施工方便、成樁質(zhì)量可靠,造價較低、承載力高,且地基穩(wěn)定性增加明顯的新樁型成為迫切需要解決的問題。正是在上述的背景下,才研制了現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁(簡稱筒樁)。筒樁作為一種新樁型,派生于沉管灌注樁技術(shù),具有較好的應(yīng)用前景。因此,本設(shè)計采用現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁加固橋頭軟基,并對其進(jìn)行試驗研究,為設(shè)計的合理性提供科學(xué)依據(jù),并假設(shè)在相同的地質(zhì)與荷載條件下,筒樁與粉噴樁、塑料排水板、Y形樁進(jìn)行加固軟基的效果及效益比較,探討橋頭軟基最合適的加固方法。

2 筒樁的施工原理

筒樁主要原理是采取自動排土振動灌注而成筒樁。施工原理簡述如下:把筒體樁靴套入外、內(nèi)鋼質(zhì)套管之間的孔腔內(nèi),該外、內(nèi)套管的下端面與樁靴上的外、內(nèi)支承面相接觸;上部與壓蓋連接,且內(nèi)套管上部成錐度管穿過壓蓋,插入施力壓頭與出泥孔導(dǎo)通;然后將切削頭壓入土層。接著振動下沉,在成圓筒形孔的同時亦同步自動排出土體,隨后放入鋼筋籠及灌注混凝土,一邊灌注混凝土,一邊振動拔出成孔器套管即成筒狀管樁。

3 筒樁加固橋頭軟基設(shè)計原則

本次設(shè)計按路基平面應(yīng)力分布及允許沉降量兩個原則來布置筒樁。路肩段負(fù)荷較小,因而樁數(shù)可適量減少;路面段為路基荷載(填土高4.5 m)分布區(qū),因此是本工程樁量的密集區(qū)。筒樁采用梅花形布設(shè)。筒樁直徑設(shè)計采用1 000 mm,壁厚120 mm,樁身混凝土強(qiáng)度等級C25,主要從目前的打樁設(shè)備、成孔器大小及筒樁抗荷載能力考慮。為提高單樁承載力,在筒樁樁頂設(shè)計蓋板,為比較有蓋板區(qū)與無蓋板區(qū)兩層土工格柵加固的沉降量,在K 16+678～K 16+702段設(shè)計有蓋板區(qū),K 16+702～K16+741段設(shè)計無蓋板區(qū),輔以兩層土工格柵加固。由于與筒樁處理段接鄰是塑料排水板加固區(qū),塑料排水板加固區(qū)沉降量較大,而筒樁加固區(qū)沉降量小,為避免二者之間的沉降差異,在二者之間設(shè)置一過渡段,通過改變樁長來調(diào)整兩者沉降差異。

4 設(shè)計方案的確定

根據(jù)筒樁加固區(qū)樁土復(fù)合地基的計算結(jié)果,為了減少跳車問題,接橋路段筒樁樁端打至持力層,筒樁的設(shè)計極限承載力為1 000 kN,工后沉降為9.8,最小滑動安全系數(shù)為1.524;過渡段筒樁依次設(shè)計為17 m～15 m,相對應(yīng)的工后沉降量10.2 cm～13.7 cm,最小滑動安全系數(shù)為1.527。

5 筒樁復(fù)合地基設(shè)計

設(shè)計采用梅花形布置,樁間距為2.5 m,樁徑為 1 000 mm,壁厚120 mm,混凝土等級為C25。接橋路段樁長為18 m,樁端為④-1粉質(zhì)黏土層,過渡帶 25 m范圍,樁長依次設(shè)計為17 m,16 m,15 m,樁端為②-1淤泥質(zhì)黏土層,具體布設(shè)見圖1。

根據(jù)本次試驗的目的和筒樁設(shè)計實際情況,將試驗路段劃分為四個區(qū)(A,B,C,D區(qū)),各設(shè)置一監(jiān)測斷面,如圖1所示。A區(qū)為蓋板筒樁聯(lián)合單層土工格柵,B區(qū)為無蓋板筒樁聯(lián)合雙層土工格柵,C區(qū)為塑料排水板超載預(yù)壓聯(lián)合土工格柵,D區(qū)為塑料排水板超載預(yù)壓。

6 筒樁質(zhì)量監(jiān)控

6.1 樁身質(zhì)量檢測

對10根筒樁進(jìn)行現(xiàn)場開挖,其中3根樁為試樁,開挖的深度不一(6 m～18 m)。結(jié)果表明,筒樁內(nèi)、外壁表面光滑,壁厚均勻,未發(fā)現(xiàn)薄壁坍落、縮頸等不良現(xiàn)象。對開挖的6根樁進(jìn)行鉆探取芯結(jié)果表明,除樁頂附近壁厚部分小于12 cm外,其余各段厚度基本在(12.0±0.3)cm附近。從3根樁各抽一組芯樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果表明,試樣混凝土強(qiáng)度均大于設(shè)計值C25,強(qiáng)度分布均勻,自上而下,混凝土強(qiáng)度有所提高。

6.2 豎向靜載試驗

共做了8根單樁,1組4根樁復(fù)合地基(QZFH)豎向靜載荷試驗。試樁C-19F是試樁C-19靜載后進(jìn)行復(fù)測,加載到破壞。試樁R-12被挖去土芯7 m,試樁A2-16的土芯18 m全部挖去,以便進(jìn)行對比試驗。各試樁均按慢速維持荷載法進(jìn)行試樁。試樁中,除Q-2,U-2兩樁有明顯的第二拐點(diǎn),曲線呈陡降型外,其余曲線均呈緩變型。18 m的樁荷載—沉降性狀均呈緩變型,除A2-16樁外單樁極限承載力均大于1 000 k N,可取1 440 kN。比設(shè)計單樁極限承載力(1 000 k N)提高44%。16 m的樁荷載—沉降性狀呈緩變型、陡降型各占一半,單樁極限承載力均大于 800 k N,取800 k N,比設(shè)計單樁極限承載力(720 k N)提高11%。試樁R-12內(nèi)芯土也被挖去7 m,故其極限承載力比滿芯樁低些,兩個取芯試樁的Q—S曲線總體沉降量都較大,但實測Q—S曲線均為緩變型,故單樁豎向極限承載力仍可分別取1 000 k N和800 k N。由試樁A2-16和R-12與其他試樁結(jié)果比較表明,筒樁的內(nèi)側(cè)摩阻力是存在的。

7 結(jié)論與建議

1)薄壁筒樁施工工藝簡單,成樁速度快,施工質(zhì)量易于控制,但由于沉模時要克服內(nèi)模土芯、樁模與土層之間的雙重摩阻力,設(shè)備功率必然要加大,需要專用重型樁機(jī),且由于用振動錘振動沉樁,必有振動,對周邊環(huán)境有影響。

2)薄壁筒樁有內(nèi)外側(cè)壁,存在內(nèi)外側(cè)摩阻力。

3)在施工費(fèi)用上,筒樁加固費(fèi)用較高,但預(yù)壓期短,無需受填筑速率控制,可一次性填筑至設(shè)計標(biāo)高。對于箱涵、涵洞等加固區(qū),可避免二次開挖,使整個工期大大縮短。

4)加蓋蓋板,能有效地降低土沉降。在滿足承載力要求的允許沉降量前提下,加大蓋板面積,放大樁間距,可降低工程造價。

5)土工格柵對于筒樁處理軟基必不可少,使筒樁和樁間土能相互作用,使樁間土上的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到筒樁上來,使路基沉降均勻,提高路基的穩(wěn)定性。

6)筒樁成樁以后,質(zhì)量檢測簡單易行,可通過低應(yīng)變測試樁身完整性,通過高應(yīng)變測試單樁承載力。

7)筒樁技術(shù)處理軟土地基從根本上解決了軟土地基的不均勻沉降問題,有工后沉降小和路基穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。而其他處理軟基方法均是治標(biāo)不治本,這是筒樁與其他方法最重要的本質(zhì)差別。

進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國每年各種樁的用量已經(jīng)超過500萬根,綜合考慮軟基加固的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益,用筒樁加固高速公路橋頭軟土路基,特別是對地基強(qiáng)度和工后沉降要求較高(如高填方的臺后路基)且軟土性質(zhì)差的路段,其技術(shù)上是優(yōu)越的,綜合比較社會效益是明顯的。不過在滿足承載力要求的前提下,建議優(yōu)先使用Y形樁,因為兩者都派生于沉管灌注樁,且從兩者的對比來看,Y形樁的確有一定的優(yōu)勢,本次設(shè)計遺憾的是由于沒有Y形樁的試驗觀測數(shù)據(jù),無法進(jìn)一步探討其與筒樁加固軟基的效果區(qū)別,只能從理論上來分析。

目前,現(xiàn)澆混凝土薄壁筒樁已經(jīng)有多項中國國家專利及美國國家專利。從已經(jīng)施工完成的筒樁應(yīng)用情況來看,筒樁應(yīng)用已不受施工環(huán)境以及地質(zhì)條件限制。過去筒樁應(yīng)用受限制主要表現(xiàn)在兩個方面:1)施工樁的激振錘提供的激振力不能滿足要求;2)筒樁施工存在一定的擠土效應(yīng)。目前,我國施工筒樁的振動錘多數(shù)還是從國外引進(jìn),成本較高。而隨著國內(nèi)中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計院自行研制開發(fā)的大型高頻液壓振動錘的問世,可以很好地解決激振力不足及造價高的問題。而后者則只需外加抓土裝置,可直接從內(nèi)管取土,以減少內(nèi)管土的阻力,從而達(dá)到減小擠土效應(yīng)的目的。

[1] 張曉青.淺談幾種軟土地基處理的方法[J].山西建筑,2009,35(6):153-154.