大直徑深層鉆孔灌注樁拔除工藝研究

裴 迅，芮大虎，吳慶紅，葛執(zhí)禮

(1．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作454003;2．中鐵十六局集團(tuán)軌道交通公司，北京111018)

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市軌道工程施工中遇到既有建筑物樁基時(shí)，需要將侵入的樁體整體拔出。但是，拔樁過程中存在周邊土體擾動(dòng)而影響周圍建筑物的安全、樁體和鉆機(jī)垂直度偏差較大出現(xiàn)“啃樁”現(xiàn)象、樁體拔出過程中孔壁易坍塌以及由于斷樁引起清障不徹底等諸多問題。目前對(duì)抗拔承載力研究，國(guó)內(nèi)外做了大量的試驗(yàn)和研究。劉文白等［1］通過室內(nèi)試驗(yàn)和PFC2D軟件模擬了拔樁過程，并確定了樁的上拔承載力;吳林峰等［2］利用水射流破土機(jī)理破壞樁周土層，減小樁側(cè)摩阻力，經(jīng)濟(jì)、高效的將樁體拔出;宋輝等［3］利用有限元程序ABAQUS軟件，模擬了拔樁過程中套管壓入和拔出對(duì)既有管道的水平位移和沉降的變化規(guī)律，并為施工提供了有益的指導(dǎo)。國(guó)外有Ramanathan等［4］對(duì)拔樁在砂土中的摩阻力變化規(guī)律進(jìn)行了研究;Parry等［5］和 Rao 等［6］通過模型實(shí)驗(yàn)研究了抗拔樁的破壞面形式及抗拔樁承載力在不同的條件下(樁的長(zhǎng)徑比、樁表面粗糙度、土體的密實(shí)度)的變化情況，提出了抗拔樁承載力的半經(jīng)驗(yàn)公式。

拔樁施工中如何切斷樁體與樁周土的聯(lián)系，即破除樁周的摩阻力是關(guān)鍵技術(shù)問題。對(duì)于不同類型的樁在不同地質(zhì)情況下，其減阻方法也是多種多樣。戴金林［7］利用庫(kù)倫定律對(duì)樁體極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了計(jì)算，與現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)吻合良好，并提出了鉆孔灌注樁側(cè)壁摩阻參數(shù)計(jì)算新模式;劉杰［8］通過對(duì)樁側(cè)摩阻力的分析計(jì)算和選用有效的減阻措施，有效的避免了工程中斷樁的發(fā)生。

本文以鄭州南站連接線明挖隧道工程(拔樁區(qū)間)，擬拔除的灌注樁直徑大、樁長(zhǎng)、拔樁難度大的特點(diǎn)，為了能夠安全、快速的將樁體拔出，對(duì)樁基受力特征和減小樁側(cè)摩阻的方法進(jìn)行了研究。

1 工程概況

鄭州南站連接線明挖隧道工程是新建鄭州機(jī)場(chǎng)至鄭州南站連接線工程的一部分，為地下區(qū)間隧道，以確保鄭州機(jī)場(chǎng)二期工程按期投入使用，實(shí)現(xiàn)鄭州東站、鄭州機(jī)場(chǎng)與鄭州南站的銜接。本期實(shí)施的部分連接線工程處于擬建的鄭州機(jī)場(chǎng)二期工程飛行區(qū)站坪下方，小里程端與鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路明挖區(qū)間隧道相接，大里程端至本期工程終點(diǎn)，總長(zhǎng)396．58 m。線路走向具體詳見圖1所示。

圖1 新建工程線路平面示意圖

由于本工程施工起點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與原城際鐵路圍護(hù)樁相碰，需對(duì)原城際鐵路圍護(hù)樁進(jìn)行拆除。拆除原城際鐵路圍護(hù)樁的直徑1．2 m、樁長(zhǎng)22．3 m、樁身強(qiáng)度C30，總計(jì)為52根。

拔樁場(chǎng)地位于鄭機(jī)城際鐵路工程施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)，已完成鉆孔灌注樁的施工，尚未進(jìn)行冠梁澆筑和土方開挖。需拔除的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁的周邊地層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地層結(jié)構(gòu)示意圖

2 拔樁的破壞形態(tài)

圖3 拔樁破壞形式圖

拔樁過程中樁周土破壞如圖3所示，可分為樁土接觸面的剪切破壞、樁周土體錐形破壞、復(fù)合剪切面破壞。Meyerhof等［9］曾指出，當(dāng)樁頂荷載達(dá)到極限抗拔承載力時(shí)，土體剪切破壞面在樁底處與樁側(cè)表面相切，而在地表面，土體破壞面與水平面成45°－φ/2夾角。何思明［10］基于這種理論的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了適合33種土體剪切破壞的破壞面計(jì)算公式:

根據(jù)邊界條件x=r、z=0(計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖4)，對(duì)式(1)等式兩邊同時(shí)積分，得到土體破壞面方程為:

圖4 拔樁承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中:φ——土體內(nèi)摩擦角;r——樁的半徑;L——樁長(zhǎng);N——待定參數(shù)。

當(dāng)N趨于無(wú)窮大時(shí)，對(duì)式(2)取極限得:

式(3)即為樁土接觸面剪切破壞時(shí)土體破壞面方程。

當(dāng)N趨于0時(shí)，對(duì)式(2)取極限得:

式(4)為樁周土體錐形破壞時(shí)土體破壞面方程。

一般而言，拔樁的破壞模式通常為圖(3)中的(a)，即樁土接觸面的剪切破壞。對(duì)于這種破壞形式，其抗拔力可用式(5)這種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

由上式可知，樁體抗拔力包括樁體自重W和樁側(cè)摩阻力f。準(zhǔn)確的計(jì)算樁身與樁周土體之間的摩擦力，能為拔樁施工提供安全有效的指導(dǎo)。

3 拔樁極限側(cè)阻力及設(shè)備選型

3．1 樁體極限側(cè)阻力計(jì)算

樁體拔除是樁周土體由受剪破壞到樁土剝離的過程。因此，拔樁極限側(cè)阻力宜按下式計(jì)算［11］:

式中:qsik——樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可按表1取值;u——樁身周長(zhǎng);li——第 i層土的厚度;ψsi——大直徑樁側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)，粉土取

表1 樁側(cè)摩阻力計(jì)算參數(shù)

樁側(cè)極限阻力:

為了防止施工中斷樁現(xiàn)象的發(fā)生，必須考慮樁體自身的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)［12］中的 6．2．22 條，樁身軸向拉力設(shè)計(jì)值表達(dá)式如下(不考慮預(yù)應(yīng)力筋):

式中:fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度;As——鋼筋截面積。

由上述計(jì)算可知，樁側(cè)極限阻力遠(yuǎn)大于鋼筋抗拉強(qiáng)度。為了防止出現(xiàn)斷樁，造成二次拔樁的問題，必須減小樁側(cè)阻力，以便能夠?qū)扼w整體拔除。

3．2 拔樁設(shè)備選型

當(dāng)起拔力超過樁體自身的材料強(qiáng)度時(shí)，很容易將樁體拔斷造成二次拔樁的麻煩。因此選用有效的措施減小樁側(cè)摩阻力，保證起拔力小于樁體自身的抗拉強(qiáng)度。本工程工期緊，待拔樁徑大、樁長(zhǎng)，綜合考慮施工安全、施工成本、施工工期，確定采用FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)進(jìn)行拔樁。

FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)配置履帶自行走，移動(dòng)便捷;鋼套管可以通過多節(jié)連接，滿足不同長(zhǎng)度、規(guī)格的舊樁拔除需要，靈活可變，可清除舊樁直徑最大為2 m、深度最深為70 m。FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鋼套管，鋼套管底端鑲嵌鈦合金鉆頭，具有強(qiáng)大的切割破碎能力。鋼套管邊回轉(zhuǎn)邊切削邊推進(jìn)壓入，使周邊土體與樁分離，同時(shí)在鋼套管內(nèi)加入了膨潤(rùn)土，大大減小了樁側(cè)摩阻力，然后通過特殊裝置將鋼絲繩送到樁底，與樁身鎖扣牢固后，配合履帶吊將舊樁拔出。在鋼套管內(nèi)進(jìn)行清障拔樁，對(duì)地下土體產(chǎn)生很小的擾動(dòng)。由于鋼套管對(duì)孔壁的支撐，在鋼套管周邊的土體應(yīng)力尚未釋放時(shí)，就已經(jīng)將障礙物清除并及時(shí)回填，對(duì)原城際鐵路鉆孔灌注樁影響很小。為確保后續(xù)施工的安全，樁孔回填一般采用8%水泥摻量的水泥土。在樁孔回填的過程中緩緩拔出鋼套管，樁孔下部回填土由于自然沖擊力使回填土體密實(shí)，上部回填土體則通過挖機(jī)或重錘進(jìn)行擊實(shí)。

在套管旋轉(zhuǎn)切削樁周土的同時(shí)，加入了膨潤(rùn)土，不僅起到了潤(rùn)滑套管、冷卻鉆頭的作用，還促使樁周土發(fā)生液化，極大程度上降低了拔樁時(shí)的樁側(cè)極限阻力。此時(shí)，樁周土處于流塑狀態(tài)，液限指數(shù)IL＞1，故樁側(cè)極限摩阻力取15 kPa。減阻后樁側(cè)摩阻力為:

式中:F——拔樁阻力;f樁側(cè)——樁側(cè)極限阻力;G——樁體自重;K——拔樁的安全儲(chǔ)備系數(shù)，一般取1．3 ～1．5。

由式(8)可得，拔樁阻力為:

由上述不等式可知，減阻措施滿足要求，在樁身材料所能承受的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

3．3 履帶吊車選型

在拔樁施工過程中，由履帶吊車提供起拔力，克服樁體自身重力和樁側(cè)摩阻力，將樁體緩慢拔出。因此，吊車設(shè)備的選型是確保施工安全進(jìn)行的前提。

在起重吊裝工程的設(shè)計(jì)中，為了計(jì)入動(dòng)載荷、不均衡載荷的影響，常以計(jì)算載荷作為計(jì)算依據(jù)。計(jì)算載荷的一般公式為:

式中:Qj——計(jì)算載荷;K1——?jiǎng)虞d荷系數(shù);K2——不均衡載荷系數(shù);N——設(shè)備及索具重力。

一般取動(dòng)載荷系數(shù)K1為1．1，不均衡載荷系數(shù)K2為1．1～1．2。另外，該地區(qū)室外吊裝作業(yè)時(shí)不考慮風(fēng)載荷。

吊車所需拉力:N=F=2853 kN

由式(9)可得:

Qj=K1K2N=3742 kN

以上計(jì)算可以得出，選用一臺(tái)250 t(2500 kN)和一臺(tái)150 t(1500 kN)的履帶吊車配合使用，能夠滿足受力要求，就可以將樁體拔除。其中，履帶吊配備專門的路基板供吊車行走，路基板選用尺寸為2200 mm×8000 mm的6塊。

4 拔樁工藝流程

(1)將樁頂鑿除至地面以下0．3 m左右。

(2)清障機(jī)自行定位。移動(dòng)清障機(jī)的中心與拔除的舊樁中心吻合，調(diào)整清障機(jī)水平度，復(fù)測(cè)鋼套管中心與樁位中心在同一垂直線上。

(4)樁與四周土體實(shí)施分離后，通過專用設(shè)備將鋼絲繩送到樁身底下部，與樁身鎖扣牢固后，使用履帶吊車將舊樁拔出清除。起拔時(shí)速度不宜過快。

(5)清障機(jī)移至下一樁位位置，進(jìn)入下一拔樁施工工序。

5 結(jié)論

本工程利用FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)，采用減阻法進(jìn)行了樁體拔除。樁體拔除過程中，以理論分析和實(shí)際應(yīng)用互相反饋糾偏指導(dǎo)施工，成功拔除52根大直徑深層(1200 mm、長(zhǎng)22．3 m)鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。施工現(xiàn)場(chǎng)見圖5。

通過本次施工，可得到如下結(jié)論。

(1)減阻法拔樁的應(yīng)用:FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)套管內(nèi)置HAS高壓氣霧噴射器，同時(shí)在套管內(nèi)加入膨潤(rùn)土，起到潤(rùn)滑減阻、冷卻鉆頭的作用，大大減小樁體拔除的阻力的同時(shí)起到泥漿護(hù)壁的作用。

圖5 FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)拔樁施工現(xiàn)場(chǎng)

(2)樁體局部鼓包現(xiàn)象處理:在拔樁施工過程中，鋼套管底端配置了鑲嵌鈦合金鉆頭，具備超強(qiáng)的切割切削鉆進(jìn)能力，在鋼套管沉入過程中能將樁身周邊鋼套管外的障礙物切割破碎，即使樁身局部擴(kuò)大，也不會(huì)影響拔樁施工。

(3)斷樁風(fēng)險(xiǎn)的處理:由于FCEC全回轉(zhuǎn)清障機(jī)減小了套管內(nèi)徑，致使鋼絲繩套索裝置無(wú)法安裝，需將該裝置拆除。改進(jìn)措施為:鋼套管沉入一定深度，樁與四周土體實(shí)施分離后，將鋼絲繩索固定于距離樁頂2 m的位置，兩臺(tái)吊車配合將舊樁吊起，當(dāng)樁體起吊1/3時(shí)，將鋼絲繩索移至樁體1/3處，將樁緩緩拔除。由于在套管內(nèi)加入了膨潤(rùn)土，減小了樁體在起吊過程中的受力，大大降低了斷樁的風(fēng)險(xiǎn)。

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［11］ JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［12］ GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．