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岩土研究院

沉管灌注桩施工新工艺——非挤土沉管灌注桩

323 2022-07-07 10:27:51

目前,国内工程界在中小荷载的桩基工程中仍大量采用锤击或振动式沉管灌注桩,主要原因是它具有设备工艺简单、造价低、施工周期短、适用范围广的优点。当在饱和软粘土中沉打桩管时,因土的渗透系数很小,在瞬间挤土应力作用下土体内孔隙水压力升高,特别是“满堂红”布桩时积累明显且短时间内不易消散。当土被桩管挤向四周时,产生变形,引起桩周土隆起,据实测,一般可达30~60cm。


这对相邻已浇注混凝土还处于塑性或是初凝状态的桩身产生向上的摩擦力,造成缩径、断桩。同时挤土应力所产生的孔隙水压力还会通过刚浇注混凝土的桩身消散,引起桩顶冒浆水泥流失,使桩身混凝土离析强度降低。在可液化土中沉管,由于挤土和振动效应,土体发生液化,除产生上述成桩缺陷外,有时预制混凝土桩靴随桩管上拔而上浮,采用无桩靴工艺施工时,还会发生管涌。这种因沉管挤土引起的土体隆起变形,对成桩的危害是十分严重的。据有关文献介绍,国内许多工程由于这一问题造成的重大质量事故不胜枚举,延误工期损失惨重。


例如山东省某污水处理厂二沉池地基为饱和粘土及淤泥质粘土,呈软流塑状态。设计采用振动沉管灌注桩,桩径+377、桩长12.0m,满堂井点布桩,间距为1.4m×1.4m,总桩数1200余根。施工结束后经动测和开挖证实,大多数桩在地表下1.8m左右处严重缩径,有不少断桩。后将桩上部混凝土凿除,全部进行了接桩处理。再例山东某公司储油罐工程,拟建10万m³罐2座,1万m²罐10座。地基为近海沉积的饱和淤泥质粘土。


设计采用CFG桩复合地基,桩径φ377,桩长8.0m,满堂井点布桩,桩间距为1.3m×1.3m,总桩数约计13700余根。采用振动沉管和锤击沉管两种工艺,施工中场区普遍隆起0.5m。施工中间检测发现几乎百分之百的桩存在不同程度的缩径、断桩、离析。这时大多数小罐已施工完毕,停止施工两个月研究处理办法。采取的第一个措施是将桩体材料改为C20号混凝土并配置钢筋笼。当发现该措施还是不能解决问题时,又采取了用螺旋钻在桩位隔排“引孔”的方法。最后对罐基普遍用粉喷桩进行了补强处理。整个工期延误5个多月并造成很大经济损失。


近年来国内普遍推广的沉管夯扩桩,由于提高了混凝土的灌注压力,对成桩的本身来说质量得到改善,但沉管挤土应力对相邻桩的负面影响依然存在。例如,山东某厂水泥生产线筒仓沉管夯扩桩工程,地基为软塑的饱和粘土,设计桩径φ377,桩长7.0m,一次夯扩,满堂井点布桩,间距1.3m×1.3m,面积置换率达6.5%,总桩数约400多根。施打37根桩后发现地面隆起达60cm左右,立即停止施工,开挖目测发现,有的桩距地表处有约10cm 宽的水平缝,桩顶部混凝土上下分离由钢筋笼支撑着。动测检验其它桩多数有成桩缺陷。工程采取降水和用长螺旋钻钻孔,预先解除一部分挤土应力的措施,将场地隆起量控制在20cm,才避免发生质量事故。


为改善因沉管挤土效应导致的质量通病问题,施工中常采取一些技术措施,例如放慢打桩速度、采取间隔跳打顺序或预先在地基土中设置竖向排水体。其目的是减少孔压的积累,加速孔压的消散,提高基土的有效压实率。实际上饱和土的孔压消散是一个较缓慢的过程,在饱和粘土中可达1~2个月,在排水条件较好的粉土中亦需要数小时至数十小时,这同沉打一根桩管只需十几分钟相比其差距是很大的。即使打设了竖向排水体。在连续沉打桩管条件下,地基土的孔压根本来不及消散,因此采取上述措施的效果往往不明显。例如山东东营市某供销社营业大楼桩基础工程,地基为黄河冲积成因的可液化粉土,地下水位埋深 1.5m,设计采用沉管夯扩桩,桩径377、桩长9.0m,独立基础下布桩 4~9根。为保证成桩质量,在桩间和桩群外侧布置并打设了排水砂井,直径和深度与工程桩相同,同时还采取了隔排跳打的沉桩顺序。施工时发现地表随锤击颤动,液化明显。竣工后经低应变动测发现被测桩的 90%有成桩缺陷,开挖验证多数桩在 1.0~~1.5m 处缩径且有"蜂窝"、空洞、钢筋外露。后进行了接桩处理。前面所述的山东某公司储油罐工程,在施打CFG桩之前,其桩间位置亦全部预先打设了干振沉管碎石桩(桩长、桩径与沉管CFG桩相同)。从效果来看这些竖向排水体未起到作用。


沉管桩的应用量大面广,如何保留沉管桩的优点,彻底解决其质量通病。消除沉管的挤土应力是问题的关键。长螺旋钻孔灌注桩是一种非挤土桩,因钻孔时将土体排出地面而不产生挤土效应,但在高地下水位的饱和软土中钻杆离孔后孔壁易坍塌、缩孔,其应用受到限制。由螺旋钻孔桩改进而来的二次压浆成桩工艺,虽能解决这一问题,但工艺较复杂,工效较低,造价亦可观。如果将螺旋钻孔桩和沉管桩两者的优点集于一身,可同时解决护壁和排土问题。近年来国内外工程界都在积极地研究非挤土沉管灌注桩的施工工艺和配套设备机具。


德国宝峨公司研制的螺旋钻加钢护筒双钻系统,其原理是在桩管内套装全长螺旋钻杆,双旋转液压动力头以相反方向同时驱动桩管和长螺旋钻杆并用加压装置将其沉入地基土中,沉管的同时管内螺旋将土排出,达到设计深度后拔出螺旋钻杆,放入钢筋笼,灌注混凝土成桩。成桩直径为254~600mm。


山东省某公司研制一种叫作螺旋钻套管钻机工艺设备。工艺原理是在长螺旋钻杆外套装钢护简,当螺旋钻钻进时,钢护简通过加压滑轮组以桩机自重为反力跟进护壁。最大成桩直径可达1200mm,深度 28m。


本文作者单位开发一种新型工艺设备,与上述不同之处是利用双电机振动桩锤沉管,内置长螺旋钻杆。两者安装于桩架导轨之上可分别升降。启动振动桩锤将桩管沉人地基土,土挤人管内未形成土塞效应之前,螺旋钻跟进排土或是螺旋钻超前钻进桩管跟进护壁。该工艺现有设备成桩直径可达少377~φ500,桩长18m。根据需要可配置内冲锤进行扩底作业。该工艺设备的不足之处是,桩管的振动可通过螺旋片和其之间的土传给动力头,引起共振现象,应当进一步研究克服。


以上所介绍的成桩工艺虽然桩管的沉入方式不同,但从工艺机理上看则是相同的,即采用沉管护腰螺旋钻排土,这种方法集中了沉管桩和螺旋钻孔桩的优点,在沉桩管过程中无挤土应力产生,因此,消除了十体降起变形的影响,从根本上解决了挤土类沉管灌注桩缩径、断桩、离析等质量通病问题。


通过工程实践证实,采用新工艺施工,桩周土隆起值很小,孔压变化不大,成桩质量非常可靠。由于沉管与排土钻进同时进行,其工艺简单。可以说非挤土沉管灌注桩是沉管灌注桩施工技术上的一大进步,有必要大力推广这种新工艺,在实践中进一步研究和完善其工艺方法和设备机具。

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