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

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1 前言

我國地域遼闊，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)定性問題，不能快速加載，制約工程的進(jìn)度，因此施工工期很長，影響了工程投資的經(jīng)濟(jì)性。強(qiáng)夯法主要是針對透水性較強(qiáng)軟土的加固效果明顯，對軟粘土不適宜，對沿海地區(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，長期以來，無論在建筑工程，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)場灌注樁造價要高；現(xiàn)場澆筑混凝土樁單方造價較低，但也不能節(jié)省混凝土材料，從根本上看，現(xiàn)場澆筑混凝土實(shí)心樁的造價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的破壞性，從而增加了造價，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)開發(fā)了高效經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場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

振動沉?，F(xiàn)澆混凝土管樁技術(shù)采取振動沉模自動排土現(xiàn)場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)計深度，在腔體內(nèi)現(xiàn)成澆注混凝土，之后振動拔管，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，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。振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁動力設(shè)備是振動錘，振動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，使振動體系產(chǎn)生垂直往復(fù)高頻率振動。振動體系具有很高的質(zhì)量和速度，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊動量，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、振動體系的質(zhì)量和土層的密度、粘性、粒徑有關(guān)。振動體系的豎向往復(fù)振動，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(見圖1)，模板即能沉入地層；當(dāng)R與N、F、P豎向分力平衡時或達(dá)到預(yù)定深度時，則模板停止下沉。由于腔體模板在振動力作用下使土體受到強(qiáng)迫震動產(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：

模板作用。在振動力的作用下環(huán)形腔體模板沉入土中后澆注混凝土；當(dāng)振動模板提拔時，同時混凝土從環(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。
振搗作用。環(huán)形腔體模板在振動提拔時，對模板內(nèi)及注入槽孔內(nèi)的混凝土有連續(xù)振搗作用，使樁體充分振動密實(shí)。同時又使混凝土向兩側(cè)擠壓，管樁壁厚增加。
擠密作用。振動沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁在施工過程中由于振動、擠壓和排土等原因，可對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：沉樁深度達(dá)到25m以上；樁徑為1000 ~ 1500mm；管樁壁厚100~150mm；混凝土可多次加料；提升力達(dá)到30t，壓樁力加上高頻振動荷載達(dá)到100t。
根據(jù)以上要求設(shè)計了振動套管成模大直徑現(xiàn)澆管樁機(jī)具，如圖2所示。設(shè)備基本組成包括：底盤；龍門支架；振動頭；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 振動沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁設(shè)備圖

4 振動沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁施工工藝及要點(diǎn)
施工流程
施工進(jìn)場 → 現(xiàn)場裝配 → 樁機(jī)就位 → 振動沉管 →澆注混凝土 → 振動拔管 → 移機(jī)
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，可利用專門設(shè)計的成模潤滑造漿器在沉樁過程中注入泥漿。
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性較好；
在遇到砂性土層時，宜放慢上提的速度，軟土層速度一般可在1～3min/m。

5 振動沉?，F(xiàn)澆薄壁管樁技術(shù)特點(diǎn)
振動沉模大直徑現(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，與實(shí)心樁相比，可提高樁摩擦力，并節(jié)省大量混凝土，從而大大降低造價。
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。
通過造漿器造漿，可以減少沉模時環(huán)形套模內(nèi)外摩擦阻力，保護(hù)樁芯和側(cè)壁土穩(wěn)定。
混凝土分流器可以避免管腔中混凝土澆注時的離析和厚薄不均。
龍門支架較單柱支撐的優(yōu)點(diǎn)是保證機(jī)具穩(wěn)定，同時克服了常規(guī)結(jié)構(gòu)抗拔力不足問題。
由于采用振動雙層套管成模工藝，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。
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；
該樁型成樁質(zhì)量穩(wěn)定，可沉樁較深，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?，F(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。如多層及小高層建筑物地基處理；高速公路、市政道路的路基處理；大型油罐及煤氣柜地基處理；污水處理廠大型瀑氣池、沉淀池基礎(chǔ)處理；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：表層土：有1～2m厚的填土，或可～軟塑的素填土3～5m。下部土層：以軟～流塑狀態(tài)的粉土、粉質(zhì)粘土為主體。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；對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 振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基設(shè)計與檢測

由于振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁與褥墊層、土共同作用形成剛性樁復(fù)合地基，振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基的設(shè)計按剛性樁復(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，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]。
振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基設(shè)計內(nèi)容
根據(jù)地質(zhì)勘測報告，確定樁端持力層和樁長；
確定樁徑和壁厚，一般設(shè)計樁徑為1000mm～1500mm，設(shè)計壁厚100～150mm；
根據(jù)設(shè)計要求的復(fù)合地基承載力和變形確定樁間距和布置，一般樁間距為d；
樁體混凝土等級，根據(jù)形成復(fù)合地基承載力的需要，一般采用C10～C25；
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)量檢測方法
振動沉模大直徑現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁檢測分三種方式進(jìn)行，即：
現(xiàn)場開挖：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：采用反射波法對樁身完整性進(jìn)行檢測。
靜載荷試驗(yàn)或復(fù)合地基承載力載荷試驗(yàn)：對單樁承載力或復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測。

7 振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁技術(shù)的應(yīng)用
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江北岸，地基土層為8~18米深粉質(zhì)粘土，設(shè)計路堤填土最大高度為6.0米。通過堆載預(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)計樁長從6m到11.8m不等，工程總量為3780延米。設(shè)計直徑 1000mm，壁厚120mm，混凝土等級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)場施工的照片，圖4為開挖單根管樁樁頭。
樁基檢測
該樁基工程檢測分三種方式進(jìn)行，即：
1）現(xiàn)場開挖：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。開挖結(jié)果表明，樁身混凝土結(jié)構(gòu)完整，無斷樁和空隙。
2）低應(yīng)變檢測：采用反射波法對樁身完整性進(jìn)行檢測，檢測數(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)變動力檢測報告》表明：樁身混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到設(shè)計C20要求。實(shí)測各樁樁身完整，為A類樁。
3）靜載荷試驗(yàn)：對單樁承載力進(jìn)行檢測，檢測數(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)報告》表明，7.8m管樁豎向極限承載力大于600kN，滿足設(shè)計要求。

現(xiàn)場測試
在樁基實(shí)施過程中，進(jìn)行了現(xiàn)場埋設(shè)儀器和測試研究，結(jié)論如下：
1）樁周地表土的位移。從實(shí)測資料可以看出，在沉樁過程中對于地表土體的擠密近于指數(shù)形式的衰減。在距樁心2.5m處樁周土的位移量均小于2mm，說明本次設(shè)計的樁間距是合理的。
2）沉樁過程土壓力的變化。從距沉樁中心3m處實(shí)測資料中反映出的特點(diǎn)大致為：在單樁沉入時，且無相鄰樁的存在的情況下，沉樁的擠土壓力在上部5m范圍內(nèi)近于一致的，下部由于土質(zhì)較硬擠土作用明顯，因此，在5m以下土壓力要高于上部壓力。隨著沉樁深度的變化，下部土壓力也隨之上升。打樁結(jié)束后，樁周土壓力隨時間不斷地減小，這一點(diǎn)與已有的觀點(diǎn)是一致的，即應(yīng)力松弛現(xiàn)象。由于已經(jīng)存在的樁對樁周土體已經(jīng)擠密，因此，在打入相鄰樁時，對在已成樁的邊緣產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力，其應(yīng)力變化特點(diǎn)為隨沉樁深度的加深有增加的趨勢，但增量有限。沿徑向土壓力也是衰減的。從后期提供的低應(yīng)變檢測報告中反映，本工程設(shè)計的樁間距是合理的，并未發(fā)生側(cè)向擠壓導(dǎo)致的擠壓破壞現(xiàn)象。
3）孔隙水壓力變化特征。孔隙水壓力隨沉樁深度逐漸增加，但增加至一定值后，孔壓將不再增加。距離沉入樁越近孔壓升的越高。本次預(yù)埋的孔隙水壓力計距沉樁邊最近的為0.5m，在該處孔壓升高到近30kPa，是距樁邊3m處孔壓的3倍。本場地為亞粘土孔壓消散也很快。
4）沉樁引起的樁周土不同深度的水平位移。沉樁的擠土作用導(dǎo)致樁周土發(fā)生徑向位移，從實(shí)測結(jié)果分析可知，在距樁邊1m處擠壓水平位移很大，最大可達(dá)30mm以上，距樁邊2m處水平位移明顯減小，距樁邊2.5~4.5m處水平位移很小。但無論是距樁心遠(yuǎn)近，每次檢測會發(fā)現(xiàn)在2m深處水平位移偏低，可能是由于上部表層土經(jīng)過碾壓形成硬殼，在沉樁過程中硬殼下面的飽和回填土或軟粘土產(chǎn)生變形所至。

8 結(jié)語
振動沉模現(xiàn)澆混凝土管樁技術(shù)吸收了預(yù)應(yīng)力管和振動沉管樁等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該管樁樁身強(qiáng)度高，直徑大，有效加固深度可達(dá)30m以上，施工工藝簡單，可操作性強(qiáng)，便于質(zhì)量控制、監(jiān)督，單樁承載力高而造價又相對較低。振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁復(fù)合地基新技術(shù)具有承載力提高幅度可調(diào)范圍大、變形模量高、樁體質(zhì)量及耐久性有保障等特點(diǎn)，且有效地降低了基礎(chǔ)處理成本，提供了提高地基承載力、控制地基變形的一種極為有效的方式。振動沉模大直徑現(xiàn)澆管樁是軟土地區(qū)的優(yōu)質(zhì)高效樁，具有較大的應(yīng)用推廣價值，其施工設(shè)備和工藝還有待于在實(shí)踐中改進(jìn)和完善。

【參考文獻(xiàn)】
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3 樁基工程手冊編寫委員會，樁基工程手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1995
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