沖淤沉積層中新型咬合樁工法及應用摘 要:通過分析沖淤沉積層的特點和套管咬合樁的施工工藝,對套管咬合樁在沖淤沉積層中的擴徑現象進行研究。指出在該地層中套管咬合樁施工產生擴徑的主要原因是套管下沉對地層的擾動、周圍土體向管內涌擠而產生的超挖和緩凝混凝土對地層的擠壓擴張作用。提出利用水泥攪拌樁替代A序素混凝土樁,用有鋼筋籠的B序樁咬合A序的水泥攪拌樁,形成鉆孔樁咬合攪拌樁的一種新型咬合樁工法。該工法可以有效解決在沖淤沉積層中進行咬合樁施工時的擴徑問題和止水問題。該工法在南京地鐵西延線工程中得到應用,取得了較好的應用效果。關鍵詞:基坑工程;咬合樁工法;沖淤沉積層;攪拌樁;鉆孔樁 鐵道第三設計院設計、中鐵隧道集團有限公司承建的深圳地鐵會-購區間隧道的圍護結構是鉆孔咬合樁在我國應用的第1個工程實例[1]。隨后該工法在杭州解放路隧道工作井、南京地鐵等工程中得到進一步的推廣應用[2]。在工程實踐的同時,相關研究人員對咬合樁圍護結構的計算方法及參數選取、咬合樁的設計、施工工藝及相應的控制措施進行了較為全面的研究和總結[3—5]。該工法在軟弱地層特別是沖淤沉積層中應用有其優勢,但也存在一些問題[6—8]。文獻[9—11]分別從樁的施工質量控制和變形預測方面做了相應的研究。本文從鉆孔咬合樁施工工藝和擴徑方面探討新型咬合樁形式。1 沖淤沉積層中灌注樁的擴徑機理1.1 咬合樁的擴徑原因分析 全新世沖淤沉積層一般具有強度低、高含水量、高壓縮性和高靈敏度的特點。咬合樁的施工工藝流程如圖1和圖2所示。
A樁為Ⅰ序樁,通常為素混凝土樁,B樁為Ⅱ序樁,通常為鋼筋混凝土樁。由于B樁施工時要切割A樁,所以A樁的混凝土須緩凝,緩凝的時間應根據樁長和施工速度控制,一般在28~60h之間,咬合樁施工流程和時間關系如圖3所示。 根據沖淤沉積層的特點和咬合樁的施工工藝,鉆孔咬合樁成樁過程中導致擴徑有以下3方面的原因:①套管下沉過程中對土層的擾動;②由于取土面與套管底口刃腳間的距離控制不當,導致周圍土體向套管內涌擠而產生超挖,如圖4所示;③緩凝混凝土的比重比周圍土層大,緩凝時間較長的混凝土對周圍土體存在擠壓擴張作用,成樁之后的擴徑照片如圖5所示。1.2 套管內土隆起引起的超挖量分析 如圖4所示,由于套管內外壓力差的存在,在成孔取土中很容易造成開挖面以下的土體因隆起而發生超挖。本文近似采用基坑抗隆起計算公式[12]計算安全系數ks。 若安全系數取ks=1.4,對一般的沖淤沉積層,c=10~20kPa,φ=5°~20°,取上述指標的均值,不同開挖深度時套管內土體的預留厚度如表1所示。隨著開挖深度的增加,套管內所需的預留厚度也越大。在實際施工中,預留取土厚度一般只能控制在2~3m,所以當樁長超過10m時,總存在一定的超挖量,這部分超挖量將引起混凝土超灌,從而產生擴徑現象。1.3 緩凝混凝土的擠壓擴徑 由于A序樁的緩凝時間較長,同時混凝土的比重要比土層的比重大,混凝土凝固前將對周圍的地層產生擠壓作用,如圖6所示。圖中r1和r2分別為圓筒內徑和外徑;p為混凝土壓力,MPa;q為土壓力,MPa。本文借助小孔擴張理論[13]對這一問題進行求解。 式中:μ為土的泊松比;E為土的彈性模量,MPa;r為樁的半徑,cm;C為土的不排水抗剪強度,kPa;k為水平抗力系數。 根據一般沖淤沉積層的物理力學指標,半徑的擴張約5~10cm,這在工程中是一個不可忽視的量。2 鉆孔樁咬合攪拌樁工法 沖淤沉積層中咬合樁因A序樁混凝土緩凝而發生的擴徑問題,可以通過施工方法進行調整控制。文獻[14]介紹了在軟土地層中采用攪拌樁與鉆孔灌注樁形成的復合式圍護結構。其最初的設計思路是將攪拌樁作為止水結構設置在鉆孔樁的外側,由鉆孔樁來承擔坑外側的土壓力。本文根據攪拌樁的比重與土層的比重相近的特點,將A序樁改成水泥攪拌樁,用B序樁咬合A序攪拌樁形成鉆孔樁咬合攪拌樁工法。鉆孔樁咬合攪拌樁的平面布置如圖7所示。由于B序樁中有鋼筋籠,A序樁為水泥攪拌樁,在軟土地層中不存在擴徑問題,同時攪拌樁的存在還能制約B序樁的超挖,從而有效地解決擴徑問題。3 應用實例 南京地鐵西延線的元—中區間地處南京的河西地區,在清代還是長江的漫灘,屬全新世沖淤沉積層。區間隧道全長1152m,土層層厚及物理力學指標如表2所示。 由于區間隧道的開挖深度為9~11m,擬定的圍護方式如圖6所示,A序樁為 650mm水泥攪拌樁,B序樁為 800mm鉆孔灌注樁,兩相鄰A序樁和兩相鄰B序樁的中心間距均為1050mm,實際咬合量為20cm,攪拌樁的水泥摻量16%,水灰比0.54。 隧道攪拌樁的最大優點是可以采用多臺機具同時施工,加快施工進度。圖8是鉆孔樁咬合攪拌樁的實際效果,從中可以發現止水效果非常好,同時鉆孔樁沒有擴徑現象。5 結 論 鉆孔樁咬合攪拌樁是針對沖淤沉積層的地質特性提出的新工法,其特點是充分利用攪拌樁的止水性能和鉆孔樁的抗彎性能,可以避免鉆孔咬合樁的擴徑現象,也利于提高工效。但在施工中應注意對垂直度的控制。參考文獻[1]王安龍.鉆孔咬合樁———地鐵工程圍護結構新型式[J].現代隧道技術,2002,(9):51—58.[2]周順華.我國城市軌道交通地下工程的施工技術現狀與發展[J].城市軌道交通研究,2004,7(2):34—37.[3]鄭劍升.咬合樁圍護結構設計參數研究[D].上海:同濟大學,2004.[4]姚燕明,周順華,陳 力.鉆孔咬合樁按剛度分配的計算方法[J].建筑結構,2003,33(11):25—26.[5]同濟大學,中鐵二局集團有限公司.全新世沖淤沉積層地鐵車站及區間采用鉆孔咬合樁圍護結構的設計與施工技術研究[R].上海:同濟大學,2004.[6]何澤剛.鉆孔咬合樁圍護結構施工工藝研究[D].上海:同濟大學,2004.[7]周彥軍.套管成孔灌注樁在公路軟基處理中的應用[J].隧道建設,2004,24(2):56—57.[8]朱向榮,方鵬飛.深厚軟基超長樁工程性狀試驗研究[J].巖土工程學報,2003,25(1):76—79.[9]宋 冶,高爾洋,馬德云.廣州地鐵一號線車站深基坑支護技術述評[J].中國鐵道科學,1998,19(4):64—74.[10]喬世范,方理剛,劉寶琛.GM(1,1)模型與指數模型在基樁沉降預測中的應用[J].中國鐵道科學,2005,26(3):53—55.[11]賀玉龍,楊立中,鄭永翔.聲波透射法在旋噴樁復合地基加固效果評價中的應用[J].中國鐵道科學,2003,24(5):44—47.[12]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.[13]王偉堂,裘華君.壓樁擠土位移的預估與防治的研究[J].巖土工程學報,2001,21(3):378—379.[14]周順華,余紹鋒,吳海平.水泥土—灌注樁基坑圍護結構的試驗與現場實例[J].巖土工程學報,1998,20(2):290—292.
A樁為Ⅰ序樁,通常為素混凝土樁,B樁為Ⅱ序樁,通常為鋼筋混凝土樁。由于B樁施工時要切割A樁,所以A樁的混凝土須緩凝,緩凝的時間應根據樁長和施工速度控制,一般在28~60h之間,咬合樁施工流程和時間關系如圖3所示。 根據沖淤沉積層的特點和咬合樁的施工工藝,鉆孔咬合樁成樁過程中導致擴徑有以下3方面的原因:①套管下沉過程中對土層的擾動;②由于取土面與套管底口刃腳間的距離控制不當,導致周圍土體向套管內涌擠而產生超挖,如圖4所示;③緩凝混凝土的比重比周圍土層大,緩凝時間較長的混凝土對周圍土體存在擠壓擴張作用,成樁之后的擴徑照片如圖5所示。1.2 套管內土隆起引起的超挖量分析 如圖4所示,由于套管內外壓力差的存在,在成孔取土中很容易造成開挖面以下的土體因隆起而發生超挖。本文近似采用基坑抗隆起計算公式[12]計算安全系數ks。 若安全系數取ks=1.4,對一般的沖淤沉積層,c=10~20kPa,φ=5°~20°,取上述指標的均值,不同開挖深度時套管內土體的預留厚度如表1所示。隨著開挖深度的增加,套管內所需的預留厚度也越大。在實際施工中,預留取土厚度一般只能控制在2~3m,所以當樁長超過10m時,總存在一定的超挖量,這部分超挖量將引起混凝土超灌,從而產生擴徑現象。1.3 緩凝混凝土的擠壓擴徑 由于A序樁的緩凝時間較長,同時混凝土的比重要比土層的比重大,混凝土凝固前將對周圍的地層產生擠壓作用,如圖6所示。圖中r1和r2分別為圓筒內徑和外徑;p為混凝土壓力,MPa;q為土壓力,MPa。本文借助小孔擴張理論[13]對這一問題進行求解。 式中:μ為土的泊松比;E為土的彈性模量,MPa;r為樁的半徑,cm;C為土的不排水抗剪強度,kPa;k為水平抗力系數。 根據一般沖淤沉積層的物理力學指標,半徑的擴張約5~10cm,這在工程中是一個不可忽視的量。2 鉆孔樁咬合攪拌樁工法 沖淤沉積層中咬合樁因A序樁混凝土緩凝而發生的擴徑問題,可以通過施工方法進行調整控制。文獻[14]介紹了在軟土地層中采用攪拌樁與鉆孔灌注樁形成的復合式圍護結構。其最初的設計思路是將攪拌樁作為止水結構設置在鉆孔樁的外側,由鉆孔樁來承擔坑外側的土壓力。本文根據攪拌樁的比重與土層的比重相近的特點,將A序樁改成水泥攪拌樁,用B序樁咬合A序攪拌樁形成鉆孔樁咬合攪拌樁工法。鉆孔樁咬合攪拌樁的平面布置如圖7所示。由于B序樁中有鋼筋籠,A序樁為水泥攪拌樁,在軟土地層中不存在擴徑問題,同時攪拌樁的存在還能制約B序樁的超挖,從而有效地解決擴徑問題。3 應用實例 南京地鐵西延線的元—中區間地處南京的河西地區,在清代還是長江的漫灘,屬全新世沖淤沉積層。區間隧道全長1152m,土層層厚及物理力學指標如表2所示。 由于區間隧道的開挖深度為9~11m,擬定的圍護方式如圖6所示,A序樁為 650mm水泥攪拌樁,B序樁為 800mm鉆孔灌注樁,兩相鄰A序樁和兩相鄰B序樁的中心間距均為1050mm,實際咬合量為20cm,攪拌樁的水泥摻量16%,水灰比0.54。 隧道攪拌樁的最大優點是可以采用多臺機具同時施工,加快施工進度。圖8是鉆孔樁咬合攪拌樁的實際效果,從中可以發現止水效果非常好,同時鉆孔樁沒有擴徑現象。5 結 論 鉆孔樁咬合攪拌樁是針對沖淤沉積層的地質特性提出的新工法,其特點是充分利用攪拌樁的止水性能和鉆孔樁的抗彎性能,可以避免鉆孔咬合樁的擴徑現象,也利于提高工效。但在施工中應注意對垂直度的控制。參考文獻[1]王安龍.鉆孔咬合樁———地鐵工程圍護結構新型式[J].現代隧道技術,2002,(9):51—58.[2]周順華.我國城市軌道交通地下工程的施工技術現狀與發展[J].城市軌道交通研究,2004,7(2):34—37.[3]鄭劍升.咬合樁圍護結構設計參數研究[D].上海:同濟大學,2004.[4]姚燕明,周順華,陳 力.鉆孔咬合樁按剛度分配的計算方法[J].建筑結構,2003,33(11):25—26.[5]同濟大學,中鐵二局集團有限公司.全新世沖淤沉積層地鐵車站及區間采用鉆孔咬合樁圍護結構的設計與施工技術研究[R].上海:同濟大學,2004.[6]何澤剛.鉆孔咬合樁圍護結構施工工藝研究[D].上海:同濟大學,2004.[7]周彥軍.套管成孔灌注樁在公路軟基處理中的應用[J].隧道建設,2004,24(2):56—57.[8]朱向榮,方鵬飛.深厚軟基超長樁工程性狀試驗研究[J].巖土工程學報,2003,25(1):76—79.[9]宋 冶,高爾洋,馬德云.廣州地鐵一號線車站深基坑支護技術述評[J].中國鐵道科學,1998,19(4):64—74.[10]喬世范,方理剛,劉寶琛.GM(1,1)模型與指數模型在基樁沉降預測中的應用[J].中國鐵道科學,2005,26(3):53—55.[11]賀玉龍,楊立中,鄭永翔.聲波透射法在旋噴樁復合地基加固效果評價中的應用[J].中國鐵道科學,2003,24(5):44—47.[12]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.[13]王偉堂,裘華君.壓樁擠土位移的預估與防治的研究[J].巖土工程學報,2001,21(3):378—379.[14]周順華,余紹鋒,吳海平.水泥土—灌注樁基坑圍護結構的試驗與現場實例[J].巖土工程學報,1998,20(2):290—292.